基于激光测距传感技术的验潮仪的研制

杨习成　张永合　刘军

摘要：激光测距传感器技术及原理已很成熟，它具有设备小安装使用方便、测量精度高等优点、已广泛应用在测量中。激光测距传感器主要由一组激光发射和接受头组成，由发射头发射已编码调制的激光束，投射到被测物反射后由接受头接受，译码处理后得到被测物的距离，从而完成整个测距过程。通过解释、分析激光传感器的测距原因，软件对潮位数据的采集精度的计算。合理的硬件设计和软件编译。

关键词：激光传测距感器 验潮仪 研制

中图分类号：TS201 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）09-0056-02

激光验潮仪的研制就是应用激光测距传感器的这种优点研制的一种新型的验潮设备，它将所有开发的硬件电路以及用于数据通讯用的DTU（无线通讯机）一并安装在一密封的机箱内，通过密封的航空插头连接到验潮井上端的水密的激光测距传感器上。整个设备是密封的，这样克服了海岸的盐雾腐蚀，因此提高了设备的工作可靠性。设备整体框图如下图（图1）。

键盘用于人与验潮设备的对话，主要完成对当前时间的设置和验潮采集潮位数据的下载。显示器显示当前的时间和潮位数据，显示器在无人执手时关闭亮度用于降低能耗。主控制器（CPU）是整个设备的心脏用于控制和管理整个设备的工作，它实时采集时钟控制器的实时时间信息，判断是否是潮位采集时间，如果是潮位采集时间则启动激光传感器进行潮位数据采集，考虑到海水的涌浪的影响，为了数据采集的准确在进行数据采集时采用断续多次采集，并将采集的潮位数据进行计算整理和处理后存储到数据存储器里并使显示器显示潮位数据，同时主控制器还要采集外部电瓶电量的使用状况，并将采集的潮位数据和电瓶电能的使用状况一同通过DTU经网络传到监控室，这样监控室的监控人员可实时观测到相应验潮站的潮位和电瓶能耗状况。软件流程图如下图（图2）。

考虑到海水的涌浪随机起伏状况，要采集到准确的潮位数据是很重要的，因此在开发时针对潮位数据的采集采用上述的断续多次采集外我们加入了数字滤波器以满足潮位数据采集的准确性。

当今滤波器主要有两种形式，一种是数字滤波器、另一种是模拟滤波器。而数字滤波比模拟滤波有以下优点：

（1）数字滤波器是用软件实现的，无需要增加硬件电路，因而可靠性高，稳定性好，无需阻抗匹配的需要。

（2）模拟滤波器通常是各通道专用，而数字滤波器是各通道共享，从而降低成本。

（3）数字滤波器可以对频率很低如几赫兹的干扰信号滤波，而模拟滤波器由于受到阻容元件的限制，干扰信号频率不可能作的很低。

（4）数字滤波器可以根据干扰信号的不同，灵活的采用不同的滤波方法和滤波参数，软件设计时灵活方便。

目前的数字滤波器形势较多，针对海水浪涌的干扰归纳起来大致有三种方法，即A程序判断滤波、B算数平均值滤波和C滑动平均值滤波。

1 程序判断滤波

方法：根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值（设为A），每次检测到新值时判断：如果本次值与上次值之差<=A，则本次值有效。如果本次值与上次值之差>A，则本次值无效，放弃本次值，用上次值代替本次值。优点是能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰。

2 算数平均值滤波

方法：连续采样N次（一般N取奇数），把N次采样值按大小排列，取中间值为本次有效值.优点是能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果。缺点是快速变化的参数不宜。相应的C程序如下。

3 滑动平均值滤波

方法：滑动平均值滤波是上诉算数平均值滤波一种改进形式，每次数据采集时先扔掉队首一个数据，再把行数据放入队尾，然后计算平均值。

针对验潮仪的设计主要是考虑海水涌浪的影响，而涌浪的变化只是赫兹级别的干扰变化，设计中在采集潮位数据处理整理时采用程序判断和改进的滑动平均值滤波相结合的综合数字滤波方法，根据潮位数据采集实验，平均滤波器的N用15采集的数据准确。这样满足潮水数据采集的准确性。

由于验潮仪是安装在海边验潮站内，工作中是无人值守，仪器的工作可靠性是非常重要的，考虑到验潮站的实际地理位置和现场环境，外部干扰主要是来往船只发动机造成的电磁干扰、港口货物装卸起重机的工作对市电造成电源干扰（如果使用交流电供电）。开发中对仪器的硬件、软件抗干扰设计是必须的，在硬件方面对输入电源加装了防电源浪涌保护电路以及电源的滤波器用于克服电磁干扰，软件抗干扰方面主要考虑到由于电磁干扰可能造成CPU的程序跑飞而造成死机，因此CPU工作时软件启动看门狗（watch dog）电路用来管理CPU，并在初始化CPU时将CPU内部RAM相对位进行设置，当程序进行相对关键点时对相应位进行处理，以保证一旦由于干扰造成程序跑飞而死机，看门狗电路将会复位CPU并使CPU回到相应的程序跑飞处继续执行，保证了设备工作的连续性。

参考文献

[1]黄志伟，著.《STM32F32位ARM微控器应用设计与实践》.

[2]赵效敏，著.《开关电源的设计与应用》.

[3]王鸿钰，著.《实用电源技术手册》.

[4]林国荣，著.《电磁干扰及控制》.