侯 斐，朱心科*，丁巍偉，孟 肯,3

(1.自然資源部 海底科學(xué)重點實驗室，浙江 杭州 310012；2.自然資源部 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；3.杭州電子科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引言

海洋中因地震臺站分布少、不均勻，導(dǎo)致大片區(qū)域缺乏或者沒有地震數(shù)據(jù)，極大地影響了對海洋之下地球深部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識[1]。海底地震儀(Ocean Bottom Seismometor)[2]是目前海域深部結(jié)構(gòu)探測的主要手段，但因布放、回收成本高昂，觀測周期短和信息延時性等問題，無法實現(xiàn)大范圍、實時觀測。受Argo國際合作計劃啟發(fā)，國際上開始研發(fā)移動式海洋地震儀[3-7]。移動式地震儀懸浮在海水一定深度，隨著洋流運動，不僅可以長時間記錄地震信息，而且可以同時記錄地震信號的位置。通過大量移動式地震儀的布放，可以形成覆蓋較大海洋面積的地震臺網(wǎng)，解決海洋地震信息收集的難題，特別適合于較大范圍海域的地震層析成像工作。

儀器穩(wěn)定運行的同時延長其使用壽命是移動式地震儀研發(fā)過程中面臨的挑戰(zhàn)之一。地震儀的浮力調(diào)節(jié)模塊和通訊模塊是消耗絕大部分電能的主要部件，同時也是影響電路安全性的關(guān)鍵部件。水聽器、深度計等微功耗傳感器雖然自身功耗低，但其供電電路存在電能轉(zhuǎn)換效率低的問題，長時間工作會造成電能的很大浪費。針對上述問題，本文提出了一種高可靠性、低功耗的電路設(shè)計用于移動式海洋地震儀。

1 移動式海洋地震儀的工作模式與整體結(jié)構(gòu)

1.1 工作模式

移動式海洋地震儀的單個完整作業(yè)過程(圖1)由水面、下潛、懸停、上浮四個階段組成。根據(jù)地面監(jiān)控站的指令不斷重復(fù)上述剖面動作，直到設(shè)備電池耗盡后自棄。不同階段工作任務(wù)具體如下。

圖1 移動式海洋地震儀工作模式示意圖(改編自文獻(xiàn)[9])Fig.1 Schematic diagram of the operating mode of amobile marine seismograph(Adapted from reference[9])

(1)水面階段：設(shè)備首先進(jìn)行衛(wèi)星定位和時間校準(zhǔn)，然后利用銥星模塊主動與監(jiān)控中心建立聯(lián)系。移動式地震儀根據(jù)監(jiān)控站指令上傳數(shù)據(jù)、設(shè)備日志和接收新的工作指令，對采集頻率、下沉深度、工作時間進(jìn)行調(diào)整[8]。

(2)下潛階段：設(shè)備關(guān)閉通信系統(tǒng)，開啟浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，改變自身排水體積，通過減小浮力使地震儀進(jìn)入下潛模式。

(3)懸停階段：浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過自主調(diào)節(jié)自身排水體積，使地震儀懸停于深海聲道層(800～1 200 m)中的預(yù)設(shè)深度(允許誤差±50 m)后，設(shè)備開啟水聽器進(jìn)行地震信號采集與存儲。

(4)上浮階段：設(shè)備關(guān)閉水聽器，開啟浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，將自身調(diào)節(jié)為正浮力狀態(tài)后開始上浮。上浮時開始數(shù)據(jù)處理，根據(jù)特定算法選取有效地震數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨存儲。

到達(dá)水面之后，設(shè)備進(jìn)入水面模式，運行階段形成閉環(huán)，完成一個完整的工作周期。

1.2 整體硬件架構(gòu)設(shè)計

移動式海洋地震儀由浮力調(diào)節(jié)模塊、通信模塊、傳感器模塊、主控模塊等部分組成，采用一次性鋰錳電池組提供電源(表1)。為了提高電路的可靠性，除微控制單元(Microcontroller Unit, MCU)和傳感器模塊外，其余的大功耗外部設(shè)備均采用單獨供電。MCU控制各電路的通斷，與不同模塊的外部設(shè)備接口連接，實時控制地震儀的運行。地震儀硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 電池模塊參數(shù)Tab.1 Parameters of battery module

圖2 地震儀硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Architecture of seismometer hardware

2 各模塊電路設(shè)計

2.1 主控模塊

主控模塊是移動式海洋地震儀的“大腦”，根據(jù)接收到的外部設(shè)備反饋信息實時控制地震儀實現(xiàn)各種功能，需要有較強的運算能力和低功耗的特性。本文選用STM32L4作為地震儀控制板的主芯片，該芯片基于ARM? Cortex?-M4，具有FPU內(nèi)核，最高的工作頻率可達(dá)80 MHz，同時由于集成了ART AcceleratorTM，能保持盡可能小的動態(tài)功耗。該型芯片完全可以滿足地震儀電能使用要求[10-11]。

MCU電能轉(zhuǎn)換損耗高，存在著由于高壓差微電流造成的電能轉(zhuǎn)換效率低下的問題。為了提高電能轉(zhuǎn)換效率，本文提出了一種二級降壓的電路設(shè)計方案用于MCU和傳感器模塊供電。首先使用降壓芯片LM46001將電池電壓降至12 V, MCU與傳感器模塊共同使用該降壓電路。當(dāng)兩者同時工作時電流會增大，從而提高降壓芯片的轉(zhuǎn)換效率。然后使用降壓芯片LM5166將12 V電壓降至3.3 V供給MCU，電路總體設(shè)計如圖3所示。該供電方案在一定程度上克服了MCU電能轉(zhuǎn)換效率低的缺點，降低了電能損耗。

圖3 MCU供電電路設(shè)計框圖Fig.3 Block diagram of MCU power supply circuit design

供電電路由兩級降壓電路組成，第一級降壓電路由濾波電路和降壓芯片LM46001組成(圖4)。電池電源通過左側(cè)VIN_K端引入，經(jīng)過C173、C174、C175、C176、C177等濾波電容之后作為輸入電源與芯片的VIN連接，芯片的使能EN端通過分壓電阻R242、R243與輸入電壓相連接，使降壓芯片可以直接開啟。芯片的輸出電壓Vout由芯片F(xiàn)B端上、下橋電阻RFBT、RFBB的比值決定，其關(guān)系滿足：

圖4 MCU第一級降壓電路設(shè)計圖Fig.4 Design diagram of MCU first-stage buck circuit

(1)

式中：VFB為芯片F(xiàn)B的電壓。根據(jù)公式(1)，當(dāng)設(shè)計輸出電壓Vout=12 V時，計算選取上橋電阻R241=1 000 kΩ、下橋電阻R244=93.1 kΩ 作為輸出電阻的配置。芯片剩余的引腳按手冊通過電阻或者電容與GND連接，其中芯片的引腳RT、VCC、SYNC、TRK分別通過R246、C176、R247、C182與GND連接。電感L11的作用是儲存電能、穩(wěn)壓。C170為反饋電容，有進(jìn)行環(huán)路補償、抑制零極點、增強調(diào)整率的作用。

第二級降壓電路由降壓芯片LM5166和濾波電路組成(圖5)，LM5166適用于低壓差微電流降壓情況，該電路中實際效率達(dá)90%左右。第一級電路的12 V輸出電壓與芯片的VIN端直接連接，同時通過分壓電阻R247與芯片EN端連接，第二級電路可以在有輸入電源的情況下自動開啟。芯片的上、下橋電阻根據(jù)公式(1)計算(其中參考電壓VFB=1.223 V,Vout=3.3 V)得到R251=100 kΩ,R249=169 kΩ。

圖5 MCU第二級降壓電路設(shè)計圖Fig.5 Design diagram of MCU second-stage buck circuit

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊收集真空計、深度計、水聽器等采集的各種信息并反饋給地震儀。真空計檢測設(shè)備艙內(nèi)真空度以保證地震儀設(shè)備安全，深度計檢測外部海水深度并輔助浮力調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行浮力調(diào)節(jié)，水聽器配合外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7791采集海洋地震信號。

傳感器模塊電路設(shè)計(圖6)與MCU供電電路設(shè)計(圖3)原理相同，先通過 LM46001進(jìn)行第一次降壓處理，然后使用低壓差線性穩(wěn)壓器(LP2980)分別降壓至各自工作電壓以及芯片參考電壓。傳感器模塊中的外部設(shè)備和外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7791都是高精度模擬器件，對輸入電源的質(zhì)量要求很高，因此第二級降壓時使用具有很好抑制電源紋波效果的低壓差線性穩(wěn)壓器。MCU的GPIO(General Purpose Input/Output)端口與各個LP2980的EN端連接，控制其開啟與關(guān)閉。深度計、真空計采用串口通信的方式與MCU進(jìn)行雙向通信、交換數(shù)據(jù)。

圖6 傳感器模塊電路結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Circuit diagram of sensor module

傳感器模塊與MCU共用第一級降壓電路，這里以水聽器為例重點闡述傳感器模塊第二級降壓電路。

水聽器硬件電路設(shè)計的核心是LP2980和外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7791的配置，以水聽器供電電路為例說明LP2980的配置(圖7)。第一級降壓電路輸出電流通過分壓電阻R248與芯片的VIN連接，芯片輸出電壓(LISTENER1_9 V)由芯片的ADJ引腳的上橋電阻R249和下橋電阻R251的比例決定，其關(guān)系滿足：

圖7 水聽器供電電路設(shè)計圖Fig.7 Design diagram hydrophone power supply circuit

(2)

外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7791配置電路中(圖8)，芯片的VDD端為供電電源(3.3 V)輸入端、REF為參考電壓(2.5 V)輸入端，二者由LP2980構(gòu)成的二級降壓電路供電。C186、C187為濾波電容，其作用是抑制參考電壓的紋波，提高參考電壓的質(zhì)量。外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7791的AIN(+)引腳為模擬電壓正輸入引腳，與水聽器的信號輸出端(VIN)連接，采集電路中R262、C190組成一階低通濾波器，過濾電路中高頻噪聲，R263、R266為0 Ω采樣電阻，C189、C192為濾波電容；AIN(-)引腳為模擬電壓負(fù)輸入引腳，與GND連接。MCU的GPIO端口分別與SCLK(串行時鐘)、CS(片選)、DIN(輸入)、DOUT(輸出)連接，通過電平切換控制AD7791的運行模式和數(shù)據(jù)交換。

圖8 外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7791電路設(shè)計圖Fig.8 Circuit design of external analog-to-digital converter AD7791

2.3 浮力調(diào)節(jié)模塊

浮力調(diào)節(jié)模塊為高壓柱塞泵和齒輪泵共同組成的雙泵結(jié)構(gòu)(圖9)。柱塞泵(由直流電機驅(qū)動)、齒輪泵通過改變內(nèi)、外油囊的油量來調(diào)節(jié)地震儀凈浮力[12-13]；單向閥和電磁比例閥控制各支路的通斷；電位計檢測內(nèi)油囊的油量。

浮力調(diào)節(jié)模塊是新型移動式海洋地震儀的動力驅(qū)動模塊，由于需要克服水下高壓運行，是最主要的電能消耗模塊。因此，浮力調(diào)節(jié)模塊的電路必須在保證可靠性的同時進(jìn)行低功耗設(shè)計。低功耗設(shè)計主要包括減少待機靜態(tài)電流損耗和提高電能的轉(zhuǎn)換效率兩個方面。

針對待機靜態(tài)電流損耗的問題，浮力調(diào)節(jié)模塊電路(圖10)使用MOS開關(guān)AOD409分別作為柱塞泵、齒輪泵、電磁比例閥3條供電電路的開關(guān)。當(dāng)MCU控制AOD409關(guān)斷時，3條供電電路中的電流會被徹底切斷，從而減少待機靜態(tài)電流損耗。

1-內(nèi)油囊；2-柱塞泵；3-直流電機；4-單向閥；5-壓力傳感器；6-外油囊；7-電磁比例閥；8-齒輪泵；9-單向閥；10-電位計圖9 浮力調(diào)節(jié)模塊原理圖Fig.9 Schematic diagram of the buoyancy regulation module

圖10 浮力調(diào)節(jié)模塊外部設(shè)備供電結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Power supply diagram for external devices of the buoyancy regulation module

在提高電能轉(zhuǎn)換效率方面，直流電機控制器(輸入電壓范圍24～50 V)可以將電池電源直接引入從而避免電能轉(zhuǎn)換造成的損耗。齒輪泵(工作電壓為24 V)使用轉(zhuǎn)換效率較高的LM76003降壓芯片進(jìn)行降壓處理，試驗表明LM76003實際轉(zhuǎn)換效率約為87%。電磁比例閥(最大開合度時工作電壓為24 V)的開合度受供電電壓控制，浮力模塊工作時需要根據(jù)不同情況調(diào)節(jié)其開合度。因此，電磁比例閥支路無法使用固定降壓效果的降壓芯片，針對該問題在電路設(shè)計中采用MOS開關(guān)AOD409不停地開通和關(guān)斷來模擬PWM載波，實現(xiàn)降壓效果可調(diào)。

2.4 通信模塊

通信模塊由無線電、銥星模塊共同組成，無線電通信主要用于近距離試驗調(diào)試，銥星模塊用于全球?qū)崟r雙向通信。銥星模塊作為地震儀作業(yè)期間唯一通信手段，其電路設(shè)計的可靠性和穩(wěn)定性至關(guān)重要，同時為了提高設(shè)備的使用壽命還要兼顧電路的低功耗優(yōu)化。銥星模塊電路設(shè)計中(圖11)，AOD409作為支路總開關(guān)，使用LM76003作為降壓芯片進(jìn)行降壓，MCU控制AOD409的開通與關(guān)閉。LM76003的負(fù)載電流高達(dá)3.5 A，而模塊通信時產(chǎn)生的峰值電路為2 A，滿足使用要求。經(jīng)過試驗驗證，芯片實際電能轉(zhuǎn)換效率可達(dá)85%左右，轉(zhuǎn)換效率較高。銥星通信串口為RS232電平，通過芯片MAX232CSE轉(zhuǎn)換成MCU使用的TTL電平。

圖11 通信模塊供電結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Power supply structure diagram of communication module

3 試驗分析

為了驗證電路設(shè)計的合理性和可靠性，對新型移動式海洋地震儀進(jìn)行海上試驗，海試區(qū)域位于以 (17°42′15.80″N, 111°20′52.14″E)為中心，方圓20 n mail 范圍內(nèi)。測試內(nèi)容包括定深懸停、水聽器采集水聲信號、衛(wèi)星通信等。

3.1 定深懸停試驗

定深懸停試驗以實現(xiàn)水下1 000 m懸停為目標(biāo)，測試在高壓環(huán)境下地震儀控制電路運行的可靠性和定深懸停算法的準(zhǔn)確性。定深懸停標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定：當(dāng)?shù)卣饍x在工作深度范圍內(nèi)(950～1 050 m)以小于 0.01 m/s 的速度運動時，則判定其進(jìn)入懸停狀態(tài)。試驗過程中，首先地震儀以最大負(fù)浮力狀態(tài)全速下沉，下沉速度為10 m/min；當(dāng)下沉至990 m時，浮力調(diào)節(jié)模塊開始排油，將地震儀調(diào)節(jié)至近似中性浮力狀態(tài)，當(dāng)下沉至1 013.7 m時，浮力調(diào)節(jié)完畢；隨后，設(shè)備開始上浮并且超出上邊界(950 m)。根據(jù)深度計反饋地震儀進(jìn)行回油微調(diào)，經(jīng)過4次調(diào)節(jié)，以小于 0.01 m/s 的速度懸浮于工作深度，地震儀進(jìn)入懸停狀態(tài)。4 h之后，到達(dá)設(shè)置的上浮時間，地震儀調(diào)節(jié)為最大正浮力狀態(tài)，實現(xiàn)自動上浮。具體試驗數(shù)據(jù)如 圖12 所示。

圖12 地震儀剖面運動數(shù)據(jù)Fig.12 Motion data of seismometer profile

在定深懸停試驗中，設(shè)備最大下潛深度為 1 014.8 m，在水下1 000 m深度懸停4 h，并成功上浮。該試驗表明主控模塊和浮力調(diào)節(jié)模塊的電路在高壓環(huán)境下可以支撐地震儀實現(xiàn)升沉運動和定深懸停。

3.2 水聽器數(shù)據(jù)采集試驗

地震儀進(jìn)入水下懸停狀態(tài)后會自動打開水聽器以50 Hz的頻率采集水聲信息，并將數(shù)據(jù)實時存儲到SD卡中。水聽器采集數(shù)據(jù)如圖13所示，縱坐標(biāo)為水聽器輸出的模擬電壓，橫坐標(biāo)為時間。水聽器數(shù)據(jù)采集試驗表明水聽器在水下噪聲環(huán)境中可有效地采集到各種水聲信息。

圖13 采集到的水聲數(shù)據(jù)Fig.13 Collected acoustic data

3.3 衛(wèi)星通信試驗

地震儀數(shù)據(jù)傳輸采用1 k-XModem通信協(xié)議，試驗過程中共完成5次文件傳輸，試驗數(shù)據(jù)如表2所示。衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸過程中銥星運行平穩(wěn)，數(shù)據(jù)傳輸平均速度為150 B/s。水聽器采集的數(shù)據(jù)根據(jù)特定的信號識別算法挑選出高價值的地震信號，單個剖面數(shù)據(jù)傳輸總量較小，約200 kB，該數(shù)據(jù)傳輸速度可以滿足設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的要求。試驗結(jié)果顯示，地震儀硬件電路可以支撐銥星模塊正常運行，可以安全、高效地完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。

表2 銥星通信速率Tab.2 Communication rates of iridium

4 電路可靠性分析

為驗證地震儀電路設(shè)計的可靠性,于南海海試區(qū)域進(jìn)行了13次試驗，懸停深度分別為300、500和 1 000 m(具體任務(wù)指令見表3)，單次最長工作時間為11 h 50 min。試驗過程中，地震儀在不同深度都可實現(xiàn)懸停定深，水聽器工作正常,地震數(shù)據(jù)記錄完整，銥星傳輸穩(wěn)定。在13次試驗中地震儀均運行正常，完成既定的任務(wù)且安全回收，表明該電路設(shè)計可以安全支撐地震儀實現(xiàn)完整的觀測任務(wù)，可靠性較高。

表3 試驗詳細(xì)指令Tab.3 Detail experimental instruction

5 小結(jié)

主控板硬件電路的高可靠性和高效率是移動式海洋地震儀工作的必要條件。本文設(shè)計的硬件電路在充分考慮各個模塊供電電路安全的基礎(chǔ)上，優(yōu)化不同模塊的供電方式，大大提高了電能的轉(zhuǎn)化效率。海上試驗證明，地震儀可以根據(jù)指令執(zhí)行完整的觀測任務(wù)，浮力調(diào)節(jié)模塊、水聽器采集模塊、衛(wèi)星通信模塊均可平穩(wěn)運行，表明該地震儀電路設(shè)計具有可靠性和高效性。