一种海底观测网观测设备的模拟接入系统及检测方法

摘要

本发明提供了一种海底观测网观测设备的模拟接入系统及检测方法，所述系统包括：设备接口模块、接口监测模块、控制模块和数据交换模块；所述设备接口模块用于对上位机通过数据交换模块发送的控制指令进行转化后发送至观测设备，还用于将观测设备发送的数据进行转换后发送至数据交换模块；所述接口监测模块用于采集观测设备的工作状态并发送至控制模块；所述控制模块用于接收上位机下发的控制指令并控制系统的工作状态，接收接口监测模块发送的数据并转发至数据交换模块；所述数据交换模块用于将控制模块和设备接口模块发送的数据上传至上位机，将上位机发送的控制指令和数据发送至控制模块，将上位机发送的观测设备的控制指令发送至设备接口模块。

说明书

技术领域

本发明涉及海底观测网技术领域，具体涉及一种海底观测网观测设备的模拟接入系统及检测方法。

背景技术

传统的海洋观测设备多采用自容式设计，内置电池和存储设备，由科考船进行布放和回收，待设备回收后，科研人员将数据导出并进行下一步处理。上述模式长期以来一直是海洋观测的主流模式，但是其存在着设备采集数据时间短、数据质量无法在线检测等问题，经常出现设备回收后发现数据记录不充分或数据质量差等问题，严重影响后期数据处理质量。海底观测网的出现从根本上解决了上述问题，其可以为水下设备提供近乎无限的能源供应，并提供数据实时传输通道和精准时钟同步功能，可在线检测观测设备工作状态并分析数据质量，发现问题后能够及时提醒运维人员更换设备以保证有效数据的连续获取，海底观测网从根本上解决了对海洋实时连续观测的难题。

通常海底观测网进行观测设备的接入主要有两种方式，第一种是采用水下机器人(ROV)下潜到海底进行观测设备的水下湿插拔接入；第二种方式是将接驳盒连同海缆整体打捞到科考船上再将设备接入，随后将接驳盒及观测设备再次布放到海底。因此，无论采用哪种方式海底观测网观测设备的接入成本都十分高昂，必须保证观测设备一次性接入成功，因此待接入的观测设备需要在接入到海底观测网之前进行大量可接入性验证工作。海底观测网属于一种新兴海洋观测手段，市场上绝大部分海洋观测设备都采用自容式设计，不同类型甚至不同厂家的海洋观测设备的供电电压和通讯接口并不统一。除此之外，观测设备还需要根据海底观测网接驳要求开发相应的设备驱动程序，因此海底观测网观测设备亟需一种模拟接入系统进行入网前的岸上接入验证；海底观测网除了作为海洋科学数据的获取平台之外，也是新型观测设备或传感器的验证平台，新型观测设备或传感器可以接入到观测网进行真实海洋环境下的连续测试，是极佳的测试验证平台，新型观测设备或传感器在研制过程中需要了解观测网的接驳要求并进行针对性设计，因此新型观测设备或传感器研制单位也需要相应的海底观测网观测设备模拟接入系统进行前期接入验证工作。

现有的技术方案是，利用实验室现有通用测试设备如直流电源、示波器等对观测设备进行功能性测试，将设备的上位机通信接口通过协议转换器等第三方工具转换后直接连接到电脑上，验证该设备采集和通信是否正常，待验证结束后即将其通过上述描述的两种方式(ROV湿插拔或接驳盒打捞接入)连接到海底观测网上。此种方式最主要的弊端就是测试不充分，无法模拟观测设备接入到接驳盒的真实工作状态，而受成本、体积、重量等限制，用于观测网岸上备用的接驳盒数量十分有限甚至可能没有，因此常规的测试方法可能导致开机浪涌无法满足接驳盒要求，接地阻抗测试方法等与接驳盒实际测试方法无法完全一致等问题，这都极大增加了设备入网接入风险，不仅观测设备自身工作可能不正常，严重的有可能直接导致连接的接驳盒出现问题，甚至殃及整个海底观测网的安全。

因此，为方便各类观测设备或传感器接入到海底观测网，需要一套专用的模拟接入系统，该接入系统具有小型化、使用方便、适应于海底观测网接驳设计的特点，可以在观测设备入网之前进行充分的测试工作，减少了驱动开发难度，从而加快观测设备研制过程，推进设备入网进度，更重要的是保证了观测设备入网成功率，避免影响海底观测网正常工作。

发明内容

本发明的目的在于解决上述观测设备接入方式存在的技术缺陷，提供一种海底观测网观测设备的模拟接入系统，作为观测设备接入观测网之前的模拟接入系统，可以作为驱动开发、接入功能验证的平台，可缩短观测设备入网时间并极大减少新型观测设备开发时间，提高观测设备入网成功率。

为了实现上述目的，本发明提出了一种海底观测设备模拟接入系统，该系统分别与上位机和观测设备连接，所述系统包括：设备接口模块、接口监测模块、控制模块和数据交换模块；

所述设备接口模块，用于为观测设备提供电能，对上位机通过数据交换模块发送的控制指令进行转化后发送至观测设备，还用于将观测设备发送的数据进行转换后发送至数据交换模块；

所述接口监测模块，用于采集观测设备的工作状态并发送至控制模块；

所述控制模块，用于接收上位机下发的控制指令并控制系统的工作状态，还用于接收接口监测模块发送的数据并转发至数据交换模块，并将整个系统的状态发送至数据交换模块；

所述数据交换模块，用于将控制模块和设备接口模块发送的数据上传至上位机，还用于将上位机发送的控制指令和数据发送至控制模块，将上位机发送的观测设备的控制指令发送至设备接口模块。

作为上述系统的一种改进，所述系统还包括：用于连接该系统与观测设备的观测设备接口，用于为该系统接入220VAC市电的电源接口、用于连接上位机和该系统的上位机通信接口和用于实现对观测设备供电线路进行海水地绝缘检测的海水地接口。

作为上述系统的一种改进，所述系统还包括：用于对观测设备进行时间同步的授时模块，该模块能够提供PTP、NTP和PPS+TOD的时间同步。

作为上述系统的一种改进，所述设备接口模块包括：交流转直流单元，直流可选电源、协议转换电路和电平转换电路；

所述交流转直流单元，用于将220VAC转换为48VDC；

所述直流可选电源包括多个用于将48VDC转换为观测设备所需电压的电源隔离转换子单元；每个电源隔离转换子单元都有相应的控制信号，该控制信号由观测设备的实际工作电压确定；

所述协议转换电路，用于实现观测设备通信接口和以太网的转换；

所述电平转换电路，用于实现系统与观测设备之间电路电平的转换。

作为上述系统的一种改进，所述电源隔离转换子单元为：48VDC转48VDC，48VDC转24VDC或48VDC转12VDC。

作为上述系统的一种改进，所述控制模块包括：接收单元、设置单元、电压选择单元、授时控制单元和发送单元；

所述接收单元，用于接收数据交换模块发送的上位机控制指令和数据，还用于接收接口监测模块发送的数据；

所述设置单元，用于根据接收的上位机发送的观测设备的通讯接口类型，设置协议转换电路和电平转换电路的工作方式；

所述电压选择单元，用于根据上位机发送的观测设备的电压值，控制其中48V_CTL、24V_CTL、12V_CTL的状态，实现对不同观测设备电源电压的输出；

所述授时控制单元，用于控制授时模块对观测设备进行时间同步；

所述发送单元，用于将接口监测模块发送的数据上传至数据交换模块，还用于将模拟接入系统的状态发送至数据交换模块。

作为上述系统的一种改进，所述接口监测模块包括：电流传感器、对地绝缘监测电路和数据采集器；

所述电流传感器，用于实时采集观测设备上电时的开机浪涌电流和稳定工作电流，该电流能够确定观测设备运行过程中的功率变化；

所述对地绝缘监测电路，用于监测观测设备两条供电线对海水地的阻抗；

所述数据采集器，用于将电流传感器和对地绝缘监测电路获取数据进行模数转换，然后发送给控制模块。

基于上述系统，本发明还提出了一种海底观测网观测设备的检测方法，所述方法包括：

步骤1)将220VAC电源连接到系统的电源接口，通过上位机通信接口将系统连接到上位机；通过线缆将观测设备连接到观测设备接口；

步骤2)将海水电极通过海缆连接到观测设备海水地接口，随后将观测设备和海水电极同时放到海水之中；

步骤3)上位机根据观测设备供电电压和通讯接口类型将相应指令发送给控制模块，控制模块根据具体指令信息，设置协议转换电路和电平转换电路的工作参数，控制电源隔离转换子单元的工作状态，为观测设备输出特定电压；

步骤4)上位机发送接入指令，观测设备接入到模拟接入系统之中；

步骤5)电流传感器将开机时的电流模拟信号发送给数据采集器，数据采集器随后进行模数转换，并将转换后的电流信息发送给控制模块，控制模块随后通过数据交换模块发送给上位机，上位机可判断观测设备接入浪涌电流大小；

步骤6)观测设备成功接入后，电流传感器将设备工作电流模拟信号发送给数据采集器，数据采集器随后进行模数转换，并将转换后的设备工作电流信息发送给控制模块，控制模块随后通过数据交换模块发送给上位机，上位机由此判断观测设备的工作状态；

步骤7)观测设备采集到的数据通过观测设备接口接入模拟接入系统，随后经过电平转换电路、协议转换电路后转换成以太网数据，经数据交换模块发送给上位机，实现模拟观测设备接入到观测网后的数据传输过程。

作为上述方法的一种改进，所述方法还包括：对观测设备做周期性的对海水地绝缘阻抗检测的步骤；具体包括：检测时，上位机发送绝缘阻抗检测指令，对地绝缘监测电路将通过接入的海水地进行绝缘监测，随后将转换后的绝缘阻抗信息发送给控制模块，控制模块随后通过数据交换模块发送给上位机，上位机判断观测设备对海水地绝缘阻抗情况。

与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

1、通过本发明的海底观测设备模拟接入系统，技术人员可在实验室模拟观测设备接入水下接驳盒的工作状态，测试并记录水下设备特别关注的信息，包括开机浪涌电流，接地阻抗大小等。便于设备研发人员开发驱动程序，极大提高了观测设备入网成功率；

2、本发明的海底观测设备模拟接入系统可以缩短观测设备入网时间并极大减少新型观测设备开发时间。

附图说明

图1为本发明的实施例1的海底观测网观测设备模拟接入系统的框图；

图2为本发明的交流转直流和直流可选电源的框图；

图3为本发明的接口监测模块的功能框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的说明。

实施例1

本发明提出了一种海底观测设备模拟接入系统，可以根据待接入观测设备的需求设置输出电压，根据待接入观测设备的上位机通信接口，实现串口到以太网口的转换，在岸上模拟观测设备在水下接入到海底观测网的工作状态。

如图1所示，本发明的实施例1提出了一种海底观测网观测设备模拟接入系统，该系统由设备接口模块、控制模块，授时模块，接口监测模块，数据交换模块，电源接口，上位机通信接口，观测设备接口等组成。设备接口模块是模拟接入系统与观测设备的接口，主要功能包括实现电能转换后为观测设备提供电能，实现电平与协议转换以便模拟接入系统与观测设备进行数据与指令通信；授时模块的功能是对观测设备进行时间同步，可提供PTP、NTP、PPS+TOD的时间同步能力；接口监测模块主要负责监测观测设备的工作状态，采集并记录的信息包括观测设备上电瞬间的浪涌电流大小，观测设备运行过程中的功率变化；另外该模块可以检测当前接入设备的对地阻抗情况，接地阻抗信息对于水下设备十分重要，据统计，海底观测网观测设备接地故障比例占到所有故障的50％以上。模拟接入系统电源接口为220VAC市电接口；数据交换模块用于实现观测设备数据的上传、上位机与控制模块、观测设备之间的通信；观测设备接口是模拟接入系统与观测设备的连接接口，其不仅包括电源接口和通信接口，同时包括海水地接口，该海水地连接用于实现对观测设备供电线路对海水地的绝缘检测。控制模块是模拟接入系统的核心部分，实现功能包括与上位机的通信，接收上位机下达的控制指令并返回系统状态，同时负责控制授时模块对观测设备进行时间同步，并处理接口监测模块传回的数据，检测并记录当前观测设备工作状态并返回给上位机。

如图2所示，设备接口模块主要由交流转直流单元，直流可选电源、协议转换电路，电平转换电路等组成；由于模拟接入系统采用市电220VAC供电，且绝大部分海洋观测设备的电压需求都不超过48VDC，所以交流转直流模块负责实现220VAC向48VDC的转换，如图2所示，直流可选电源由多个电源隔离转换子单元组成，包括48VDC转48VDC，48VDC转24VDC，48VDC转12VDC等的隔离变换，上述电压等级基本可满足绝大部分观测设备需求；直流可选电源实现观测设备接口电压的选择，每个电源隔离转换子单元都有相应控制信号，该控制信号由测试的观测设备实际工作电压确定。选择输出电压的流程是，通过上位机将选择的电压值通过数据交换模块发送给控制模块，控制模块控制48V_CTL、24V_CTL、12V_CTL的状态，实现不同电源电压输出功能，二极管实现电压的反向阻断。所述协议转换电路，用于实现观测设备通信接口和以太网的转换；所述电平转换电路，用于实现系统与观测设备之间电路电平的转换。

控制模块包括：接收单元、设置单元、电压选择单元、授时控制单元和发送单元；

接收单元，用于接收数据交换模块发送的上位机控制指令和数据，还用于接收接口监测模块发送的数据；

设置单元，用于根据接收的上位机发送的观测设备的通讯接口类型，设置协议转换电路和电平转换电路的工作方式；

电压选择单元，用于根据上位机发送的观测设备的电压值，控制其中48V_CTL、24V_CTL、12V_CTL的状态，实现对不同观测设备电源电压的输出；

授时控制单元，用于控制授时模块对观测设备进行时间同步；

发送单元，用于将接口监测模块发送的数据上传至数据交换模块，还用于将模拟接入系统的状态发送至数据交换模块。

如图3为接口监测模块功能框图，接口监测模块主要包括对地绝缘监测电路、电流传感器和数据采集器，电流传感器实现了对观测设备上电时的开机浪涌电流和稳定工作电流的实时采集，对地绝缘监测电路实现对观测设备两条供电线对海水地的阻抗监测，数据采集器实现对电流传感器和对地绝缘监测电路获取数据的模数转换和对外传输，数据采集器将采集的电流和对地绝缘监测数据发送给控制模块，控制模块随后通过数据交换模块发送给上位机。

实施例2

通过上述模拟接入系统，本发明的实施例2提出了一种海底观测网观测设备的检测方法，具体包括：

1、将220VAC电源连接到电源接口，通过上位机通信接口将模拟接入系统连接到上位机；通过线缆将观测设备连接到观测设备接口，实现观测设备与模拟接入系统电能与通信连接；

2、将海水电极通过海缆连接到观测设备海水地接口，随后将观测设备和海水电极同时放到海水之中；

3、上位机根据观测设备供电电压和通讯接口类型将相应指令发送给控制模块，控制模块根据具体指令信息，设置协议转换电路转换方式，设置可选直流电源输出；

4、设置完成后，上位机发送接入指令，观测设备接入到模拟接入系统之中；

5、电流传感器将开机时的电流模拟信号发送给数据采集器，数据采集器随后进行模数转换，并将转换后的电流模拟信号发送给控制模块，控制模块随后通过数据交换模块发送给上位机，上位机可判断观测设备接入浪涌电流大小；

6、观测设备成功接入后，设备工作电流信息同样经过上述路径发送给上位机；

7，观测设备采集到的数据通过观测设备接口接入模拟接入系统，随后经过电平转换电路、协议转换电路后转换成以太网数据，经数据交换模块发送给上位机，实现模拟观测设备接入到观测网后的数据传输过程。

8、对观测设备做周期性的对海水地绝缘阻抗检测，检测时，上位机发送绝缘阻抗检测指令，对地绝缘监测电路将通过接入的海水地进行绝缘监测，随后将转换后的绝缘阻抗信息发送给控制模块，控制模块随后通过数据交换模块发送给上位机，上位机可判断观测设备对海水地绝缘阻抗情况，由于对地绝缘变化是个缓变的过程，可利用模拟设备做观测设备的长期绝缘监测。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。