75kHz自容式声学多普勒流速剖面仪
技术规格书
中国科学院声学研究所
2014年3月
目录
1 简介 (1)
2 主要性能指标 (1)
3 接口 (3)
3.1 电气接口 (3)
3.2 安装接口 (4)
3.3 数据接口 (4)
3.3.1 命令格式 (6)
3.3.2 输出格式 (16)
1 简介
75kHz自容式声学多普勒流速剖面仪（Self-contained Acoustic Doppler Current Profilers，ADCP）采用多普勒原理测量其自身相对海流的运动速度，壳体为铝合金材料，整机耐压3000米，最大测流量程500米，广泛用于海洋流场长期定点观测，实物照片如图1所示。
图1 多普勒流速剖面仪照片
2 主要性能指标
（1）工作频率：75kHz
（2）测速范围：±10m/s
（3）准确度：±1%测量值±0.5cm/s
（4）测流层数：1～128层；分层厚度：4，8，16，32m
（5）测流最大作用距离：500m 1
（6）数据接口：RS422；波特率：300至11520，缺省9600
（7）内置压力、温度、方位和姿态传感器
（8）数据内存容量：2GB
（9）功耗：30V供电时，待机功耗小于20mW，低功率发射时功耗小于5W，高功率发射时功耗小于25W
（10）电源：直流输入，24-50V；4个550WH电池组，开路电压40～42V （11）主机外径：φ561mm?1037mm（不包含插座高度），壳体材料：铝合金；
相关尺寸见图2
（12）环境适应性：工作温度：-5?C--+45?C；储存温度（不含电池）：-30?C --+50?C （13）最大工作水深：3000m
（14）重量：95kg（空气中）/约58kg（水中）
注：1，流散射强度不低于-70dB条件下
图2 3000米耐压75kHz自容式ADCP外形尺寸
3 接口
3.1 电气接口
在ADCP的上部有2个插座，分别为9芯的工作接口（采用Subconn公司MCLPBH9MSS型插座）和7芯网络测试接口（采用Subconn公司MCLPBH7MSS 型插座），信号定义见图1和表2；
1）工作接口
供电电压范围为电压范围为24～50V；
数据通讯采用RS422形式，缺省通讯设置波特率为9600，1位停止位，无校验，ADCP通过RS422接口接收主控计算机的命令同时把测量数据发送给主控计算机，软件协议见3.3数据接口部分。RS422电平转换芯片型号为MAX3491EESD。
同步信号可通过跳线选择（需打开ADCP后盖进行跳线，默认为RS485接口）为光耦隔离的5V CMOS电平或RS485信号（Trigger+、Trigger-分别对应RS485信号A、B），可通过软件选择为输入同步或输出同步，输入同步时脉冲宽度需不小于2ms，输出同步时脉冲宽度固定为20ms。
2）调试接口
测试接口一般做调试用，可对ADCP的使用进行相对复杂的设置和调试，采用10M以太网接口。
3.2 安装接口
ADCP与载体的安装主要通过抱瓦安装。
）加工相应的抱瓦，通过抱瓦实现与载体的需根据ADCP筒体直径（202
安装，图3是ADCP通过抱瓦安装在支架上的情况。
图3 抱瓦安装方式
3.3 数据接口
ADCP配置参数可以通过10Mbps以太网接口实现，在这种方式只需把调试电缆接上其7芯插座，并在计算机上运行显控软件ADCPPanel，按照操作说明即可完成对ADCP所有工作参数的配置，并获取ADCP测量的实时结果数据和内记结果数据。
为与国外产品兼容，也可以通过RS422串口完成ADCP的配置，其测量的结果数据也可以通过串口输出，在串口配置情况下，命令格式、数据输出格式都与RDI公司ADCP现有格式保持兼容，并对数据输出格式做了适当简化，具体可参考RDI公司ADCP文档“WorkHorse Commands and Output Data Format.pdf”，目前
软件能实现的串口命令格式和数据格式见3.3.1和3.3.2，若需要实现其它串口命令和输出格式，则需对软件进行定制。
ADCP共有四种状态，即工作状态、参数配置状态、休眠状态和断电状态，其中工作状态为ADCP正常测量状态；休眠状态为ADCP休眠，此时ADCP进入低功耗模式；参数配置状态为ADCP停止工作，等待接收用户的参数配置命令；断电状态为ADCP彻底断电。以下主要介绍在使用串口情况下对ADCP进行配置的命令格式和数据格式。
首先，ADCP采用了一个较为特殊的命令，该命令不更改ADCP的配置参数，只用于ADCP状态的切换，即Break命令，用串口的Break状态（Break状态不是串口输出的某个特定字符，而是一种串口的状态，从物理电平上看就是串口的输出从闲态的逻辑1变化为较长持续时间的逻辑0，持续时间一般需大于200ms，之后再次变为逻辑1）实现。工作状态下，Break命令用来停止ADCP的工作使其进入参数配置状态；如果ADCP处于休眠的状态，用Break可以唤醒ADCP，并进入参数配置状态。
需注意如果ADCP处于断电状态，则在上电后直接进入工作状态，而RDI 公司ADCP在更换电池后先进入休眠状态，用法略有不同，这里的更改主要是出于具体使用方便的考虑，具体如图4所示：
图4 ADCP主机状态切换示意图
其它命令采用“字母数字回车”格式，如” WS3200
数据输出有两种协议：PD0格式、PD6格式，均为RDI公司ADCP规定的标准格式；其中PD0格式包含了ADCP可提供的全部数据内容，为二进制格式，PD6为RDI专为ADCP设计的格式，用ASCII码表示，不输出测流数据。
3.3.1 命令格式
根据目前项目需求，只实现了部分RDI公司ADCP的命令，
CS
功能：开始工作
格式：CS
描述：命令ADCP进入工作状态
举例：CS
CB
功能：设置串口通信参数(波特率、校验位、停止位)
格式：CBnnn
描述：第一个n表示波特率，第二个n表示校验位，第三个n表示停止位，具体如下表所示：
举例：CB411
默认：CB411
Break
功能：中断或唤醒
格式：串口Break状态，至少保持400ms
描述：命令ADCP进入参数配置状态
举例：串口Break状态，等待串口提示ADCP收到Break
CK
功能：保存参数配置
格式：CK
描述：将目前的ADCP参数配置保存至非易失存储器，掉电后不丢失，ADCP重新上电后即采用该配置
举例：CK
CQ
功能：调整发射功率
格式：CQnnn
描述：n nn表示发射功率，只能取000或255，000表示低功率发射，255表示高功率发射
举例：C Q000
默认：CQ255
CZ
功能：休眠
格式：CZ
描述：命令ADCP进入休眠状态
举例：CZ
AF
功能：校准姿态传感器的Heading值，去除环境磁场的影响
格式：AF
描述：发送该命令后，需转动ADCP，使其处于至少12种不同的姿态，否则会使姿态传感器失效，一般情况下不建议使用该命令。
举例：AF
AR
功能：姿态传感器恢复出厂设置
格式：AR
描述：如果校准失败导致姿态传感器失效，可用该命令使姿态传感器恢复出厂设置
举例：AR
AZ
功能：校准压力传感器
格式：AZ
描述：该命令需在空气中进行，校准压力传感器的0点
举例：AZ
BF
功能：设置预估底深
格式：BFnnnnn
描述：nnnnn为预估底深，单位分米，0为不采用预估底深
举例：B F01000
默认：B F00000
BK
功能：设置水团跟踪模式
格式：BKn
描述：n为0-3，具体如下表所示：
举例：B K0
默认：B K0
BL
功能：设置水团跟踪参数
格式：BLmmm,nnnn,ffff
描述：mmm为最小水层厚度(0-999分米)
nnnn为近端边界(0-9999分米)
ffff为远端边界(0-9999分米)
BL命令设置了水团跟踪层，水团跟踪的结果可用作底ping结果无
效时的参考值，当近端边界加最小水层厚度大于80%底深时，无
水团跟踪ping，如下图所示：
图5 水团跟踪的范围
举例：B L160,320,480
默认：BL160,320,480
BX
功能：设置最大测底深度
格式：BXnnnn
描述：nnnn为最大底深，单位分米
举例：B X2000
默认：B X2000
BP
功能：设置测底帧数
格式：BPnnn
描述：nnn为帧数，只能为000或001
举例：B P000
默认：B P001
功能：设置盲区长度
格式：WFnnnn
描述：nnnn为盲区长度，单位厘米，最小176厘米
举例：W F0200
默认：WF0176
WC
功能：设置测流相关系数门限
格式：WFnnn
描述：nnn为相关系数门限
举例：W F051
WS
功能：设置层厚
格式：WSnnnn
描述：nnnn表示具体层厚，单位厘米
举例：W S0800
默认：WS0400
WN
功能：设置层数
格式：WNnnn
描述：nnn表示层数
举例：W N020
默认：WN030
功能：设置测流帧数
格式：WPnnnnn
描述：nnnnn表示帧数，只能为00000或00001
举例：W P00000
默认：WP00001
EX
功能：设置坐标系
格式：EXnnnnn
描述：具体如下表所示：
举例：EX10111
默认：EX10111
ES
功能：设置盐度千分比
格式：ESnn
描述：nn表示水体盐度千分比
举例：E S35
默认：ES35
EZ
功能：设置传感器数据来源
格式：EZcdhprst
描述：具体如下描述：
举例：E Z1111101
默认：EZ1111101
EC
功能：设置声速的值
格式：ECnnnn
描述：nnnn表示声速的值，单位米每秒
举例：E C1500
默认：EC1500
ED
功能：设置换能器入水深度
格式：EDnnnnn
描述：n nnnn入水深度的值，单位分米，表示换能器入水深度采用手动值时的大小
举例：E D00050
默认：ED00000
TT
功能：设置ADCP内部的实时时钟
格式：TTccyy/mm/dd,hh:mm:ss
描述：ccyy为年，范围1900-2099
mm为月，范围01-12
dd为日，范围01-31
hh为小时，范围00-23
mm为分钟，范围00-59
ss为秒，范围00-59
举例：TT2011/05/11,09:25:15
SA
功能：同步粗定时
格式：SAxyz
描述：x表示在ping之前发送(或等待)同步脉冲
y固定为0
z表示在何种类型的ping时发送(或等待)同步脉冲举例：如下表所示：
默认：SA001
SM
功能：设置ADCP主从工作模式
格式：SMn
描述：n为0表示异步发射模式，这时同步相关命令全部无效n为1表示主机模式，发送同步脉冲
n为2表示从机模式，等待同步脉冲
举例：S M1
默认：SM0
PD
功能：输出数据格式
格式：PDn
描述：n表示输出数据格式，可选为0或6
举例：P D6
默认：PD0
RE
功能：清空Flash存储空间
格式：RE
描述：擦除全部Flash空间，以便于重新存储新的数据
举例：输入RE
RF
功能：查看Flash剩余存储空间
格式：RF
描述：查看Flash剩余空间，以便于数据管理
举例：输入RF
3.3.2 输出格式
ADCP输出格式目前主要兼容RDI公司使用广泛的PD0格式和PD6格式，也可以根据需求对软件进行修改后输出用户定制的其它数据格式。
PD0格式
首先介绍PD0格式，PD0格式包含了ADCP全部的结果和系统数据，包括测流结果、测流相关系数、测流回波强度、测底结果，以及温度、姿态等系统数据，为简便起见，做如下约定与限制：
●流数据包括流速、相关系数和回波强度，固定为包含这些数据，不可增
加或减少流数据种类；
●固定为一帧底一帧流、只测底或只测流的工作方式，不可以更改测流或
测底的帧数。
●某些非关键位采用了固定值。
具体如下表所示：
其中，集合头的长度为2N+6个Byte，其中N为数据类型的个数。集合头定义如下表所示：
集合头之后就是固定头，固定头的长度固定为59个Byte，主要包含系统配置信息，格式如下表所示：
固定头之后就是可变头，可变头主要包含一些系统传感器信息等数据，长度为65个Byte，格式如下表所示：
可变头之后是流速数据，包括速度数据、相关系数、回波强度，其中，速度数据的ID为0100h，单位为毫米每秒(mm/s)，相关系数ID为0x0200，0表示0，255表示1；回波强度ID为0x0300，比例因子为0.45dB，即1表示0.45dB。
PD6格式
如果只用ADCP底跟踪，可采用PD6格式，PD6现有如下数据内容：
●系统姿态数据：
:SA,±PP.PP,±RR.RR,HH.HH
其中PP.PP 表示纵摇角度(Pitch)，RR.RR 表示横摇角度(Roll)，HHH.HH 表示船向角度(Heading)；
●系统时钟与声速数据：
:TS,YYMMDDHHmmsshh,SS.S,+TT.T,DDDD.D,CCCC.C,BBB
●设备坐标系水团跟踪速度：
:WI,±XXXXX,±YYYYY,±ZZZZZ,±EEEEE,S
±XXXXX表示右向速度，单位mm/s(设备相对于水团向右方向运动为正)；
±YYYYY表示前向速度，单位mm/s(设备相对于水团向前运动为正)；
±ZZZZZ表示Z向速度，单位mm/s (设备相对于水团向上运动为正)；
±EEEEE表示冗余速度(Z向速度的差值)，单位mm/s；
S 表示数据质量，A为有效，V为无效；
●船坐标系水团跟踪速度：
:WS,±TTTTT,±LLLLL,±NNNNN,S
±TTTTT表示右向速度，单位mm/s(船相对于水团向右舷方向运动为正)；
±LLLLL表示前向运动速度，单位mm/s (船相对于水团向前运动为正)；±NNNNN表示垂向运动速度，单位mm/s (船相对于水团向上运动为正)；S 表示数据质量，A为有效，V为无效；
●大地坐标系水团跟踪速度：
:WE,±EEEEE,±NNNNN,±UUUUU,S
±EEEEE表示相对于水团的东向运动速度，单位mm/s；
±NNNNN表示相对于水团的北向运动速度，单位mm/s；
±UUUUU表示相对于水团的垂向运动速度，单位mm/s(远离水团为正)；S 表示数据质量，A为有效，V为无效；
●设备坐标系底跟踪速度：
:BI,±XXXXX,±YYYYY,±ZZZZZ,±EEEEE,S
±XXXXX表示右向速度，单位mm/s(设备相对于底向右方向运动为正)；±YYYYY表示前向速度，单位mm/s(设备相对于底向前运动为正)；
±ZZZZZ表示Z向速度，单位mm/s (设备相对于底向上运动为正)；
±EEEEE表示冗余速度(Z向速度的差值)，单位mm/s；
S 表示数据质量，A为有效，V为无效；
●船坐标系底跟踪速度：
:BS,±TTTTT,±LLLLL,±NNNNN,S
±TTTTT表示右向速度，单位mm/s(船相对于底向右舷方向运动为正)；±LLLLL表示前向运动速度，单位mm/s (船相对于底向前运动为正)；
±NNNNN表示垂向运动速度，单位mm/s (船相对于底向上运动为正)；
S 表示数据质量，A为有效，V为无效；
●大地坐标系底跟踪速度：
:BE,±EEEEE,±NNNNN,±UUUUU,S
±EEEEE表示相对于大地的东向运动速度，单位mm/s；
±NNNNN表示相对于大地的北向运动速度，单位mm/s；
±UUUUU表示相对于大地的垂向运动速度，单位mm/s(远离大地为正)；S 表示数据质量，A为有效，V为无效；
大地坐标系运动举例数据：
:BD,±EEEEEEEE.EE,±NNNNNNNN.NN,±UUUUUUUU.UU,DDDD.DD,TT T.TT
+EEEEEEEE.EE表示东向运动距离，单位米；
+NNNNNNNN.NN表示北向运动距离，单位米；
+UUUUUUUU.UU表示垂向运动距离，单位米；
DDDD.DD表示距底距离，单位米；
TTT.TT表示距上次出现有效数据的时间，单位秒。