摘要：為了在海流測量中更好地使用海流計(jì)獲取真實(shí)的流速和流向信息，設(shè)計(jì)了一種新型的基于傾角法的海流測量儀。該測量儀采用Atmel公司開發(fā)的低功耗、高性能的CMOS型AT89S52單片機(jī)，通過串行口與上位機(jī)通信，利用VC++6．0友好的設(shè)計(jì)界面以及Matlab的繪圖功能，實(shí)現(xiàn)對原始采集數(shù)據(jù)大容量存儲、回放處理功能。海流測量儀操作簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，有較好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：海洋調(diào)查；海流計(jì)；傾角法；VC++；Matlab

0 引言
    21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，開發(fā)利用海洋資源是解決陸地資源逐漸匱乏的重要途徑，各國政治、經(jīng)濟(jì)、科技也都離不開海洋。為了合理利用開發(fā)海洋資源，努力實(shí)現(xiàn)海洋資源的可持續(xù)利用，需要使用儀器設(shè)備對海洋進(jìn)行調(diào)查、研究。其中，海流作為海洋水文三要素(海浪、海流、潮汐)之一，是海洋調(diào)查中不可或缺的參數(shù)，同時(shí)也是物理海洋學(xué)家們非常關(guān)注的海洋要素。掌握流場規(guī)律，可以更好地為國防、海運(yùn)、漁業(yè)、港建等服務(wù)。
    目前，海流的測量包括流速和流向兩個(gè)參數(shù)，海流的測量方法根據(jù)所采用的方式和手段分為兩類：漂流浮標(biāo)測流法以及定點(diǎn)觀測法。其中海流計(jì)是最常用的測流儀器。海流計(jì)從原理上又可分為機(jī)械旋槳式海流計(jì)、電磁流速計(jì)、聲學(xué)多普勒海流計(jì)以及剖面海流儀等。國外海流計(jì)的研究起步較早，技術(shù)較成熟，1905年瑞典首先設(shè)計(jì)制造了厄克曼海流計(jì)；挪威生產(chǎn)的安德拉海流計(jì)，是目前全世界使用最廣泛的海流計(jì)，最大使用深度為6000m；另外，美國生產(chǎn)的S4型電磁海流計(jì)，流速準(zhǔn)確度高達(dá)±1cm／s，流向準(zhǔn)確度為±2°。國內(nèi)海流計(jì)的研究起步相對較晚，20世紀(jì)50—70年代主要以機(jī)械海流計(jì)為主，90年代國家海洋局海洋技術(shù)研究所研制的SLLY4—1型深水流速計(jì)，最大工作水深4000m。
    與國外產(chǎn)品相比，國內(nèi)海流計(jì)價(jià)格相對低廉，但是穩(wěn)定性、測量精度等方面不及國外，因此市場占有率較低。本文介紹的基于傾角法的海流測量儀可測流速為0～300 cm／s，準(zhǔn)確度為(0．02±1)cm／s，流向?yàn)?～360°，準(zhǔn)確度為±2°。它采用低功耗、高性能的CMOS型AT89 S52單片機(jī)，通過串行口與上位機(jī)通信，利用VC++6．0友好的設(shè)計(jì)界面以及Matlab的繪圖功能，對原始采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、回放。該測量儀操作相對簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，應(yīng)用前景較為廣闊。

1 測量儀原理及設(shè)計(jì)
    海流是海水大規(guī)模并且相對穩(wěn)定的流動，是海水比較重要的普遍運(yùn)動形式之一。海流的觀測包括流向和流速兩個(gè)參數(shù)。其中，流速是單位時(shí)間海水流動的距離，單位為m／s或cm／s；流向是以地理方位角表示的，是指海水流去的方向，單位為(°)；規(guī)定正北為0，順時(shí)針進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
1．1 工作原理
    本文設(shè)計(jì)的海流測量儀，是一種新型的基于傾角法的測流技術(shù)。外殼采用封閉式防水鋼結(jié)構(gòu)，主要包括圓柱型儀器倉、導(dǎo)流雙翼、方型框架、重錘4部分。傾角法海流測量儀的外部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    理想狀態(tài)下，如果海水有運(yùn)動，在導(dǎo)流雙翼的作用下，內(nèi)含傳感器的圓柱型儀器倉繞著x軸旋轉(zhuǎn)；固定儀器倉的方型框架則會繞著x軸轉(zhuǎn)動；倘若流速是固定值，那么圓柱型儀器倉的傾斜方向最終會與流向保持一致；與此同時(shí)，由于受到海流的影響，在導(dǎo)流雙翼作用下，圓柱型儀器倉會產(chǎn)生不同程度的傾斜，其傾斜角與流速成一定比例關(guān)系，表達(dá)式如式(1)所示：
    
    式中：V為通過海流測量儀的流速；θt為傾斜角；θ0為無流時(shí)的傾斜角；θD為舉、拉中心和測量儀軸之間的夾角；θf為翼弦線和測量儀軸之間的夾角；τ90為無流時(shí)使測量儀傾斜90°所需要的扭矩；A為測量儀的區(qū)域(投影到平行測量儀軸的平面上)；LD為從轉(zhuǎn)軸到拉力作用中心的距離；CD為拉力系數(shù)；CL為升力系數(shù)；ρ為海水密度。在實(shí)際應(yīng)用中，不但海流會對測量儀產(chǎn)生作用力，還會有多種因素參與其中，因此設(shè)計(jì)測量儀的結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)充分考慮各個(gè)因素的影響，力求將影響減至最低。
1．2 測量儀設(shè)計(jì)
    本文介紹的傾角法海流測量儀可以實(shí)現(xiàn)將采集到的原始海流數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、A／D轉(zhuǎn)換、FLASH存儲以及回放處理等功能。測量儀總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

1．2．1 硬件設(shè)計(jì)
    傾角法海流測量儀選用了Atreel公司制造的低功耗、高性能CMOS型8位單片機(jī)AT89S52，它具有8 KB、1 000次擦寫周期的可編程FLASH存儲器。AT89S52單片機(jī)是傾角法海流測量儀數(shù)據(jù)接收電路的核心部分，它協(xié)調(diào)和組織其他各模塊的工作。時(shí)鐘電路采用美國達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS12887時(shí)鐘芯片，內(nèi)置鋰電池，斷電情況下運(yùn)行長達(dá)10年不會丟失數(shù)據(jù)，以二進(jìn)制或BCD碼表示時(shí)間、日歷。該測量儀采用Atml公司生產(chǎn)的串行接口的可編程閃速存儲器AT45DB161。它擁有17 301 504位主存儲器單元。采用微硅技術(shù)制造的傾角傳感器測量海流流速。它的最大工作角度可達(dá)90°，測量精度一般可達(dá)到0．1°～0．5°。在硬件設(shè)計(jì)上通過增加2個(gè)低通濾波器并通過數(shù)字濾波來消除海流以外的波動影響。
    選用電子方位傳感器測量海流流向，該傳感器具有不受環(huán)境溫度變化和電源變化的特性。溫度傳感器采用的是集成溫度傳感器AD590，傳感器輸出的信號是電流，其抗干擾能力強(qiáng)，可以遠(yuǎn)距離傳輸溫度信號。
    由于RS 485通信距離長達(dá)1 200 m，傾角法海流測量儀采用RS 485串行方式進(jìn)行通信?？紤]到傾角法海流測量儀中AT89S52單片機(jī)接口電路是TTL電平，所以需要經(jīng)過MAX485芯片實(shí)現(xiàn)與RS 485標(biāo)準(zhǔn)電平的轉(zhuǎn)換工作。同時(shí)添加S2-485轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)RS 485電平與RS 232電平的轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到海流測量儀與上位機(jī)之間正常通信。硬件電路板圖如圖3所示。

1．2．2 軟件設(shè)計(jì)
    上位機(jī)軟件采用Visual C++6．0與Matlab 7．1混合編程。Visual C++6．0是微軟推出的一款C++編譯器，將“高級語言”翻譯為“機(jī)器語言(低級語言)”的程序，它是一個(gè)功能強(qiáng)大的可視化軟件開發(fā)工具。Matlab 7．1是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。傾角法海流測量儀上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

    傾角法海流測量儀上位機(jī)軟件包括三部分功能：
    (1)通信設(shè)置。利用VC 6．0的MSComm控件設(shè)置串口號、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位；
    串口的開、關(guān)控制。傾角法海流測量儀機(jī)器編號、工作方式、起停設(shè)置；以及數(shù)據(jù)接收、保存設(shè)置。如表1所示。

    (2)數(shù)據(jù)處理。將BCD編碼方式的海流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可被用戶識別的EXCEL文檔，該部分可以對單文件、多文件、全部文件操作。
    (3)圖形繪制。利用Matlab 7．1強(qiáng)大的繪圖功能，繪制某段時(shí)間內(nèi)流速、流向隨時(shí)間變化的二維曲線圖。
    傾角法海流測量儀上電后啟動初始化，進(jìn)入接收狀態(tài)，它通過RS 485接口接收上位機(jī)發(fā)送的指令，做出相應(yīng)的響應(yīng)，一經(jīng)確認(rèn)進(jìn)入工作狀態(tài)。工作方式分為定時(shí)3 min，5 min，30 min采樣間隔，數(shù)據(jù)回放。在每個(gè)采樣間隔內(nèi)分別對流速、流向采樣30 s，溫度采樣3 s。如果接收工作方式字有效，方式字設(shè)為采樣，啟動定時(shí)器時(shí)鐘芯片，開始進(jìn)行采樣管理初始化，分別對海流的流速、流向、溫度數(shù)據(jù)采樣，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。上位機(jī)發(fā)送給海流測量儀的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表1所示。其中，控制字節(jié)用于上位機(jī)對傾角法海流測量儀進(jìn)行工作狀態(tài)的控制；當(dāng)傾角法海流測量儀接收到上位機(jī)發(fā)送的指令后，會向上位機(jī)發(fā)送返回信號，用來說明控制命令是否執(zhí)行。
    由于用二進(jìn)制形式保存文件可以大大節(jié)省存儲空間，所以傾角法海流測量儀將采集的原始海流數(shù)據(jù)保存為8421BCD碼，但是字節(jié)與字符并不一一對應(yīng)，用文本文件打開時(shí)，顯示的數(shù)據(jù)為不易識別的亂碼，用戶分析時(shí)帶來諸多不便。因此本文設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序。因?yàn)?421BCD碼每4位表示1個(gè)十進(jìn)制數(shù)，所以可以將包含海流信息的一串BCD碼轉(zhuǎn)換成字符串，按照一定的數(shù)據(jù)格式輸出到Excel文件中。為了使用方便，本文不僅設(shè)計(jì)了單文件轉(zhuǎn)換程序，還可以一次處理多個(gè)文件，供用戶選擇。關(guān)于數(shù)據(jù)分析處理方法、有效數(shù)據(jù)選取等數(shù)據(jù)處理規(guī)則參照國標(biāo)(GB17378．2—1998)海洋監(jiān)測規(guī)范相關(guān)章節(jié)。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論
    傾角法海流測量儀不僅從理論上證明了可行性，而且與實(shí)踐相結(jié)合，進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，圖5為傾角法海流測量儀與安德拉海流計(jì)在青島棧橋水域測量數(shù)據(jù)對比圖。實(shí)驗(yàn)證明，該測量儀工作穩(wěn)定，操作簡單，數(shù)據(jù)處理精度較高。傾角法海流測量儀可以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)為：流速：0～300 cm／s，分辨率：0．2 cm／s，準(zhǔn)確度：2％±1 cm／s；流向：0～360°，分辨率：0．1°，準(zhǔn)確度：±2°；水溫：-5～35℃，分辨率：0．05℃，準(zhǔn)確度：0．1℃；海流測量最大水深為100m。

3 結(jié)語
    本文設(shè)計(jì)了一種新型的基于傾角方法的海流測量儀。與國外產(chǎn)品相比，該傾角法海流測量儀成本較低、性能良好、運(yùn)行可靠、操作方便、有較好的推廣前景。