本發(fā)明涉及一種信標機，更具體的說，是涉及一種新型海洋銥星GPS信標機。

背景技術：

在海洋環(huán)境監(jiān)測領域，浮標、潛標、波浪能滑翔器、水下滑翔器等是獲取定點海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的最普遍的搭載平臺。作為一種連續(xù)、長期、無人值守的觀測系統(tǒng)，這些海洋環(huán)境監(jiān)測設備一直以來備受海洋研究者和海洋工程人員的青睞。浮標、潛標、波浪能滑翔器、水下滑翔器等海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)往往布放于廣袤的海面或一定深度的水下，系統(tǒng)集成了很多昂貴的測量與探測儀器設備，設備在測量過程中也存儲了大量的寶貴數(shù)據(jù)，如果在試驗或者工作的過程中，設備或數(shù)據(jù)遺失將會造成巨大的經(jīng)濟和科研損失。因此如何實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠回收是海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)布放前必須考慮的問題之一。目前，基于水聲定位技術的超基線定位、長基線定位及短基線定位系統(tǒng)等作為主要的水下定位技術，由于系統(tǒng)復雜、所用設備昂貴、布放回收困難，所以并沒有成為現(xiàn)今海洋環(huán)境監(jiān)控設備的主要回收方式。目前潛標和水下工作站的回收基本上都采用了將系統(tǒng)投放時的GPS定位數(shù)據(jù)當作回收位置的方式，但是海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)容易受到海洋風暴、漁船的拖網(wǎng)作業(yè)、洋流等各種因素的影響，系統(tǒng)在回收之前很可能會發(fā)生較大變化，這樣給海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的搜尋和回收帶來了巨大的困難，甚至可能造成設備的損壞與數(shù)據(jù)的丟失，從而造成巨大的經(jīng)濟損失。由于國內(nèi)還缺乏有效的用于搜尋的信標機產(chǎn)品，往往設備布放前需要耗費大量人力物力及財力進行多次試驗以提高回收可靠性，因此研發(fā)一款行之有效的海洋信標機產(chǎn)品迫在眉睫。

信標機是一種裝在目標物體(火箭、飛機、船舶等)上能發(fā)射電磁信號并與雷達配合工作的電子設備，也稱應答機或信號發(fā)生器，一般是能夠發(fā)射自身地理位置信息的單向信號發(fā)射裝置。由于信標機能夠快速的標示并發(fā)射攜帶當前時間、自身經(jīng)緯度、海拔高度等時間地理位置信息的信號，因此被廣泛應用到軍民領域的遇險救援和目標搜索的輔助定位中。海洋信標機作為信標機的一種，主要布放于海洋設備和儀器上，功能是用于實時定位當前設備所在位置，用于對設備的監(jiān)控和回收。

當前，海洋信標機完成輔助潛標系統(tǒng)等設備回收的方法一般有三種：一種是信標機系統(tǒng)中具有GPS定位功能和衛(wèi)星通訊功能。當潛標浮出水面后，信標機開始工作，信標機獲得當前的位置信息，然后將獲得的位置信息通過銥星通訊系統(tǒng)，發(fā)送到搜尋船只上的接收端，接收端根據(jù)獲得的GPS位置信息能夠確定信標機與當前船只的相對位置。這種實現(xiàn)方法雖然定位精度高但成本也高，實現(xiàn)起來也比較麻煩，且受環(huán)境的影響比較大。另一種，信標機系統(tǒng)中具有能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線電臺模塊，模塊每間隔一定的時間通過信標機上的全向天線發(fā)送一定數(shù)量的數(shù)據(jù)，而搜尋船只上的用戶端通過定線天線接收這些信息，定向天線在對準信標機時信號強度最大，因此可以利用獲得的信號強度，來判斷信標機的大致方位。這種方法的成本比較低，使用也比較方便，但是定位精度不高，而且搜尋范圍受無線模塊通信距離的限制。還有一種，信標機在浮出水面之后，會開啟信標機上的高亮指示燈，指示燈每間隔一定時間閃爍一次，這樣在視野范圍比較好的海面上，搜尋人員可以很輕松的找到潛標系統(tǒng)，尤其在夜晚使用時更為方便。這種方法的優(yōu)點很明顯，使用非常簡單，只需要一個信標機，而不需要用戶端設備，成本非常低。缺點也同樣明顯，在白天使用時，不容易發(fā)現(xiàn)，而且這種類型的設備使用距離更短，受天氣的影響也比較大。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星定位、無線定位、LED示警等功能的新型海洋銥星GPS信標機，集成了衛(wèi)星定位、無線定位、LED示警、實時出水監(jiān)測、太陽能電池板充電、電量實時顯示等功能，對于長期在海洋水表面及水下使用的海洋設備具有重要意義。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的。

本發(fā)明的一種新型海洋銥星GPS信標機，包括外殼，所述外殼內(nèi)部由下至上依次設置有電池組層、電源控制層、電路主板層、開關控制層、天線定位層和太陽能電池板及LED層；

所述電源控制層包括依次連接的電池充放電保護電路、5V電源穩(wěn)壓電路和3.3V電源穩(wěn)壓電路，所述電池充放電保護電路與電池組層相連接；

所述電路主板層包括由3.3V電源穩(wěn)壓電路供電的MCU電路，所述MCU電路連接有復位電路、高速晶體振蕩器、低速晶體振蕩器、JTAG調(diào)試接口電路、銥星模塊電路、Zigbee模塊電路、模擬開關電路、AD電壓采集電路和出水監(jiān)測電路；

所述開關控制層包括與電池組層連接的太陽能充放電控制器，所述太陽能充放電控制器連接有LED控制電路，所述太陽能充放電控制器和5V電源穩(wěn)壓電路之間連接有水密旋鈕開關；

所述天線定位層包括連接于電池充放電保護電路和5V電源穩(wěn)壓電路之間的電源開關、與銥星模塊電路連接的銥星天線、與Zigbee模塊電路連接的Zigbee天線、與MCU電路連接的GPS模塊、與出水監(jiān)測電路連接的出水檢測開關、與電池充放電保護電路連接的充電口、復位電路中的復位按鍵；

所述太陽能電池板及LED層包括與太陽能充放電控制器連接的太陽能電池板、與LED控制電路連接的LED燈。

所述外殼設置為T型，包括上下連接的亞克力罩和耐磨殼體，所述耐磨殼體設置為圓筒形。

所述電池組層和電源控制層之間、電源控制層和電路主板層之間、電路主板層和開關控制層之間均采用銅柱結構和電氣接插件的方式進行連接；所述開關控制層和天線定位層之間采用銅柱結構進行連接，所述天線定位層和太陽能電池板及LED層之間采用銅柱結構進行連接。

所述復位電路、JTAG調(diào)試接口電路、Zigbee模塊電路、模擬開關電路和AD電壓采集電路均由3.3V電源穩(wěn)壓電路供電，所述銥星模塊電路由5V電源穩(wěn)壓電路供電。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的技術方案所帶來的有益效果是：

(1)本發(fā)明相對于其他市面上的信標機系統(tǒng)體積更小，整個設備呈圓筒狀，便于運輸和攜帶；

(2)本發(fā)明采用不銹鋼耐磨殼體和亞克力罩，使用水密旋鈕開關，可潛至水下4km不損壞、不漏水；

(3)本發(fā)明自帶出水檢測功能，當海洋信標機處于水面以下時，海洋信標機進入超低功耗模式以節(jié)省電量，當自動檢測到海洋信標機浮出水面后，海洋信標機退出超低功耗模式并啟動GPS和衛(wèi)星，開啟定位通訊。同時，出水檢測的方式不再使用傳統(tǒng)的深度計，取而代之的是使用555計數(shù)器檢測電容在海水中及在空氣中的變化從而判斷是否出水。這不僅可以降低成本、節(jié)省功耗，還可以解除深度計對信標機體積的占用，使信標機向更微、更簡、更高可靠性的方向發(fā)展；

(4)本發(fā)明集衛(wèi)星通訊、無線通訊、LED警示燈于一體。當前大部分的信標機只集成了其中一種或兩種通訊回收方式。在三種通訊方式中，衛(wèi)星通訊全球定位但功耗較高，通訊環(huán)境要求比較嚴苛且頻率較慢；無線通訊功耗低、通訊頻率快，但通訊距離有限，不適合超過10km的遠距離通訊；LED警示燈控制方式最為簡單，使用起來也最直觀了然，但使用場合多為夜晚，白天使用意義不大。本海洋信標機對三種通訊方式取其所長、避其所短，互相配合完成定位回收功能。在遠距離監(jiān)控時使用衛(wèi)星通訊方式，不僅可以查看當前設備的坐標位置還可以查看設備運行路徑等信息，工作人員可以在陸地上就對設備進行有效監(jiān)控；在小范圍回收時，啟動無線通訊方式，接收定位數(shù)據(jù)的頻率要明顯高于衛(wèi)星通訊方式，可以更快速的實現(xiàn)設備的回收；在夜晚回收設備時，LED警示燈的作用效果更加明顯，能夠更加直接快速的對設備進行回收。因此三種方式共同協(xié)作，相比傳統(tǒng)的信標機極大的提高了工作效率；

(5)本發(fā)明可以進行太陽能充放電。由于傳統(tǒng)的信標機都使用電池供電，而電池的電量是制約信標機使用壽命的一大難點。對于長期漂浮在海表面，接受太陽光照射的海洋設備，太陽能資源是取之不盡用之不竭的無限資源。將太陽能轉換為電能儲存在鋰電池中，解決了傳統(tǒng)信標機電池電量一旦耗盡，設備就可能失聯(lián)的隱患。提高了海洋信標機在海洋上的生存能力；

(6)本發(fā)明在衛(wèi)星通訊方面，使用的通訊方式為銥星，銥星模塊不僅體積小易封裝，而且功耗低、通訊協(xié)議簡單易操作、單次通訊量大等。相較于傳統(tǒng)的北斗通訊等，銥星通訊更加適合于該海洋信標機。除此之外，相較于傳統(tǒng)的信標機，本海洋信標機的衛(wèi)星通訊功能可實現(xiàn)半雙工模式，設備不僅可以主動發(fā)送經(jīng)緯度坐標、電量值等信息給岸基，還可以對岸基站發(fā)送的指令進行應答和響應，提高了海洋信標機的智能化水準；

(7)本發(fā)明在無線通訊方面，使用的無線通訊方式為Zigbee，而Zigbee技術作為組網(wǎng)通訊的最佳手段，可以在未來的使用中，多個海洋信標機可以進行組網(wǎng)編隊，互通信息有無。這可以將海洋信標機從一個點擴展到一個面，對一個區(qū)域內(nèi)的多種設備進行有效的監(jiān)控和回收；

(8)本發(fā)明在主動保護方面，自帶電量實時監(jiān)測功能，一旦監(jiān)測到電池電量過低，本信標機自動降低通訊頻率并發(fā)送一組報警信號至岸基，等待救援，降低了信標機由于電量過低而造成的丟失或損壞的可能性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的總體剖面圖；

圖2是本發(fā)明的結構框圖；

圖3是本發(fā)明中電池組層的電路圖；

圖4是本發(fā)明中電池充放電保護電路原理圖；

圖5是本發(fā)明中5V電源穩(wěn)壓電路原理圖；

圖6是本發(fā)明中3.3V電源穩(wěn)壓電路原理圖；

圖7是本發(fā)明中磁珠接地原理圖；

圖8是本發(fā)明中MCU電路原理圖；

圖9是本發(fā)明中復位電路原理圖；

圖10是本發(fā)明中高速晶體振蕩器原理圖；

圖11是本發(fā)明中低速晶體振蕩器原理圖；

圖12是本發(fā)明中JTAG調(diào)試接口電路原理圖；

圖13是本發(fā)明中銥星模塊電路原理圖；

圖14是本發(fā)明中Zigbee模塊電路原理圖；

圖15是本發(fā)明中模擬開關電路原理圖；

圖16是本發(fā)明中AD電壓采集電路原理圖；

圖17是本發(fā)明中出水監(jiān)測電路原理圖；

圖18是本發(fā)明中太陽能充放電控制器電路原理圖；

圖19是本發(fā)明中水密旋鈕開關電路原理圖；

圖20是本發(fā)明中LED電源控制電路原理圖；

圖21是本發(fā)明中LED穩(wěn)流電路原理圖；

圖22是本發(fā)明的軟件設計流程圖。

附圖標記:Ⅰ電池組層；Ⅱ電源控制層；Ⅲ電路主板層；Ⅳ開關控制層；

Ⅴ天線定位層；Ⅵ太陽能電池板及LED層；Ⅶ亞克力罩；Ⅷ耐磨殼體；

C1第一電容；C2第二電容；C3第三電容；C4第四電容；C5第五電容；C6第六電容；C7第七電容；C8第八電容；C9第九電容；C10第十電容；C11第十一電容；C12第十二電容；C13第十三電容；C14第十四電容；C15第十五電容；C16第十六電容；C17第十七電容；C18第十八電容；C19第十九電容；C20第二十電容；C21第二十一電容；R1第一電阻；R2第二電阻；R3第三電阻；R4第四電阻；R5第五電阻；R6第六電阻；R7第七電阻；R8第八電阻；R9第九電阻；R10第十電阻；R11第十一電阻；Q1第一N溝道MOS管；Q2第二N溝道MOS管；Q3第三N溝道MOS管；Q4三極管；S1電源開關；K1復位按鍵。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。

本發(fā)明的一種新型海洋銥星GPS信標機，如圖1所示，包括外殼，所述外殼設置為T型，包括上下連接的亞克力罩Ⅶ和耐磨殼體Ⅷ，所述耐磨殼體Ⅷ設置為圓筒形，采用不銹鋼制作。所述外殼內(nèi)部設置為六大模塊，每一個模塊占據(jù)一層，包括由下至上依次設置的電池組層Ⅰ、電源控制層Ⅱ、電路主板層Ⅲ、開關控制層Ⅳ、天線定位層Ⅴ和太陽能電池板及LED層Ⅵ，如圖2所示。為了適應多種海洋平臺，尤其是對于波浪能滑翔器、水下滑翔器等體積較小的海洋移動平臺，海洋信標機的尺寸應盡量減小以滿足海洋平臺的可掛載性?；谶@種目的，對海洋信標機的多層模塊進行疊加式排放，組成一個層疊式的圓柱狀形態(tài)，盡可能的減小了信標機的體積。所述電池組層Ⅰ和電源控制層Ⅱ之間、電源控制層Ⅱ和電路主板層Ⅲ之間、電路主板層Ⅲ和開關控制層Ⅳ之間均采用銅柱結構和電氣接插件的方式進行連接；所述開關控制層Ⅳ和天線定位層Ⅴ之間采用銅柱結構進行連接，所述天線定位層Ⅴ和太陽能電池板及LED層Ⅵ之間采用銅柱結構進行連接。各個模塊層之間以接插件的方式進行連接，層層相扣，最大程度的減小了海洋信標機占用的體積。下面就每一層進行詳細介紹。

一、電池組層Ⅰ

所述電池組層Ⅰ為整個系統(tǒng)提供電源，可采用16節(jié)鋰電池進行8并2串組成，單只鋰電池電壓為3～4.2V，容量為1.7Ah，組合后的電池總電壓為6～8.4V，容量為13.6Ah，如圖3所示，其中，BTI～BT16分別代表鋰電池。

二、電源控制層Ⅱ

所述電源控制層Ⅱ?qū)囯姵剌敵龅碾娫催M行穩(wěn)壓和降壓，同時在鋰電池充放電過程中進行保護，防止由于鋰電池異常充放電造成損壞或爆炸。所述電源控制層Ⅱ包括依次連接的電池充放電保護電路、5V電源穩(wěn)壓電路和3.3V電源穩(wěn)壓電路，所述電池充放電保護電路與電池組層Ⅰ相連接。

(1)電池充放電保護電路

所述電池充放電保護電路可以在鋰電池的充電過程中，監(jiān)控過壓、過流、過放、短路等異常行為的發(fā)生，防止因為鋰電池的異常充放電造成信標機電源系統(tǒng)的故障。根據(jù)實際情況，選擇日本精工半導體公司生產(chǎn)的電池保護芯片S-8252，S-8252系列內(nèi)置高精度電壓檢測電路和延遲電路，是用于2節(jié)串聯(lián)鋰離子/鋰聚合物可充電電池的保護IC。S-8252系列最適合于對2節(jié)串聯(lián)鋰離子/鋰聚合物可充電電池組的過充電、過放電和過電流的保護。

通過S-8252搭建的電池充放電保護電路如圖4所示，所述電池保護芯片S-8252的正電源輸入端VDD連接有第一電阻R1,所述電池保護芯片S-8252的電池正負極連接端VC連接有第二電阻R2，所述正電源輸入端VDD和負電源輸入端VSS之間連接有第一電容C1，所述電池正負極連接端VC和負電源輸入端VSS之間連接有第二電容C2，所述電池保護芯片S-8252的放電控制端DO和負電源輸入端VSS之間連接有第一N溝道MOS管Q1，所述第一N溝道MOS管Q1和充電控制端CO之間連接有第二N溝道MOS管Q2，所述第二N溝道MOS管Q2和電壓檢測端VM之間連接有第三電阻。所述第一電阻R1一端連接正電源輸入端VDD，另一端連接電池組層Ⅰ的電源正極，也就是圖4中的BATTERY+與圖3中的BATTERY+相連接；所述第二電阻R2一端連接電池正負極連接端VC，另一端連接電池組層Ⅰ中兩組鋰電池的連接端，也就是圖4中的B-與圖3中的B-相連接；所述負電源輸入端VSS連接電池組層Ⅰ的電源負極，也就是圖4中的BATTERY-與圖3中的BATTERY-相連接。其中，BATTERY+、BATTERY-是16節(jié)鋰電池8并2串組合后輸出的總電源正與總電源負，POWER+、POWER-是經(jīng)過充放電保護電路保護后供給整個電路使用的負載電源的正極與負極。第一電阻R1、第二電阻R2是用以防止靜電沖擊及電源波動，并檢測過充電電壓值，電阻值均在470Ω時，電壓檢測比較精確。第三電阻R3是充電器反接抑制電阻，為控制充電器在逆連接時的流經(jīng)電流，其值盡可能取大，在此選擇2K效果較好。第一電容C1、第二電容C2均采用濾波電容，典型值為0.01pF。第一N溝道MOS管Q1用于電源的放電控制，第二N溝道MOS管Q2用于電源的充電控制。

(2)5V電源穩(wěn)壓電路

5V電源供給大部分的傳感器及外部設備使用，電路如圖5所示。其中，采用7805三端穩(wěn)壓集成電路作為5V電源的穩(wěn)壓電源，7805的電源輸入口IN和接地端COMN之間并聯(lián)有第三電容C3和第五電容C5，7805的電源輸出口OUT和接地端COMN之間連接有第四電容C4。其中，所述第三電容C3和第四電容C4均采用濾波電容，選取無極性獨石電容，容量為0.01uF。所述第五電容C5為整流電容，整合來自電池組輸出的電源，選取極性鉭電容，容量為2.2uF/16V。所述第五電容C5的輸入端還連接有電源開關S1,電源開關S1的另一端連接經(jīng)充放電保護電路的電源正極，也就是圖5中的POWER+連接至圖4中的POWER+。

(3)3.3V電源穩(wěn)壓電路

3.3V主要用于MSP430核心芯片及GPS、Zigbee等模塊的使用，電路如圖6所示。采用ASM1117穩(wěn)壓器作為3.3V電源的穩(wěn)壓電源，ASM1117穩(wěn)壓器的電源輸入口VIN和接地端GND之間并聯(lián)有第六電容C6和第七電容C7，所述電源輸出口VOUT和接地端GND之間并聯(lián)有第八電容C8和第九電容C9，ASM1117穩(wěn)壓器的電源輸入口VIN連接5V電源穩(wěn)壓電路的輸出端，也就是圖6中的5V連接至圖5中的5V。其中，所述第六電容C6和第九電容C9均采用濾波電容，選取無極性獨石電容，容量為0.01uF。所述第七電容C7和第八電容C8均采用整流電容，選取極性鉭電容，容量均為10uF/16V。

除此之外，圖5和圖6中所有的地線部分均使用磁珠或0歐電阻進行連接，如圖7所示。其中，圖7中的POWER-連接至圖4中的POWER-，F(xiàn)B1、FB2分別表示第一磁珠和第二磁珠。

三、電路主板層Ⅲ

所述主板電路層是整個系統(tǒng)的核心控制單元，上含主控芯片，對整個系統(tǒng)的工作進行調(diào)度，同時包含用于通訊的Zigbee模塊和銥星模塊，并帶有電池電量監(jiān)測及出水監(jiān)測功能。所述電路主板層Ⅲ包括由3.3V電源穩(wěn)壓電路供電的MCU電路，所述MCU電路連接有復位電路、高速晶體振蕩器、低速晶體振蕩器、JTAG調(diào)試接口電路、銥星模塊電路、Zigbee模塊電路、模擬開關電路、AD電壓采集電路和出水監(jiān)測電路。所述復位電路、JTAG調(diào)試接口電路、Zigbee模塊電路、模擬開關電路和AD電壓采集電路均由3.3V電源穩(wěn)壓電路供電，所述銥星模塊電路由5V電源穩(wěn)壓電路供電。

(1)MCU電路

主控芯片選用MSP430F149，MSP430F149芯片是美國TI公司推出的超低功耗微處理器，有60KB+256字節(jié)FLASH、2KB RAM，包括基本時鐘模塊、看門狗定時器、帶3個捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時器、帶7個捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時器、2個具有中斷功能的8位并行端口、4個8位并行端口、模擬比較器、12位A/D轉換器、2個串行通信接口等模塊。

MSP430F149芯片具有如下特點：①功耗低：電壓2.2V、時鐘頻率1MHz時，活動模式為200μA；關閉模式時僅為0.1A，且具有5種節(jié)能工作方式；②高效16位RISC-CPU，27條指令，8MHz時鐘頻率時，指令周期時間為125ns，絕大多數(shù)指令在一個時鐘周期完成；32kHz時鐘頻率時，16位MSP430單片機的執(zhí)行速度高于典型的8位單片機20MHz時鐘頻率時的執(zhí)行速度；③低電壓供電、寬工作電壓范圍：1.8～3.6V；④靈活的時鐘系統(tǒng)：兩個外部時鐘和一個內(nèi)部時鐘；⑤低時鐘頻率可實現(xiàn)高速通信；⑥具有串行在線編程能力；⑦強大的中斷功能；⑧喚醒時間短，從低功耗模式下喚醒僅需6μs；⑨ESD保護，抗干擾力強；⑩運行環(huán)境溫度范圍為-40～+85℃，適合于工業(yè)環(huán)境。

MSP430系列單片機的所有外圍模塊的控制都是通過特殊寄存器來實現(xiàn)的，故其程序的編寫相對簡單。編程開發(fā)時通過專用的編程器，可以選擇匯編或C語言編程，IAR公司為MSP430系列的單片機開發(fā)了專用的C430語言，可以通過WORKBENCH和C-SPY直接編譯調(diào)試，使用靈活簡單。芯片原理圖如圖8所示，其中，MSP430芯片的接地端DVcc連接有第十電容C10，MSP430芯片的電源輸入端AVcc連接有第十一電容C11，所述第十電容C10、第十一電容C11、接地端AVss、接地端DVss均連接至3.3V電源穩(wěn)壓電路的接地端DGND_3.3V，MSP430芯片的電源輸入端AVcc連接至圖6中3.3V輸出端。

(2)復位電路

手動復位是主控系統(tǒng)常用的功能，如圖9所示，包括串聯(lián)于3.3V電源穩(wěn)壓電路的3.3V輸出端和接地端DGND_3.3V之間的第四電阻R4和第十二電容C12，所述第十二電容C12兩端并聯(lián)有復位按鍵K1，另外，圖9中的RST端連接至圖8中的復位端口RST(引腳58)。當復位按鍵K1被按下后，RST由高電平轉換為低電平，MCU復位引腳58被拉低，系統(tǒng)復位。

(3)高速晶體振蕩器

MSP430系列單片機時鐘模塊包括數(shù)控振蕩器(DCO)、高速晶體振蕩器和低速晶體振蕩器等3個時鐘源。這是為了解決系統(tǒng)的快速處理數(shù)據(jù)要求和低功耗要求的矛盾，通過設計多個時鐘源或為時鐘設計各種不同工作模式，才能解決某些外圍部件實時應用的時鐘要求，如低頻通信、LCD顯示、定時器、計數(shù)器等。數(shù)字控制振蕩器DCO已經(jīng)集成在MSP430內(nèi)部，在系統(tǒng)中只需設計高速晶體振蕩器和低速晶體振蕩器兩部分電路。

如圖10所示，所述高速晶體振蕩器包括第二晶振Y2(8MHz)，所述第二晶振Y2連接于MSP430芯片的晶振2起振輸入端XT2IN(引腳53)和晶振2起振輸出端XT2OUT(引腳52)之間，所述第二晶振Y2的兩端分別外接第十三電容C13和第十四電容C14，所述第十三電容C13和第十四電容C14均連接至3.3V電源穩(wěn)壓電路的接地端DGND_3.3V。其中，所述第十三電容C13和第十四電容C14均采用22pF。

(4)低速晶體振蕩器

低速晶體振蕩器滿足了低功耗及使用32.768kHz晶振的要求，低速晶體振蕩器默認工作在低頻模式，即32.768kHz，還可以通過外接450kHz～8MHz的高速晶體振蕩器或陶瓷諧振器工作在高頻模式，在本發(fā)明電路中我們使用低頻模式。

如圖11所示，所述低速晶體振蕩器包括第一晶振Y1(32.768kHz)，所述第一晶振Y1連接于MSP430芯片的晶振1起振輸入端XIN(引腳8)和晶振1起振輸出端XOUT/TCLK(引腳9)之間，所述第一晶振Y1的兩端分別外接第十五電容C15和第十六電容C16，所述第十五電容C15和第十六電容C16均連接至3.3V電源穩(wěn)壓電路的接地端DGND_3.3V。其中，所述第十五電容C15和第十六電容C16均采用22pF。

(5)JTAG調(diào)試接口電路

MSP430系列單片機支持JTAG調(diào)試接口，可以實現(xiàn)程序的在線調(diào)試和燒寫功能，如圖12所示。所述JTAG調(diào)試接口電路由JTAG-14芯片構成，所述JTAG-14芯片的數(shù)據(jù)輸出端口TDO連接至圖8中MSP430芯片的引腳54，所述JTAG-14芯片的數(shù)據(jù)輸入端口TDI連接至圖8中MSP430芯片的引腳55，所述JTAG-14芯片的模式選擇端口TMS連接至圖8中MSP430芯片的引腳56，所述JTAG-14芯片的時鐘端口TCK連接至圖8中MSP430芯片的引腳57，所述JTAG-14芯片的復位端口TMS連接至圖8中MSP430芯片的引腳58，所述JTAG-14芯片的電源地端口GND連接至圖6中3.3V電源穩(wěn)壓電路的接地端DGND_3.3V，所述JTAG-14芯片的電源端口VCC(引腳4)連接至圖6中3.3V電源穩(wěn)壓電路的電壓輸出端3.3V。

(6)銥星模塊電路

考慮到海洋信標機的全球通訊定位能力，選用銥星模塊IRIDIUM9603作為海洋信標機的衛(wèi)星通訊手段。IRIDIUM9603的主要特點：①雙向數(shù)據(jù)傳輸；②頻率：1616MHz～1626.5MHz；③傳輸距離遠，覆蓋全球；④透明數(shù)據(jù)傳輸，無附加協(xié)議，編程方便；⑤通信接口為TTL接口，方便與MCU直接連接；⑥功耗較低，靜態(tài)平均功耗≤1W；⑦體積小，安置簡單，可適用于小型儀器。

如圖13所示，銥星模塊IRIDIUM9603采用5V直流電源供電，將銥星模塊IRIDIUM9603的兩個電源正端口EXT_PWR均連接至圖5中5V電源穩(wěn)壓電路的電壓輸出端5V。所述銥星模塊IRIDIUM9603的兩個電源地端口EXT_GND、三個信號地端口SIG_GND均連接至圖5中5V電源穩(wěn)壓電路的接地端DGND_5V。所述銥星模塊IRIDIUM9603的使能端口ON/OFF連接至圖8中MSP430芯片的I/O端口P4.1(引腳37)，用于控制銥星模塊的軟上電。其中，DF_S_TX為數(shù)據(jù)發(fā)送端口，DF_S_RX為數(shù)據(jù)接收端口，銥星數(shù)據(jù)的收發(fā)通過該端口完成。

(7)Zigbee模塊電路

除了衛(wèi)星通訊手段，增加一組無通訊模塊作為輔助手段?？紤]到未來設備組網(wǎng)的可能性，選用Zigbee技術作為無線通訊方式。Zigbee是一種功率消耗很低的局域網(wǎng)通訊協(xié)議，該協(xié)議傳輸距離短、功率低且屬于無線通訊。選用SM63A作為Zigbee通訊模塊。SM63A工作電壓為1.8～3.6V，工作功率較低，接收電流為18.5mA，發(fā)送電流為25mA，支持多信道通訊，自動避免信道干擾，SM63A使用頻率為240MHz～930MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為1200～38400Bit/s。

如圖14所示，采用3.3V直流電源為Zigbee模塊供電，將Zigbee模塊的電源端口VCC連接至圖6中3.3V電源穩(wěn)壓電路的電壓輸出端3.3V，Zigbee模塊的電源地端口GND連接至圖6中3.3V電源穩(wěn)壓電路的接地端DGND_3.3V。Zigbee模塊的使能端口ON/OFF連接第五電阻R5后，連接至圖8中MSP430芯片的I/O端口P4.7(引腳43)，用于控制Zigbee模塊的軟上電。其中，RXD為數(shù)據(jù)接收端口，TXD為數(shù)據(jù)發(fā)送端口，Zigbee數(shù)據(jù)的收發(fā)通過該端口完成。

(8)模擬開關電路

由于MSP430F149串口資源有限，考慮到銥星模塊電路和Zigbee模塊電路的分時工作性，為了節(jié)省串口資源，使用模擬開關CD4066芯片對銥星模塊電路和Zigbee模塊電路的串口資源進行分時復用。

如圖15所示，CD4066芯片的A路輸入端口AI連接至圖13中銥星模塊的數(shù)據(jù)接收端口DF_S_RX，B路輸入端口BI連接至圖14中Zigbee模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送端口TXD，A路輸出端口AO和B路輸出端口BO均連接至圖8中MSP430芯片的銥星/Zigbee數(shù)據(jù)接收端口RX_1(引腳35)。CD4066芯片的C路輸入端口CI連接至圖13中銥星模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送端口DF_S_TX，D路輸入端口DI連接至圖14中Zigbee模塊的數(shù)據(jù)接收端口RXD，C路輸出端口CO和D路輸出端口DO均連接至圖8中MSP430芯片的銥星/Zigbee數(shù)據(jù)發(fā)送端口TX_1(引腳34)。CD4066芯片的A路控制端口CA連接至圖8中MSP430芯片的I/O端口P4.6(引腳42)，B路控制端口CB連接至圖8中MSP430芯片的I/O端口P4.5(引腳41)，C路控制端口CC連接至圖8中MSP430芯片的I/O端口P4.4(引腳40)，D路控制端口CD連接至圖8中MSP430芯片的I/O端口P4.3(引腳39)，通過控制P4.3～P4.6的高低電平，從而控制CD4066A、B、C、D四路開關的通斷，從而實現(xiàn)分時復用。CD4066芯片的電源正端口VDD連接至圖6中3.3V電源穩(wěn)壓電路的電壓輸出端3.3V，電源地端口VSS連接至圖6中3.3V電源穩(wěn)壓電路的接地端DGND_3.3V。

(9)AD電壓采集電路

考慮到海洋信標機是由電池進行供電，電量監(jiān)控是海洋信標機重要的一部分。本文使用INA194芯片對系統(tǒng)的總電壓進行AD采集，采集得到的AD數(shù)值通過運算和比較，得出電池包輸出的電壓值，從而判斷電池包電量大小。INA194芯片具有以下優(yōu)點：從-16V～+80V的寬共模電壓，低誤差，高達500kHz的帶寬，最大靜態(tài)電流為900mA，滿足了海洋信標機對電壓的采集。

如圖16所示，INA194芯片的電壓檢測輸入端負端口VIN-和電壓檢測輸入端正端口VIN+之間連接有第六電阻R6，電壓檢測輸入端負端口VIN-和電源地端口GND之間連接有第七電阻R7，電壓檢測輸入端正端口VIN+連接至圖4中電池充放電保護電路的電壓輸出端POWER+，INA194芯片的輸出端口OUT連接至圖8中MSP430芯片的AD采集接口P6.6(引腳5)，電源地端口GND連接至圖6中3.3V電源穩(wěn)壓電路的接地端DGND_3.3V，電源正端口VCC連接至圖6中3.3V電源穩(wěn)壓電路的電壓輸出端3.3V。其中，所述第六電阻R6可選用1K，第七電阻R7可選用300K。INA194通過采集第六電阻R6兩端的電壓，在1腳輸出，由MCU進行AD采集，從而獲得電壓值。

(10)出水監(jiān)測電路。

本海洋信標機十分重要的一個功能是能夠進行出水檢測，當檢測到海洋信標機出水后進行衛(wèi)星通訊定位，否則海洋信標機會一直處于超低功耗模式，節(jié)省電量。本文選用NE555定時器構成的多諧振蕩器，如圖17所示，NE555定時器的放電端口DIS和電源正端口VCC連接有第八電阻R8，電源正端口VCC和復位端口RST均連接至圖6中3.3V電源穩(wěn)壓電路的電壓輸出端3.3V，輸出端口OUT連接第十電阻R10后連接至圖8中MSP430芯片的I/O端口P4.0/TB0(引腳36)，控制電壓端口CON和電源地端口GND之間連接有第二十一電容C21，出發(fā)端口TRI和電源地端口GND之間串聯(lián)有第十九電容C19和第二十電容C20，放電端口DIS串聯(lián)有第九電阻R9、第十七電容C17和第十八電容C18。其中，第八電阻R8和第九電阻R9并聯(lián)連接，閾值電壓端口THR和出發(fā)端口TRI相連接，電源地端口GND連接至圖6中3.3V電源穩(wěn)壓電路的接地端DGND_3.3V。NET+和DGND_3.3V分別連接至海洋信標機外殼的頂部和底部并裸露在外部空氣中。

具體的工作流程為系統(tǒng)上電后，如果海洋機在水面以下，此時NET+和DGND_3.3V短路，電源3.3V通過第九電阻R9和第八電阻R8對第十七電容C17充電，第十七電容C17通過第九電阻R9對地放電，使Uc下降。當Uc下降到一點電壓后，電源通過第九電阻R9和第八電阻R8又對第十七電容C17充電，Uc再次上升，如此充放電周而復始，從而在NE555的第3腳的輸出端得到連續(xù)變化的振蕩脈沖波形。因此當匹配好第十七電容C17后，即可在NE555的OUT端得到連續(xù)的脈沖波形。當海洋信標機出水后，NET+與DGND_3.3V斷開，電容無法進行充電，NE555定時器的輸出端口OUT持續(xù)輸出低電平。因此，MCU通過采集NE555的第三腳的電平狀態(tài)即可判斷海洋.信標機是否出水。

四、開關控制層Ⅳ

所述開關控制層Ⅳ包括與電池組層Ⅰ連接的太陽能充放電控制器，所述太陽能充放電控制器連接有LED控制電路，所述太陽能充放電控制器和5V電源穩(wěn)壓電路之間連接有水密旋鈕開關。其中，太陽能充放電控制器主要功能是用于太陽能電池板對鋰電池進行充放電時的保護

(1)太陽能充放電控制器和水密旋鈕開關

本海洋信標機使用穩(wěn)控科技生產(chǎn)的SX01多功能太陽能充放電控制器作為主控制器，該控制器采用一鍵式輕觸開關，完成所有操作及設置。同時本控制器通過電腦芯片對鋰電池的端電壓、放電電流、環(huán)境溫度等參數(shù)進行采樣，通過專用控制模式計算，實現(xiàn)符合鋰電池特性的放電率、溫度補償修正的高效、高準確率控制，并采用了高效PWM鋰電池的充電模式，保證鋰電池工作在最佳狀態(tài)，大大延長了鋰電池的使用壽命。本控制器應用于最大太陽能板規(guī)格18V/40W，最大負載12V/36W的輸出。同時，該控制器自帶防止鋰電池過度充電、過度放電，支持晚間方向放電及PWM浮充保護。

如圖18所示，SX01多功能太陽能充放電控制器的電池負極端口BAT-連接至圖3中的電池組負極端BATTERY-，電池正極端口BAT+連接至圖3中的電池組正極端BATTERY+，負載輸出端1負極OUT1-、負載輸出端2負極OUT2-、負載輸出端3負極OUT3-和負載輸出端4負極OUT4-均連接至圖4中電池組保護電路輸出端負極POWER-。SX01多功能太陽能充放電控制器的負載電源輸出正極OUT+連接一個水密旋鈕開關SWITCH，如圖19所示，水密旋鈕開關SWITCH的引腳1連接至圖5中的POWER_LOAD。水密旋鈕開關SWITCH閉合，POWER_LOAD+接通POWER_LOAD，系統(tǒng)上電；水密旋鈕開關SWITCH斷開，POWER_LOAD+斷開POWER_LOAD，系統(tǒng)掉電，從而實現(xiàn)了水密旋鈕開關SWITCH對整個系統(tǒng)的上掉電控制。

(2)LED控制電路

LED控制電路包括LED電源控制電路和LED穩(wěn)流電路。如圖20所示，LED電源控制電路包括三極管Q4，所述三極管Q4的基極連接第十一電阻R11后，連接至圖8中MSP430芯片的端口P5.0(引腳44)。所述三極管Q4的集電極連接第十二電阻R12后，連接至圖6中3.3V電源穩(wěn)壓電路的電壓輸出端3.3V。所述三極管Q4的集電極和發(fā)射極之間連接有第三N溝道MOS管Q3，所述第三N溝道MOS管Q3的G極連接至圖6中接地端DGND_3.3V。

如圖21所示，所述LED穩(wěn)流電路包括并聯(lián)連接的AMC7135，本專利中使用了2顆AMC7135并聯(lián)驅(qū)動一個LED燈，并流后的電流為700mA，也可以選用3顆AMC7135，電流1A，但這樣LED發(fā)熱會很明顯，而且多出的亮度人眼很難看出差別，并造成電能的浪費，故在此選擇兩顆AMC7135并聯(lián)作為穩(wěn)流源。每一個LED燈串聯(lián)于一組AMC7135的輸出端OUT和電源正極VDD之間，且每個AMC7135的電源負極均連接至圖20中第三N溝道MOS管Q3的S極。

由MCU的I/O口驅(qū)動一個三極管Q4，再由三極管Q4驅(qū)動第三N溝道MOS管Q3作為電源通斷的開關，從而實現(xiàn)控制系統(tǒng)對LED燈亮滅的控制。

五、天線定位層Ⅴ

天線定位層Ⅴ處于整個電路系統(tǒng)的次頂端，所述天線定位層Ⅴ主要集成了一些模塊天線和接口，包括電源開關、銥星天線、Zigbee天線、GPS模塊、出水檢測開關、充電口、復位按鍵等。其中，GPS模塊用以進行定位功能，提供時間、經(jīng)緯度、海拔高度等參數(shù)；Zigbee天線和銥星天線用以加強無線通訊和銥星通訊時的信號強度，使數(shù)據(jù)傳輸更遠更可靠。其他設備均為一些接口和開關，不再贅述。

所述電源開關連接于電池充放電保護電路和5V電源穩(wěn)壓電路之間,如圖5中所示的S1。所述銥星天線連接至圖13中銥星模塊的外部天線接口ANT_EXT(ANT_IRIDIUM)，所述Zigbee天線連接至圖14中Zigbee模塊的外部天線接口ANT_EXT(ANT_ZIGBEE)，所述GPS模塊連接至圖8中MSP430芯片的GPS數(shù)據(jù)接收端RX_GPS(引腳33)，所述出水檢測開關連接于圖17中出水監(jiān)測電路的NET+和DGND_3.3V之間，所述充電口連接于圖4中電池充放電保護電路的POWER+和POWER-之間，所述復位按鍵與復位電路相連接，如圖9中所示的K1。

六、太陽能電池板及LED層Ⅵ

太陽能電池板及LED層Ⅵ處于海洋信標機的最頂端，與天線定位層Ⅴ幾乎平齊，包含兩部分：太陽能電池板和LED燈。其上包含多塊太陽能電池板用于收集太陽能以給鋰電池充電，并集成了多顆紅藍LED爆閃燈，用于示警。太陽能電池板一共有8塊，單塊太陽能電池板在太陽光較強烈的照射下，能夠輸出5V/60mA的電壓。8塊電池的級聯(lián)方式為4并2串，級聯(lián)后能夠提供10V/240mA的電壓輸出，太陽能電池板輸出的電壓作為輸入連接至太陽能充放電控制器，也就是太陽能電池板連接于圖18中SX01多功能太陽能充放電控制器的太陽能電池板正極SOLAR+和太陽能電池板負極SOLAR-之間，該層太陽能充放電控制器通過內(nèi)部芯片調(diào)制可以以8.4V/240mA的電壓給鋰電池組進行充電。

同時，在該層集成了8顆3W高亮紅藍LED燈珠，如圖21所示的LED(D1、D2、D3、D4等)，LED燈珠的亮滅由芯片進行控制，作為回收時的一種輔助手段，在夜晚的使用場合十分有意義。其示意圖八塊太陽能電池板兩兩一組平鋪在電路板上，在電池板中間，靠近外延部分放置兩顆LED紅藍警示燈。由于天線定位中的天線不能被其他物體遮擋，因此在該層電路板中間掏出一個圓形洞孔用以安置天線定位層Ⅴ的電路板。

海洋信標機除了硬件系統(tǒng)設計外，軟件系統(tǒng)的設計也很重要。一個完整可靠、邏輯清晰、有序執(zhí)行的算法流程則是軟件系統(tǒng)設計的核心部分。本海洋信標機的軟件設計流程如圖22所示。首先通過外部的水密旋鈕開關對海洋信標機進行上電操作，上電后，系統(tǒng)的各個功能模塊啟動初始化，包括IO口、定時計數(shù)器、UART串口、AD采集模塊等。初始化完成后的第一步是判斷海洋信標機是否在水中，通過NE555輸出的脈沖經(jīng)過MCU定時計數(shù)器的采集，可判斷海洋信標機是否入水。如果此時設備在水中，MCU將切斷所有用電設備的電源，并將除了低頻振蕩器以外的所有外設資源全部關閉，進入超低功耗模式。MCU通過低頻振蕩器進入計時操作，每隔5分鐘觸發(fā)一次MCU喚醒，查詢并判斷海洋信標機是否出水。當檢測到設備出水后，打開GPS啟動定位，并延時判斷GPS的定位數(shù)據(jù)是否有效。如果GPS的數(shù)據(jù)一直無效，則將GPS掉電后再次啟動定位，如果五分鐘以內(nèi)數(shù)據(jù)一直無效。則關閉GPS，并發(fā)送故障指令至岸基站。當GPS定位數(shù)據(jù)有效后，首先啟動Zigbee無線模塊，將當前位置的經(jīng)緯度以廣播的形式間隔五分鐘進行發(fā)送，同時銥星模塊上電，銥星啟動搜星，當銥星的信號強度足夠后，將當前位置的經(jīng)緯度通過銥星發(fā)送到指定的岸基站。如果在銥星發(fā)送過程中，出現(xiàn)發(fā)送失敗或者其他異常問題，則進行多次嘗試。若3次嘗試后仍未成功，則不再通訊，關閉銥星電源等待下次定位。如果在銥星通訊過程中，有接收到來自岸基站發(fā)來的衛(wèi)星指令，海洋信標機要接收并解析出該指令，并根據(jù)指令的相關內(nèi)容，響應相應操作，具體操作有回傳當前電壓值、修改通訊頻率、開啟LED燈等。

盡管上面結合附圖對本發(fā)明的功能及工作過程進行了描述，但本發(fā)明并不局限于上述的具體功能和工作過程，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可以做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。