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基于CPLD的冰层厚度传感器的设计

杜宇  
【摘要】: 本论文是在国家自然科学基金项目“冰层厚度传感器及其检测方法的研究”(60672028)资助下进行的一项应用基础研究。近年来,全球气候日益变暖现象已引起世界各国的高度关注,通过对南北极海冰厚度的跟踪监测进而掌握全球气候变化对自然环境的影响,已成为国际科学界研究的一个热点。冰的生消变化受多种因素的影响,由太原理工大学测控技术研究所研制的基于空气、冰与水的电阻率差异原理进行冰层厚度与冰下水位检测的冰层厚度传感器是一种可以对冰层内部生消过程进行连续自动化检测的新的冰情检测系统,它在中国第21、22次南极科学考察海冰观测试验中得到应用并获得大量的实测数据。对实验结果的分析发现,由于传感器电路结构复杂,使冰情监测系统整体功耗较大,并影响到采集数据的稳定性。针对上述缺点,本论文提出了新的冰层厚度传感器改进方案,研制成功以复杂可编程逻辑器件(CPLD)为数据采集核心电路的新型低功耗冰厚传感器,并在中国第24次南极科学考察中得到应用。 新型冰层厚度传感器采用Altera公司生产的MAXⅡ系列CPLD器件EPM1270T144I5,代替原系统中的大量模拟开关,扩展了中央数据处理器I/O口,完成了数据采集译码功能。由于CPLD芯片具有体积小、重量轻、动态功耗极低的特点,大大简化了新型冰层厚度传感器数据采集电路的结构,降低了系统整体功耗。在系统设计中,使用Verilog HDL语言编写了CPLD器件的应用程序,在精简结构的同时,有效地提高了系统可靠性。 为了降低冰层厚度传感器的整体功耗,系统设计中除尽量选用低功耗器件外,针对CPLD器件静态功耗较大的特点,采用了双路电源。其中一路为可控电源,它在采集数据时仅给CPLD供电,其余时刻都处于休眠状态。另一路电源是为除CPLD外的整个系统供电,所以它一直处于工作状态。在传感器系统中实验数据是每间隔一段时间采集一次,因此把采集程序作为中断程序处理,这样可以尽量减少CPLD的使用时间。另一方面微处理器MSP430是16位超低功耗单片机,它有多种低功耗模式,当主程序完成系统初始化后就选择处理器进入某种低功耗状态,只有中断时间到时微处理才从低功耗模式中唤醒,完成功能之后又可以进入相应的低功耗模式。通过上述方法,在硬件和软件方面都尽可能的减少了能量消耗。 考虑到传感器要在一年多时间内在南极低温环境中连续进行数据采集实验工作,传感器系统中使用了容量为1G的SD卡大容量存储器,它的特点是读写速度快,读写方便,具有极强的保密性,支持热插拔功能。由于它的容量较大而传感器采集一次的数据占用空间比较小,因此一个SD卡足够保存一年的实验数据,在南极极其寒冷的气候条件下,操作人员对数据的存取操作十分简便,较好地满足了实验工作环境对冰检测系统设备性能的需求。 新研制成功的新型冰层厚度传感器于2007年9月22日到10月18日在大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室进行了近一个月的低温老化实验。对实验数据的分析证明:基于CPLD的新型冰层厚度传感器基本上克服了旧的冰情检测系统存在的技术难题,很好地实现了对整个冰层内部冰生消状态、冰下水位的自动连续检测。


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