前言
海洋光學浮標觀測系統是發展我國立體、中遠距離海洋監測高技術的重要組成部分。而光學傳感器則是海洋光學浮標的一個重要組成部分。由于光學浮標一般要被放置在海水中幾天到幾十天進行長時間的測量，所以其輻射傳感器的光學窗口長時間暴露在海水中就很容易受到水中的生物、有機物(如油類)和無機物(如泥沙)的污染。而光輻射測量對這種污染十分敏感，窗口受污染后測量誤差無法估計，甚至無法進行測量。因此，必須尋求一種穩定、可靠的窗口防污染裝置，有效的防止因光學傳感器窗口的污染而造成的測量誤差。

總體設計思想
采用保護蓋與清洗刷相結合的工作原理來實現對光學儀器窗口防污、除污。清洗刷的基本原理與汽車前玻璃清洗刷相似。裝置如圖1所示。
保護蓋由銅做成，和光學窗口之間的間隙為0.5~1mm，在保護蓋的一側裝一柔軟橡膠做成的清洗刷。需要采樣時，保護蓋攜帶清潔刷轉動(2N＋1)×180°后停止(N為保護蓋轉過光學窗口的次數)，并從光學窗口上方移開。采樣結束后將保護蓋旋轉180°重新遮住光學窗口，由于保護蓋與光學窗口之間間隙極小，從而使光學窗口基本處于無光照狀態；又由于保護蓋由銅做成，而銅又有抑制生物胚胎和幼芽生長的作用，這樣就可以破壞海水中大多數生物生長所需的光照條件和生存環境，在一定程度上防止了光學窗口被污染。但是，還有少數生物，可以在微光、無光、外界生存環境惡劣的條件下生長，從而污染了光學窗口，為此，在每次將保護蓋從光學窗口上方移開的過程中，讓保護蓋攜帶橡皮刷緊貼光學窗口表面均勻的清掃光學窗口N次(N同前)，這樣即使在不采樣時有少量污染物附著在光學窗口上面，也可以通過此方法清潔干凈，從而雙重保護光學窗口的清潔。該裝置完全實現自動化。

圖1  光學窗口防污染裝置

圖2  窗口防污染裝置控制硬件結構框圖

圖3  防污染裝置系統軟件流程

系統硬件組成
整個系統的硬件電路結構框圖如圖2所示。
系統的硬件電路主要由光學窗口防污染模塊、電源管理模塊、數據存儲模塊、通訊控制模塊、時鐘及CPU控制模塊等組成。CPU是整個系統的控制核心，通過其內部的軟件來控制整個系統的正常工作；時鐘控制的主要目的是用來設置精確的窗口清潔及浮標采樣時間，同時，通過配合電源控制模塊控制整個系統供電電源的工作過程。數據存儲器是將采集到的光學參數隨時保存起來不被丟失；通信控制則用來選擇與該CPU通信的對象：當我們需要采集海洋光學參數時，選擇與浮標內部的采樣模塊通信；當整個海上實驗結束后或需要將存儲在外部數據存儲器中的數據取出時，選擇與PC機通信，這樣就可以將采樣所得的數據讀入PC機進行數據處理與分析。
在本設計中選用了一片89C51作為系統CPU，一片PCF8563實現系統時鐘控制。PCF8563基于兩線制I2C總線通訊方式，可以使外圍電路很簡潔；同時，它還具有很低的工作電流：典型值為0.25mA(VDD=3.0V，Tamb=25℃)，非常適于長期的海上工作。通過PCF8563的報警中斷(分鐘、小時、日期、星期四種報警中斷方式)來設置精確的窗口清潔及采樣時間，并通過時鐘芯片報警中斷輸出端電平控制外部DC/DC電路的工作，進而控制系統電源的供電時間。
在此有必要說明保護蓋的工作原理及過程。在如圖1所示的結構中，驅動保護蓋轉動的裝置是一驅動馬達，固定在支撐臂上的保護蓋跟隨馬達轉軸成逆時針轉動。兩個定位傳感器的核心任務是探測保護蓋當前所處的位置，并根據實際需要將保護蓋準確定位。用來控制該防污裝置的軟件是用匯編語言編寫的一個子程序，當需要該防污、除污裝置工作時，調用該子程序。子程序使用一組輸入/輸出通道和兩個輸入狀態位與光學窗口防污裝置中的定位傳感器及其控制電路進行通信，從而控制馬達的停止/啟動以及保護蓋當前所處的位置和轉過的角度。
采樣結束后，CPU通過查表(預先在CPU內部存入采樣時間表)比較，找出下一個采樣點的時間，并通過I2C總線將時間寫入PCF8563的報警寄存器，同時通過軟件設置關閉PCF8563的當前報警中斷，終止由PCF8563報警中斷輸出端控制DC/DC電路的工作，停止對整個系統的供電。基于PDF8563的低功耗的特點，在儀器工作過程中，采用一VL2330電池(標準輸出為3V)為其不間斷的供電。
在本設計中，選用一片74244完成通信選擇控制，通過CPU的P1.2、P1.3控制通信對象當P1.2為低電平，P1.3為高電平時，選擇PC機作為通信對象；當P1.2為高電平，P1.3為低電平時，選擇浮標內部的采樣電路作為通信對象；當不需要通信時，將P1.2、P1.3均置為高電平，以防數據的誤傳輸。

系統軟件設計
本系統的軟件由主函數及其調用的子函數組成。根據硬件結構，系統軟件主要實現以下功能：1、光學窗口防污染控制及對光學參量的采樣和存儲；2、與PC機通信傳輸數據。主程序流程如圖3所示。其中，INT1、INT0分別為兩個定位傳感器的狀態標志位；N為保護蓋轉過光學窗口的次數；P1.4控制驅動馬達的轉動；P1.5用來選擇89C51的通信對象。

結語
本文給出了整個系統的硬件電路結構框圖，并在此基礎上給出了主要的控制硬件電路工作的軟件流程。該裝置有很好的防污、除污效果。由于該裝置體積小，功耗低、安裝方便、全自動化操作，只要稍作改動，同樣可以用于其它工作于水下易受污染儀器的防污。