高精度低功耗光谱辐射计数据采集卡的设计

摘  要：本文介绍了高精度、低功耗光谱辐射计数据采集卡的的工作原理、软硬件构成及设计方案。该数据采集卡不仅测量精度高、速度快、安全性好，而且有益于以此数据采集系统为核心的光谱辐射计向小型化、智能化方向发展。
关键词：数据采集卡；光谱辐射计；浮标

引言
我国于2001年发射了自己的水色卫星，为适应水色遥感发展的需要，我们研制了我国近海海洋光学浮标。锚链式水下多光谱辐射计是计划装备在其中的一台主要观测设备。数据采集系统是该设备的工作控制中心。

总体设计思想及工作原理
鉴于锚链式水下多光谱辐射计的特定工作环境和工作周期，在设计过程中，对数据采集卡的设计必须遵循高精度、低功耗等原则。首先，由于浮标在海中采用自主供电方式连续工作三个月以上，必须合理利用供电电池的能量以确保电池有足够的电量供给仪器正常工作。为此，必须采取有效的措施提高电源的利用率。其次，海水深处的光信号都比较弱，对于微弱光信号的探测，一方面要采用高灵敏度自带前置放大的光电探测器(其内部前置放大器采用载波自稳零运算放大器，其低频特性接近理想运算放大器)，另一方面要提高仪器的整体精度。同时，浮标工作时所测数据必须与当时的位置(包括深度、方位角等)一一对应起来。另外，对于光学窗口还必须进行防污染保护。
数据采集卡被设计为一独立自带CPU的测量单元，通过其内部时钟中断来触发CPU开始采样控制、在数据采集卡上电工作、完成浮标控制中心要求的工作(如除污、采样、通信等)。接收到浮标控制中心的停止命令后，CPU模块主动向数据采集卡上的时钟芯片写入下一次工作时间，然后关掉所有的电源供电，使整个仪器进入低功耗状态。

数据采集卡的硬件组成
数据采集卡硬件电路部分如图1所示。主要由CPU模块、A/D转换模块以及电池管理三部分组成。
CPU模块
CPU模块作为整个光谱辐射计的控制中心，分别控制仪器的数据采集、传输，窗口的防污、除污以及仪器的供电过程。
CPU模块中采用的单片机为美国Cygnal公司的C8051F020，它是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有高达25MIPS的速度，以及强大的控制功能。由于其上集成了I2C、SPI、UART等串行通信方式，所以，当选用基于I2C通信的时钟芯片和基于SPI通信的高精度ADC时，无需设计复杂的软件模拟程序来仿真相应的SPI或I2C通信。
数据采集卡上电以后，CPU模块先根据GPS(全球定位系统)的时间对数据采集卡上的时钟时间进行校准，然后等待浮标控制中心发送工作命令。在接收到工作命令后，CPU就会根据所接收到的工作命令，选择数据采集卡当前要做的工作,包括控制ADC采样、控制防污装置清洁光学窗口、将ADC结果上传给浮标控制中心等。在做完浮标控制中心指定的所有工作后，CPU模块自动控制驱动马达将防污染装置的保护盖转回光学窗口上方，关断系统除时钟电源外的所有电源。 CPU模块上的时钟中断时间可以是CPU模块自定的八个定点中断时间，也可以是浮标控制系统根据需要给定的加密中断时间。在做完当天最后一次采样后，CPU模块会主动向板上时钟写入暗电流测量时间点，对仪器进行一次暗电流校准，该暗电流数据被保存在C8051F020的闪存里，留作第二天仪器测量的校准数据，这样可以保证仪器测量的准确性。
利用C8051F020内部自带的8通道12位ADC可以完成对辐射计在海水中的深度及其倾角、方位角的测量。同时，可以通过它来检测仪器电池组的电量，及时准确的提供信息给浮标的总体控制系统。
设计过程中，使用了C8051F020内部自带的看门狗，无需外加其它复位源给CPU模块。
A/D转换模块
A/D转换模块主要是将光电探测器探测到的、经预放大的光电信号转换为数字信号。为了提高仪器的测量精度，实现预定的设计精度，在幅照度计中选用了一款高精度、宽动态范围、Δ-∑型8通道24位ADC。基于SPI通讯的特点，ADC与单片机C8051F020之间进行通讯时硬件上只要连接简单的三根线(SCLK，Din，Dout)就可以了，大大简化了外围电路的设计。
由于总共有24路光信号需要探测，本设计采用四片ADC通过C8051F020的控制实现光电信号的采样和转换。当采样点到来时，辐射计的ADC在完成初始化工作后等待CPU发送采样命令，CPU模块在接收到浮标总体控制系统的采样指令后就会发送相应的控制命令给ADC，ADC根据CPU的指令依次转换光学信号，转换结果先传入C8051F020内部，在单片机内部完成平均、校正后等待上位机发送取样命令，在接收到上位机发来的取样命令后，CPU模块通过UART接口将数据传送给岸站上的浮标控制中心。ADC的模拟地和数字地在其外部某一点连接在一起。
电池组以及电源管理
由于仪器在海水中采用自主供电方式长时间连续工作。所以，为了提高电池的有效使用率，在设计中，通过两个途径来达到仪器低功耗的要求。首先，在选择器件时要严格控制其功耗，尽可能的选择同类产品中低功耗的器件；其次，对电源的使用进行合理的控制。由于浮标在海内连续工作三个月以上，每天工作8次，每次工作约5分钟，因此，浮标工作时间远小于不工作的时间，为了省电，本设计在辐射计中设计一高精度时钟，让它不间断的工作(时钟功耗低于1mW，采用一纽扣电池连续供电)。通过软件控制时钟在每天8个工作点分别产生中断。
辐射计内部自带可充电的三组电池，分别为3.6V、＋14.4V和－14.4V。
软件流程
图2所示为数据采集卡的工作流程图。相关软件子程序采用汇编语言编写完成。程序内开启了F020内部的看门狗以确保仪器的稳定性和可靠性。

结语
该数据采集卡被用于浮标水下多波段光谱辐射计中，主要用来测量水下真光层下行光谱幅照度以及对上行光谱幅亮度的剖面测量，通过实测水体光辐射数据，来推导离水幅亮度、等水体光学参数，估算海洋光合作用及其初级生产量，满足水色卫星遥感现场光辐射测量技术的需要。■

参考文献
1 李刚等编著. 与8051兼容的高性能、高速单片机-C8051F系列。
2 最新A-D/D-A转换器IC特性转换手册. 福建: 福建科学技术出版社，2001
3 曾庆勇编著. 微弱信号检测(第二版). 浙江大学出版社，2002.1