用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理系统的制作方法

1.本发明涉及电能源管控、水下无人值守技术领域，尤其涉及一种用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理系统。


背景技术：

2.随着对海洋环境的探索及利用，潜标、漂流浮标和水下预置平台等设备在水下防入侵技术、海洋环境探测、数据中继等任务显得越来越重要。因为其携带能源有限且长期无人值守，所以其续航能力普遍不强，监测数据容量有限。这类水下长期无人值守设备降低低功耗模式下的电能源的损耗显得极其重要。而现有技术中，水下无人值守设备的电能源低功耗损耗仍然过高，且控制系统设计复杂，导致无人值守设备的水下工作时长不足的技术问题。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
4.根据本发明的一方面，提供了一种用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理系统，该用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理系统包括：母线、电源单元、mcu单元、通信单元和存储单元；电源单元包括母线电压转5v模块、第一母线电压转3.3v模块、第二母线电压转3.3v模块和5v转2.5v模块；母线电压转5v模块分别与母线和通信单元连接，母线电压转5v模块用于为工作模式下的通信单元和usb模块提供5v供电；第一母线电压转3.3v模块分别与母线和mcu单元连接，第一母线电压转3.3v模块用于为mcu单元独立提供3.3v供电；第二母线电压转3.3v模块分别与母线电压转5v模块、通信单元和存储单元连接，第二母线电压转3.3v模块用于为工作模式下的通信单元和存储单元提供3.3v供电；5v转2.5v模块分别与母线电压转5v模块和mcu单元连接，5v转2.5v模块用于为工作模式下的mcu单元的vref和模拟运放电路提供2.5v供电。
5.进一步地，电源单元还包括输出电压管控模块，输出电压管控模块分别与母线电压转5v模块、第二母线电压转3.3v模块和通信单元连接，输出电压管控模块用于控制通信单元的上下电功能。
6.进一步地，输出电压管控模块选用mos管。
7.进一步地，通信单元包括rs232/uart通信模块、rs422通信模块、rs485通信模块、can通信模块和无线通信模块；rs232/uart通信模块包括拨码开关、uart转rs232模块和rs232/uart通信芯片，rs232/uart通信芯片和uart转rs232模块均通过拨码开关与mcu单元的uart串口连接，rs232/uart通信芯片与uart转rs232模块连接，拨码开关用于实现uart通信功能和rs232通信功能的切换，rs232/uart通信芯片根据拨码开关控制实现uart通信或rs232通信；rs422通信模块包括uart转rs422模块和rs422通信芯片，uart转rs422模块分别与mcu单元的uart串口和rs422通信芯片连接；rs485通信模块包括uart转rs485模块和rs485通信芯片，uart转rs485模块分别与mcu单元的uart串口和rs485通信芯片连接；can通
信模块与mcu单元的can串口连接以实现can通信；无线通信模块与mcu单元的spi串口连接以实现设备内部无法电气连接线通信时，进行浮筒发射装置与发射器间的无线通信；其中，can通信模块的总线侧需5v供电，can通信模块的逻辑侧、rs232/uart通信模块、rs422通信模块和rs485通信模块需3.3v供电。
8.进一步地，用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理系统还包括输出电源管控单元，输出电源管控单元分别与母线和mcu单元的io引脚连接，输出电源管控单元根据mcu单元的io引脚控制通断以实现外部供电管控功能。
9.进一步地，存储单元包括flash存储模块和tf卡存储模块，flash存储模块和tf卡存储模块分别与mcu单元连接，flash存储模块用于存储外围设备的数据信息，tf卡存储模块用于存储控制指令、自检状态和检测数据信息。
10.进一步地，mcu单元包括wakup唤醒io引脚，wakup唤醒io引脚与外部ttl高电平信号连通，外部ttl高电平信号通过wakup唤醒io引脚唤醒综控管理系统。
11.进一步地，用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理系统还包括adc采集单元，adc采集单元包括电流采集模块和电压采集模块，电流采集模块包括采样电阻和电流感应放大器，采样电阻位于母线上，电流感应放大器分别与采样电阻和mcu单元连接，通过采样电阻和电流感应放大器实现母线电流的采集；电压采集模块包括回采电路和运算放大电路，回采电路与母线连接，运算放大电路分别与回采电路和mcu单元连接，通过回采电路和运算放大电路实现母线电压的采集。
12.根据本发明的另一方面，提供了一种用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理方法，该用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理方法采用如上所述的用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理系统实现，用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理方法包括：判断综控管理系统是否接收到控制指令，若综控管理系统未接收到控制指令，则综控管理系统进入低功耗模式，在低功耗模式下，第一母线电压转3.3v模块为低功耗模式下的mcu单元独立提供3.3v供电，母线电压转5v模块、第二母线电压转3.3v模块和5v转2.5v模块进入未被片选状态；返回判断综控管理系统是否接收到控制指令；若综控管理系统接收到控制指令，则综控管理系统进入工作模式，在工作模式下，第一母线电压转3.3v模块为工作模式下的mcu单元独立提供3.3v供电，母线电压转5v模块、第二母线电压转3.3v模块和5v转2.5v模块处于上电状态，根据控制指令为需要工作的功能模块供电；返回判断综控管理系统是否接收到控制指令。
13.进一步地，在综控管理系统进入低功耗模式后，用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理方法还包括：判断综控管理系统是否接收到唤醒指令，若综控管理系统接收到唤醒指令，则综控管理系统进入唤醒模式，综控管理系统各设备进行自检，自检状态和数据上报并存储于存储单元，综控管理系统自检无故障后重新返回判断综控管理系统是否接收到控制指令；若综控管理系统未接收到唤醒指令，则返回判断综控管理系统是否接收到控制指令。
14.应用本发明的技术方案，提供了一种用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理系统，该系统通过母线电压转5v模块和第一母线电压转3.3v模块直接从母线进行电压转换，避免了层层电源转换效率的损耗，并利用第一母线电压转3.3v模块为mcu单元独立提供3.3v供电，利用母线电压转5v模块、第二母线电压转3.3v模块和5v转2.5v模块为工作模
式下的其他功能模块供电，降低了系统电能源损耗，特别是降低了低功耗模式下的电能源损耗，延长了系统在水下的工作时长。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中无人值守设备因电能源损耗导致水下工作时长不足的技术问题。
附图说明
15.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
16.图1示出了根据本发明的具体实施例提供的用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理系统设计原理图。
具体实施方式
17.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
19.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
20.如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理系统，用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理系统包括：母线、电源单元、mcu单元、通信单元和存储单元；电源单元包括母线电压转5v模块、第一母线电压转3.3v模块、第二母线电压转3.3v模块和5v转2.5v模块；母线电压转5v模块分别与母线和通信单元连接，母线电压转5v模块用于为工作模式下的通信单元和usb模块提供5v供电；第一母线电压转3.3v模块分别与母线和mcu单元连接，第一母线电压转3.3v模块用于为mcu单元独立提供3.3v供电；第二母线电压转3.3v模块分别与母线电压转5v模块、通信单元和存储单元连接，第二母线电压转3.3v模块用于为工作模式下的通信单元和存储单元提供3.3v
供电；5v转2.5v模块分别与母线电压转5v模块和mcu单元连接，5v转2.5v模块用于为工作模式下的mcu单元的vref和模拟运放电路提供2.5v供电。
21.应用此种配置方式，提供了一种用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理系统，该系统通过母线电压转5v模块和第一母线电压转3.3v模块直接从母线进行电压转换，避免了层层电源转换效率的损耗，并利用第一母线电压转3.3v模块为mcu单元独立提供3.3v供电，利用母线电压转5v模块、第二母线电压转3.3v模块和5v转2.5v模块为工作模式下的其他功能模块供电，降低了系统电能源损耗，特别是降低了低功耗模式下的电能源损耗，延长了系统在水下的工作时长。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中无人值守设备因电能源损耗导致水下工作时长不足的技术问题。
22.进一步地，在本发明中，电源单元还包括输出电压管控模块，输出电压管控模块分别与母线电压转5v模块、第二母线电压转3.3v模块和通信单元连接，输出电压管控模块用于控制通信单元的上下电功能。通过输出电压管控模块可在低功耗模式下，禁止各通信串口的供电以及对外供电模块的通断，进而最低限度的减小系统低功耗模式下的损耗，并且可根据不同工作状态进行软件配置。作为本发明的一个具体实施例，输出电压管控模块可选用mos管，mos管可选用国产长晶科技的cjab65n04型号mosfe，以进一步降低元器件的电能源损耗。
23.此外，在本发明中，通信单元包括rs232/uart通信模块、rs422通信模块、rs485通信模块、can通信模块和无线通信模块；rs232/uart通信模块包括拨码开关、uart转rs232模块和rs232/uart通信芯片，rs232/uart通信芯片和uart转rs232模块均通过拨码开关与mcu单元的uart串口连接，rs232/uart通信芯片与uart转rs232模块连接，拨码开关用于实现uart通信功能和rs232通信功能的切换，rs232/uart通信芯片根据拨码开关控制实现uart通信或rs232通信；rs422通信模块包括uart转rs422模块和rs422通信芯片，uart转rs422模块分别与mcu单元的uart串口和rs422通信芯片连接；rs485通信模块包括uart转rs485模块和rs485通信芯片，uart转rs485模块分别与mcu单元的uart串口和rs485通信芯片连接；can通信模块与mcu单元的can串口连接以实现can通信；无线通信模块与mcu单元的spi串口连接以实现设备内部无法电气连接线通信时，进行浮筒发射装置与发射器间的无线通信；其中，can通信模块的总线侧需5v供电，can通信模块的逻辑侧、rs232/uart通信模块、rs422通信模块和rs485通信模块需3.3v供电。
24.在近几年国家科学技术的快速发展，尤其是世界前瞻性技术市场的占领，涉及许多国外半导体器件的限制性销售，为避免此类事件引起的连锁反应，进行国产化设计显得重中之重。作为本发明的一个具体实施例，为了实现产品国产化，同时进一步降低设备功耗，可配置mcu单元选用国产兆易创新gd32f450zk型号mcu，rs232/uart通信芯片选用国产南京国博电子有限公司的ws3232e型号芯片，rs422通信芯片选用国产芯力特公司的sit3490e芯片，rs485通信芯片选用国产芯力特公司的sit3088e芯片，can通信模块选用国产上海川土微电子有限公司的ca-is3052型号隔离can收发器。
25.进一步地，在本发明中，用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理系统还包括输出电源管控单元，输出电源管控单元分别与母线和mcu单元的io引脚连接，输出电源管控单元根据mcu单元的io引脚控制通断，从而实现外部供电管控功能。作为本发明的一个具体实施例，输出电源管控单元可采用国产长晶科技的cjab65n04型号mosfet。
26.此外，在本发明中，存储单元包括flash存储模块和tf卡存储模块，flash存储模块和tf卡存储模块分别与mcu单元连接，flash存储模块用于存储外围设备的数据信息，tf卡存储模块用于存储控制指令、自检状态和检测数据信息。作为本发明的一个具体实施例，flash存储模块可存储外围设备的校正参数等数据信息，便于系统工作时自动加载，进行设备的校正；flash存储模块可采用复旦微电子的fm25q128a型号器件。
27.进一步地，在本发明中，mcu单元包括wakup唤醒io引脚，wakup唤醒io引脚与外部ttl高电平信号连通，外部ttl高电平信号通过wakup唤醒io引脚唤醒综控管理系统。本发明中，水下无人值守设备通过wakup唤醒io引脚高电平唤醒综控管理系统，使水下无人值守设备进行各设备的自检，并将自检状态及数据上报及存储，且数据存储至tf卡存储模块。自检无故障后综控管理系统进入低功耗模式。若系统唤醒后，接收到控制指令，则系统进入工作模式，根据控制指令进行相应的工作状态。
28.wakup唤醒io引脚唤醒低功耗模式是电能源损耗最小的一种模式，作为本发明的一个具体实施例，除wakup唤醒io引脚高电平唤醒综控管理系统外，当综控管理系统长时间处于无人值守的低功耗模式时，还可通过rtc定时唤醒综控管理系统。
29.此外，在本发明中，用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理系统还包括adc采集单元，adc采集单元包括电流采集模块和电压采集模块，电流采集模块包括采样电阻和电流感应放大器，采样电阻位于母线上，电流感应放大器分别与采样电阻和mcu单元连接，通过采样电阻和电流感应放大器实现母线电流的采集；电压采集模块包括回采电路和运算放大电路，回采电路与母线连接，运算放大电路分别与回采电路和mcu单元连接，通过回采电路和运算放大电路实现母线电压的采集。通过adc采集单元可对母线电压和电流进行检测，实时监测电压电流异常。
30.作为本发明的一个具体实施例，采样电阻选用高精度且低阻值的电阻，运算放大电路可选用国产聚洵公司的gs8043nh型号运算放大电路。在本发明中，用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理系统还包括enternet模块，enternet模块分别与第二母线电压转3.3v模块和mcu单元连接。作为本发明的一个具体实施例，enternet模块包括rmii转phy芯片和网络变压隔离网口，rmii转phy芯片分别与mcu单元的rmii串口和网络变压隔离网口连接。在该实施例中，rmii转phy芯片可选用国产和芯润德公司的sr8201f型号rmii转phy芯片。
31.进一步地，在本发明中，用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理系统还包括电池组，电池组与母线连接以为综控管理系统提供电能源。
32.此外，在本发明中，用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理系统还包括保险丝，保险丝位于母线上，以在额定电压电流范围内保护综控管理系统。
33.本发明的用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理系统，降低了系统电能源损耗，尤其是低功耗模式下的电能源损耗，延长了水下工作时间。同时通过设备型号的选择实现了系统的国产化设计，在供货需求及安全方面得到了保障。
34.根据本发明的另一方面，提供了一种用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理方法，该用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理方法采用如上所述的用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理系统实现，用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理方法包括：判断综控管理系统是否接收到控制指令，若综控管理系统未接收到
控制指令，则综控管理系统进入低功耗模式，在低功耗模式下，第一母线电压转3.3v模块为低功耗模式下的mcu单元独立提供3.3v供电，母线电压转5v模块、第二母线电压转3.3v模块和5v转2.5v模块进入未被片选状态；返回判断综控管理系统是否接收到控制指令；若综控管理系统接收到控制指令，则综控管理系统进入工作模式，在工作模式下，第一母线电压转3.3v模块为工作模式下的mcu单元独立提供3.3v供电，母线电压转5v模块、第二母线电压转3.3v模块和5v转2.5v模块处于上电状态，根据控制指令为需要工作的功能模块供电；返回判断综控管理系统是否接收到控制指令。
35.应用此种配置方式，提供了一种用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理方法，该方法能够实现综控管理系统的电能源低损耗控制，进而保障水下无人值守设备的长时间工作任务。
36.进一步地，在本发明中，在综控管理系统进入低功耗模式后，用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理方法还包括：判断综控管理系统是否接收到唤醒指令，若综控管理系统接收到唤醒指令，则综控管理系统进入唤醒模式，综控管理系统各设备进行自检，自检状态和数据上报并存储于存储单元，综控管理系统自检无故障后重新返回判断综控管理系统是否接收到控制指令；若综控管理系统未接收到唤醒指令，则返回判断综控管理系统是否接收到控制指令。
37.综上所述，本发明提供了一种用于水下无人值守设备的电能源低损耗综控管理系统，该系统通过母线电压转5v模块和第一母线电压转3.3v模块直接从母线进行电压转换，避免了层层电源转换效率的损耗，并利用第一母线电压转3.3v模块为mcu单元独立提供3.3v供电，利用母线电压转5v模块、第二母线电压转3.3v模块和5v转2.5v模块为工作模式下的其他功能模块供电，降低了系统电能源损耗，特别是降低了低功耗模式下的电能源损耗，延长了系统在水下的工作时长。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中无人值守设备因电能源损耗导致水下工作时长不足的技术问题。
38.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
39.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
40.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。