高精度低功耗光谱辐射计数据采集卡的设计

　　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。

　　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。

　　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。