基于激光測距傳感技術的驗潮儀的研制

楊習成　張永合　劉軍

摘要：激光測距傳感器技術及原理已很成熟，它具有設備小安裝使用方便、測量精度高等優(yōu)點、已廣泛應用在測量中。激光測距傳感器主要由一組激光發(fā)射和接受頭組成，由發(fā)射頭發(fā)射已編碼調制的激光束，投射到被測物反射后由接受頭接受，譯碼處理后得到被測物的距離，從而完成整個測距過程。通過解釋、分析激光傳感器的測距原因，軟件對潮位數(shù)據(jù)的采集精度的計算。合理的硬件設計和軟件編譯。

關鍵詞：激光傳測距感器 驗潮儀 研制

中圖分類號：TS201 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0056-02

激光驗潮儀的研制就是應用激光測距傳感器的這種優(yōu)點研制的一種新型的驗潮設備，它將所有開發(fā)的硬件電路以及用于數(shù)據(jù)通訊用的DTU（無線通訊機）一并安裝在一密封的機箱內，通過密封的航空插頭連接到驗潮井上端的水密的激光測距傳感器上。整個設備是密封的，這樣克服了海岸的鹽霧腐蝕，因此提高了設備的工作可靠性。設備整體框圖如下圖（圖1）。

鍵盤用于人與驗潮設備的對話，主要完成對當前時間的設置和驗潮采集潮位數(shù)據(jù)的下載。顯示器顯示當前的時間和潮位數(shù)據(jù)，顯示器在無人執(zhí)手時關閉亮度用于降低能耗。主控制器（CPU）是整個設備的心臟用于控制和管理整個設備的工作，它實時采集時鐘控制器的實時時間信息，判斷是否是潮位采集時間，如果是潮位采集時間則啟動激光傳感器進行潮位數(shù)據(jù)采集，考慮到海水的涌浪的影響，為了數(shù)據(jù)采集的準確在進行數(shù)據(jù)采集時采用斷續(xù)多次采集，并將采集的潮位數(shù)據(jù)進行計算整理和處理后存儲到數(shù)據(jù)存儲器里并使顯示器顯示潮位數(shù)據(jù)，同時主控制器還要采集外部電瓶電量的使用狀況，并將采集的潮位數(shù)據(jù)和電瓶電能的使用狀況一同通過DTU經(jīng)網(wǎng)絡傳到監(jiān)控室，這樣監(jiān)控室的監(jiān)控人員可實時觀測到相應驗潮站的潮位和電瓶能耗狀況。軟件流程圖如下圖（圖2）。

考慮到海水的涌浪隨機起伏狀況，要采集到準確的潮位數(shù)據(jù)是很重要的，因此在開發(fā)時針對潮位數(shù)據(jù)的采集采用上述的斷續(xù)多次采集外我們加入了數(shù)字濾波器以滿足潮位數(shù)據(jù)采集的準確性。

當今濾波器主要有兩種形式，一種是數(shù)字濾波器、另一種是模擬濾波器。而數(shù)字濾波比模擬濾波有以下優(yōu)點：

（1）數(shù)字濾波器是用軟件實現(xiàn)的，無需要增加硬件電路，因而可靠性高，穩(wěn)定性好，無需阻抗匹配的需要。

（2）模擬濾波器通常是各通道專用，而數(shù)字濾波器是各通道共享，從而降低成本。

（3）數(shù)字濾波器可以對頻率很低如幾赫茲的干擾信號濾波，而模擬濾波器由于受到阻容元件的限制，干擾信號頻率不可能作的很低。

（4）數(shù)字濾波器可以根據(jù)干擾信號的不同，靈活的采用不同的濾波方法和濾波參數(shù)，軟件設計時靈活方便。

目前的數(shù)字濾波器形勢較多，針對海水浪涌的干擾歸納起來大致有三種方法，即A程序判斷濾波、B算數(shù)平均值濾波和C滑動平均值濾波。

1 程序判斷濾波

方法：根據(jù)經(jīng)驗判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值（設為A），每次檢測到新值時判斷：如果本次值與上次值之差<=A，則本次值有效。如果本次值與上次值之差>A，則本次值無效，放棄本次值，用上次值代替本次值。優(yōu)點是能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾。

2 算數(shù)平均值濾波

方法：連續(xù)采樣N次（一般N取奇數(shù)），把N次采樣值按大小排列，取中間值為本次有效值.優(yōu)點是能有效克服因偶然因素引起的波動干擾，對溫度、液位的變化緩慢的被測參數(shù)有良好的濾波效果。缺點是快速變化的參數(shù)不宜。相應的C程序如下。

3 滑動平均值濾波

方法：滑動平均值濾波是上訴算數(shù)平均值濾波一種改進形式，每次數(shù)據(jù)采集時先扔掉隊首一個數(shù)據(jù)，再把行數(shù)據(jù)放入隊尾，然后計算平均值。

針對驗潮儀的設計主要是考慮海水涌浪的影響，而涌浪的變化只是赫茲級別的干擾變化，設計中在采集潮位數(shù)據(jù)處理整理時采用程序判斷和改進的滑動平均值濾波相結合的綜合數(shù)字濾波方法，根據(jù)潮位數(shù)據(jù)采集實驗，平均濾波器的N用15采集的數(shù)據(jù)準確。這樣滿足潮水數(shù)據(jù)采集的準確性。

由于驗潮儀是安裝在海邊驗潮站內，工作中是無人值守，儀器的工作可靠性是非常重要的，考慮到驗潮站的實際地理位置和現(xiàn)場環(huán)境，外部干擾主要是來往船只發(fā)動機造成的電磁干擾、港口貨物裝卸起重機的工作對市電造成電源干擾（如果使用交流電供電）。開發(fā)中對儀器的硬件、軟件抗干擾設計是必須的，在硬件方面對輸入電源加裝了防電源浪涌保護電路以及電源的濾波器用于克服電磁干擾，軟件抗干擾方面主要考慮到由于電磁干擾可能造成CPU的程序跑飛而造成死機，因此CPU工作時軟件啟動看門狗（watch dog）電路用來管理CPU，并在初始化CPU時將CPU內部RAM相對位進行設置，當程序進行相對關鍵點時對相應位進行處理，以保證一旦由于干擾造成程序跑飛而死機，看門狗電路將會復位CPU并使CPU回到相應的程序跑飛處繼續(xù)執(zhí)行，保證了設備工作的連續(xù)性。

參考文獻

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