一种海底日变站数据采集系统的制作方法

1.本实用新型涉及数据采集技术领域，尤其涉及一种海底日变站数据采集系统。


背景技术：

2.海洋磁测是海洋地球物理勘探的一种重要手段，地磁日变改正是磁测工作的一个重要环节。长期以来，远海区的海洋磁力测量因受条件限制，无法就近架设地磁日变观测站，所以没有合适的地磁日变改正资料。为了解决这一问题，科研人员采用在远离大陆的磁测调查区中或者附近的深海海底，布设地磁日变观测站的方式，通过海底的地磁日变观测站，简称海底日变站，来采集地磁场的变化，获得地磁日变更正资料。
3.激光光泵磁力仪是一种用于磁场探测的高精度传感器，它重量轻、灵敏度高，能够精细测量自然及人类活动引起的磁场变化，因此被广泛应用于海底日边站中，并通过其搭建数据采集系统，采集海底磁场变化数据。
4.但是目前激光光泵磁力仪的数据采集系统一般都由厂家提供。厂家提供的激光光泵磁力仪数据采集系统面向通用领域，包含多个模块以及很多复杂的接口。海底日变站需要将激光光泵磁力仪和数据采集系统封装到压力罐中，然后再投放到几百米到几千米的海底使用，而当前通用的数据采集系统体积一般约为230
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35mm，要想封装到压力罐中，就需要压力罐的体积非常大，这对于压力罐的耐压设计、材料选择和加工装配都是非常不利的，并且数据采集系统的体积越大，压力罐的造价会越高，还会带来严重的成本问题。所以目前的数据采集系统无法适应海底日变站数据收集工作的需求。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型提供了一种海底日变站数据采集系统，以解决现有技术数据采集系统体积大成本高的问题。其具体方案如下：
6.一种海底日变站数据采集系统，包括：
7.微处理器，所述微处理器与磁力仪相连，获取所述磁力仪采集的地磁数据并处理，并通过通信接口与上位机进行通信；
8.地磁数据存储器，所述地磁数据存储器与所述微处理器相连，用于存储处理后的地磁数据；
9.磁力仪电源控制电路，所述磁力仪电源控制电路的电压输入端与所述海底日变站中的电池相连，控制输入端与所述微处理器相连，电压输出端与磁力仪相连，所述磁力仪电源控制电路在所述微处理器的控制下，为所述磁力仪供电；
10.时钟电路，所述时钟电路与所述微处理器相连，为所述微处理器提供时钟同步信号；
11.电源转换电路，输入端与所述海底日变站中的电池相连，将所述电池的电压进行转换为所述微处理器、所述时钟电路和所述地磁数据存储器供电。
12.优选的，所述微处理器、所述地磁数据存储器、所述磁力仪电源控制电路、所述时
钟电路和所述电源转换电路通过小封装技术集成在同一电路板上。
13.优选的，所述系统还包括：配置信息存储器，所述配置信息存储器与所述微处理器相连，用于存储所述系统的工作模式和配置参数，所述电源转换电路为所述配置信息存储器供电。
14.优选的，所述地磁数据存储器包括：主用地磁数据存储器和备用地磁数据存储器。
15.优选的，
16.所述微处理器通过安全数字输入输出接口sdio接口与所述主用地磁数据存储器电路连接；
17.所述微处理器通过串行外设接口spi接口与所述备用地磁数据存储器电路连接；
18.所述微处理器通过串行外设接口spi接口与所述配置信息存储器连接。
19.优选的，所述主用地磁数据存储器为tf卡；所述备用地磁数据存储器为flash芯片；所述配置信息存储器为铁氧体存储器。
20.优选的，所述电源转换电路包括：dc/dc转换器和输入输出滤波电容；
21.所述dc/dc转换器的输入端为所述电源转换电路的电压输入端；
22.所述dc/dc转换器的输出端为所述电源转换电路的电压输出端；
23.所述输入输出滤波电容分别并联在所述dc/dc转换器的输入和输出端。
24.优选的，所述磁力仪电源控制电路包括：
25.用于通断控制的光耦、用于电压钳位的稳压二极管，功率mos管，滤波电容、偏置电阻和限流电阻；
26.所述磁力仪电源控制电路的电压输入端与所述电池相连，电压信号经过并联的所述稳压二极管和所述偏置电阻接入所述功率mos管的源极和栅极，同时接入所述光耦的集电极；
27.所述光耦的阴极做为所述磁力仪电源控制电路的控制端，所述光耦的阳极通过所述限流电阻连接工作电源，所述光耦的发射极接地；
28.所述功率mos管的漏极做为所述磁力仪电源控制电路的电压输出端，所述滤波电容接在所述电压输出端和地之间，对所述电压输出端的电压滤波后为所述磁力仪供电。
29.优选的，所述微处理器与授时系统相连，所述微处理器接受所述授时系统发送的授时信息，对所述时钟电路的时间进行实时更新和校准。
30.如上述方案所述，本实用新型公开的一种海底日变站数据采集系统，包括微处理器、地磁数据存储器、磁力仪电源控制电路、时钟电路和电源转换电路，这些部件通过互相的配合支撑和数据交互，满足了海底日变站数据采集系统的功能需求，并且该系统体积较小，无需使用大体积的压力罐，降低了系统的成本。
附图说明
31.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本技术公开的一种海底日变站数据采集系统的结构示意图；
33.图2为本技术公开的微处理器与三个存储器之间的连接结构示意图；
34.图3为本技术公开的一种磁力仪电源控制电路的结构示意图。
具体实施方式
35.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
36.海底日变站数据采集系统使用激光光泵磁力仪进行探测。激光光泵磁力仪精度非常高，能够精细探测出自然及人类活动引起的磁场变化，在地理勘测方面十分广泛。
37.目前，激光光泵磁力仪的数据采集系统一般都由厂家提供，包含电源转换模块，电压电流监控模块，运算处理器，数据记录模块，全球导航卫星系统(global navigation satellite system，gnss)信息接收模块，时钟控制模块，通讯接口模块，且接口复杂繁多。实现功能非常齐全。但是这种数据采集系统的功能实现和架构并不能适应海底日变站采集系统的需求。
38.因此本实用新型公开了一种海底日变站数据采集系统100，其结构如图1所示，包括：微处理器101、磁力仪电源控制电路102、时钟电路103、电源转换电路104和地磁数据存储器105。图1中还示出了海底日变站中与该系统配合工作的其他设备，如上位机200，磁力仪300，电池400和授时系统500，该系统中：
39.微处理器101与磁力仪300相连，获取所述磁力仪300采集的地磁数据并处理，并将处理后的地磁数据存储于与其相连的地磁数据存储器105中，并通过通信接口与上位机200进行通信。
40.本实施例中微处理器101可以为risc微处理器(advanced risc machine，arm)，微处理器101可以包含多种类型的通信接口，例如串行外设接口(serial peripheral interface，spi)、全双工通用同步、异步串行收发模块((universal synchronous/asynchronous receiver/transmitte，usartr)/通用异步收发器(universal asynchronous receiver/transmitter，uart)接口、通用输入与输出接口(general-purpose input/output，gpio)、双向二线制同步串行总线i2c接口、安全数字输入输出接口(secure digital input and output，sdio)和通用串行总线接口(universal serial bus，usb)，以便于和不同的内部器件或系统的外设进行连接。如图1中所示，微处理器101通过spi接口与磁力仪300相连，通过一个usart/uart接口与上位机200连接实现数据通信。
41.磁力仪电源控制电路102的电压输入端与所述海底日变站中的电池400相连，控制输入端与所述微处理器101相连，电压输出端与磁力仪300相连，微处理器101通过gpio接口与磁力仪电源控制电路102连接，控制磁力仪电源控制电路102为磁力仪300供电或断电。
42.时钟电路103与所述微处理器101相连，为所述微处理器101提供时钟同步信号。本实施例中的时钟电路103可以为实时时钟(real time clock，rtc)，微处理器101通过i2c接口与时钟电路103连接。
43.如图1中所示，微处理器101还可以与外部的授时系统500通过usart/uart接口相连，接收授时系统500发来的授时信息后，对时钟电路103的时间进行实时更新和校准，以保
证系统运行的稳定性和可靠性。
44.可选的，授时系统500可以为gnss接收机。
45.电源转换电路104的输入端与所述海底日变站中的电池400相连，将所述电池400的电压进行转换为所述微处理器101、所述时钟电路103和所述地磁数据存储器105供电。
46.所述电源转换电路104实现宽范围输入电压到固定输出电压的转换功能。具体的，电源转换电路104将电池400输入的 16v电压转换成各功能模块所需的 3.3v供电电压。
47.本实用新型公开的一种海底日变站数据采集系统，包括微处理器101、地磁数据存储器105、磁力仪电源控制电路102、时钟电路103和电源转换电路104，这些部件通过互相的配合支撑和数据交互，满足了海底日变站数据采集系统的功能需求，并且该系统体积较小，无需使用大体积的压力罐，降低了系统的成本。
48.进一步的，图1中所示各个部件，即所述微处理器101、地磁数据存储器105、磁力仪电源控制电路102、时钟电路103和电源转换电路104，通过小封装技术small form factor集成在同一电路板上。电源转换电路104通过电路板上的连接线与所述微处理器101、所述时钟电路103和所述地磁数据存储器105电气连接，并为他们供电。从而实现无论从系统组成，还是部件的安装方式上，都大大缩小了系统的体积，降低了系统的成本。
49.在一些具体实施例中，微处理器101采用型号为stm32f407vgt6的arm。型号为stm32f407vgt6的arm具备1mbyte的flash和192kbyte的sram，以及丰富的接口组件，方便利用arm的开发工具调用现有的库函数实现内部参数的存储、多个接口数据实时读取/发送等。
50.在一种可选的实现方式中，图1所示海底日变站数据采集系统能够集成在112
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10mm电路板中，其结构体积大大的缩小，进一步的海底日变站数据采集系统的体积减小，也大大降低了压力罐容器的体积和重量，进而降低了成本和设计难度。
51.在一种可选的实现方式中，微处理器101通过usart或uart接口接收上位机200发送的工作模式配置参数，并按配置的工作模式进行与磁力仪300之间的数据读取过程，以及数据记录过程。如果微处理器101需要更新固件，则可通过usart或uart接口从上位机200运行固件升级软件下载新的固件版本。
52.微处理器101通过spi接口与磁力仪300的通信接口连接，获取所述磁力仪300采集的地磁数据，并在内部完成对磁力仪数据的处理并加上从时钟电路103读取的时间标记，以特定文件格式，将所述地磁数据存储在地磁数据存储器中105。
53.本实施例中，存储处理后的磁力仪数据的地磁数据存储器105可以是两个存储器，两者中一个作为主用地磁数据存储器1051，一个作为备用地磁数据存储器1052，对重要数据做备份存储。微处理器101通过sdio接口与主用地磁数据存储器1051相连，通过spi接口与备用地磁数据存储器1052连接，主用地磁数据存储器1051可以选择大容量存储器件如tf卡，备用地磁数据存储器1052可以选择存储容量相对小很多的flash芯片，实际使用时可以设置两者同时工作或仅使用主用地磁数据存储器1051。
54.微处理器101可以通过usart/uart接口将数据采集系统状态信息发送给上位机200。如果需要从主用地磁数据存储器1051和备用地磁数据存储器1052(tf卡和flash)导出数据，则上位机200首先通过usart/uart接口向微处理器101发送读取数据指令，然后微处理器101上设置有usb接口，通过usb接口将主用地磁数据存储器1051和备用地磁数据存储
器1052映射为上位机200的两个u盘，最后上位机200可以通过微处理器101的usb接口直接将存储的数据导出。
55.在一种可选的实现方式中，除了对处理后的磁力仪数据进行存储外，还可以将上位机200发送的工作模式配置参数存储在配置信息存储器1053中，以记录数据采集系统工作模式及配置参数。
56.并且由于微处理器101每次上电都要重新进行配置，所以其内部存储配置参数和工作模式的信息可以减少与上位机200的通信过程，直接利用本地存储数据即可完成上电重启操作。当上位机200有新的配置参数发送给微处理器101时，微处理器101可以直接用新的配置参数替换原来存储的配置参数，重新启动微处理器101以新的配置参数进行工作。也可以在接收到数据后先进行比对，确定出配置参数发生更新的部分，只做这一部分的数据更新，也可以进一步的减少更新操作对应的数据量，提高更新的速度。
57.另外，通过该比对过程，还可以避免更新的误操作。也就是说，新的配置参数与原来存储的配置参数实际上是相同的，一旦判断出这一结果，则可以直接忽略该更新操作，不做数据更新和重启，避免造成采集系统工作的不必要的中断，提高了系统的运行可靠性。
58.以上所示实施例中的微处理器101与存储器之间的连接结构如图2所示。微处理器101通过sdio接口与主用地磁数据存储器1051相连，通过spi接口与备用地磁数据存储器1052相连，并通过另一个spi接口与配置信息存储器1053相连。同时，电源转换电路104为三个存储器进行供电。
59.在本实施例中，主用地磁数据存储器1051为型号为kingston canvas select plus 32gb的tf卡。备用地磁数据存储器1052为型号为w25q01jvzeiq的flash芯片。配置信息存储器1053为型号为cy15b064q的铁氧体存储器。
60.在一种可能的实现方式中，电源转换电路104，包括：dc/dc转换器和输入输出滤波电容。
61.dc/dc转换器的输入端为所述电源转换电路104的电压输入端，所述dc/dc转换器的输出端为所述电源转换电路104的电压输出端，输入输出滤波电容分别并联在dc/dc转换器的输入和输出端，以实现对电源转换电路104接收的和输出的电压进行滤波，保持电压的平稳性。
62.dc/dc转换器可以为型号为lt3973emse的dc/dc转换器。
63.在一种可能的实现方式中，磁力仪电源控制电路102的结构如图3所示，包括：
64.用于通断控制的光耦o1、用于电压钳位的稳压二极管d1，功率mos管q1，滤波电容c1、限流电阻r1和偏置电阻r2。
65.磁力仪电源控制电路102在电压输入端与电池400相连，接收输入电压vin，电压信号经过并联的稳压二极管d1和偏置电阻r2接入功率mos管q1的源极和栅极，同时接入光耦o1的集电极。
66.稳压二极管d1用于在功率mos管q1开启时提供满足电压要求的开启电压，避免过高的开启电压损坏。偏置电阻r2为mos管q1提供偏置电压。
67.光耦o1的阴极做为磁力仪电源控制电路102的gpio控制端，光耦o1的阳极通过限流电阻r1连接到 3.3v工作电源vcc，光耦o1的发射极接地gnd。
68.功率mos管q1的漏极作为磁力仪电源控制电路102的电压输出端vout，滤波电容c1
接在电压输出端vout和地gnd之间，对输出电压滤波后为磁力仪300供电。
69.微处理器101通过gpio控制端输入高低电平信号控制光耦o1的关闭和开启，进而控制功率mos管q1的导通和截止，从而实现对输出电压vout的通断控制。
70.本实施例中，稳压二极管d1可采用型号为bzx84c12的稳压二极管。功率mos管q1可采用型号为si7469dp-t1-ge3的功率mos管，该mos管导通阻抗较小，发热较低。光耦o1可采用型号为el357n的光耦。
71.由以上实施例可以看出，海底日变站数据采集系统能够集成在体积很小的电路板中，其结构体积大大的缩小，进一步的降低了压力罐容器的体积和重量，进而降低了成本和设计难度。并且所有电子元器件都尽量选用低功耗类型，在正常工作时，整个系统的功耗能够控制在不大于150mw，进一步的节省了系统功耗，延长了海底日变站中的电池的使用寿命，减少了更换电池的次数，降低了系统维护的复杂度。
72.基于以上实施例所公开的海底日变站数据采集系统的架构，其工作流程包括五个同时或分时执行的流程：供电流程、工作模式配置流程、时间同步流程、磁力仪数据采集存储及通断电控制流程和数据导出流程。
73.供电流程：电源转换电路得到供电能源后，将电压转换为微处理器和各功能电路所需的供电电压，开始持续向系统供电。
74.工作模式配置流程：上位机通过usart/uart接口向微处理器发送工作模式配置参数，微处理器接收到这些配置参数后将其存储到配置信息存储器，并在其后按配置的工作模式进行数据读取与记录。
75.时间同步流程：外部的授时系统通过usart/uart接口向微处理器发送授时信息，微处理器接收到这些信息后，实时更新时钟电路的系统时间，并在后续的数据采集和记录中采用更新后的系统时间作为数据时间标记。
76.磁力仪数据采集存储及通断电控制流程：微处理器通过spi接口接收磁力仪发来的数据，在对数据进行必要的处理后，以特定文件格式存储在主用地磁数据存储器和(或)备用地磁数据存储器中，所有存储的磁力仪数据均包含从时钟电路读取的时间信息；在一些具体实施例中，磁力仪需要定时开关机，微处理器通过磁力仪电源控制电路实现对磁力仪的通断电控制。
77.数据导出流程：上位机向微处理器发送数据导出指令，微处理器接收到指令后通过usb接口将主用地磁数据存储器和备用地磁数据存储器映射为上位机的两个u盘，然后可以从上位机将数据导出。
78.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
79.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应
认为超出本实用新型的范围。
80.结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
81.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。