艦船電場信號測量系統(tǒng)的硬件設計

蔡旭東 方石 張儀

（1. 海軍91388部隊，廣東 湛江 524022；2. 海裝駐710所軍事代表室，湖北宜昌 443003）

0 引言

艦船在海水中因受腐蝕、漏電等因素影響，均會產(chǎn)生電場信號，且信號微弱，衰減的較為迅速。艦船電場信號包含了從直流到上千赫茲的極其豐富的頻率成分，其峰值通常能達到mV/m的量級，按照頻率可分為準靜電場、軸頻電場、工頻及其倍頻等電場信號[1]。

而在海上試驗中，因人員安全、風浪等不利因素的影響，采用 PC機測量信號比較危險，且設備過大，很難采集到復雜海況下的電場數(shù)據(jù)，同時也不利于攜帶。因此設計研制一套方便、可靠、功耗較低的測量系統(tǒng)，能夠在較為復雜的海況下，將其布放到測量海域，自動測量和存儲環(huán)境及艦船電場信號數(shù)據(jù)，具有很好的實際運用價值。

1 電場測量系統(tǒng)硬件方案[2]

艦船電場測量系統(tǒng)主要由測量電極、放大電路、24位A/D轉換器、信號控制微處理器、Flash存儲器及電源等其他輔助電路組成。系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示。電極接收艦船以及環(huán)境干擾信號，經(jīng)放大進行A/D轉換，最后由單片機采用相應的程序對信號進行處理并存儲。

1.1 電源電路

系統(tǒng)正常運行需要穩(wěn)定的電源，采用ADP3330與ADR391芯片為系統(tǒng)提供3 V、2.5 V電壓。如圖2，通用電池模塊為6 V，經(jīng)過ADP3330芯片產(chǎn)生3 V電壓，為放大芯片、AD轉換芯片、單片機、存儲器件供給工作電壓；ADR391芯片產(chǎn)生2.5 V電壓，為AD轉換芯片、單片機供給基準電壓。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖2 電源電路圖

1.2 電極傳感器[1,3]

在近場，艦船電場值能達到每米數(shù)毫伏的量級，因此測量電極傳感器需要具有噪聲較低、穩(wěn)定性能好、靈敏度較高等特性。采用無毒性的Ag-AgCI電極能夠滿足實驗測量需求。且有關研究表明，將Ag-AgCI某一比例配方以粉末冶金工藝制成的電極在海水中具有好的電化學性能，且海水導電的物質(zhì)載體是氯離子，Ag-AgCI與海水接觸后，在固相與液相的接觸面上，參與導電的主要載體是同一化學成分，使得電化學噪聲較低。

圖3 電極直角坐標圖

1.3 信號的放大與AD轉換

信號分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個相鄰數(shù)碼，所需要輸入的模擬電壓的變化量[4]，即分辨率定義為式（2）

（FSR：Full Scale Range，n為ADC的位數(shù)。）

對于數(shù)十噸的小艦艇，在近場其準靜態(tài)場能達到數(shù)百微伏的量級，其軸頻電場也可達到數(shù)十到幾百微伏，因此選擇分辨率為幾微伏就可以滿足要求。選擇Σ-ΔA/D型3通道24位低功耗數(shù)模轉換器AD7799，2.75-5.25 V單電源工作，典型工作電流380 μA，電壓噪聲有效值最低僅27 nV。AD7799有效分辨率23位，峰-峰分辨率20.5位（gain=1, 轉換率為4.17 Hz）。由式（2）可以計算出分辨率為：

即最小能夠分辨出2.86 V的電場值。根據(jù)艦船所產(chǎn)生靜電場與軸頻電場的量級，為留有余量，可以假設地選擇所測量的最大電場值為500 mV（在近場，當基線Δl足夠長 到幾十米的情況下，可以達到），這樣為使其不超過3 V而飽和，系統(tǒng)能分辨出信號進行數(shù)字轉換，信號的放大倍數(shù)選擇5倍較為合適。放大芯片選用功耗較低、高精度的運算放大器INA118，其噪聲電壓密度為11nV/（10 Hz），共模抑制比為114 dB，較寬的供電電壓范圍±1.35 V到±18 V。

1.4 微控制處理器單元[5]

基于系統(tǒng)的供電電源需要進行低功耗設計的考慮，微控制處理器選用TI公司的MSP430F2618型單片機。這是一款專門為低功耗系統(tǒng)的設計而研制的新型24位單片機，具有LPM0～LPM4五種低功耗模式，其供電電壓可以在1.8～3.6 V范圍內(nèi)變化；供電電壓為3 V時，活動模式下耗電515 μA/MIPS（MIPS：每秒百萬條指令數(shù)），LPM3模式下的工作電流僅為3 μA，I/O輸入端口的漏電流最大僅50 nA；可以外接32.768 kHz和12 M的晶振，增加了功耗和速度選擇的靈活性；系統(tǒng)從低功耗模式到活動模式只需1 μs；內(nèi)置了定時器、看門狗、比較器、12位D/A、Flash存儲器、串口通信模塊、硬件乘法器等多種外圍設備，大大簡化了硬件電路設計。

MSP430F2618與AD7799的接口電路見圖4。Signal-X1至Signal-Z2為電場3路信號，單片機P3.0至P3.2與AD控制引腳相連，AD采用4線控制方式。

圖4 單片機與模數(shù)轉換器電路圖

2 系統(tǒng)工作流程設計[6,7]

測量系統(tǒng)主要完成的是對電場信號進行較為及時、準確地的采集與處理。在單片機上實現(xiàn)信號處理，需要綜合考慮運算速度、內(nèi)存空間、系統(tǒng)功耗、抗干擾等因素，同時要求是一種容易移植、可復用、能夠適應不同硬件平臺的系統(tǒng)，這樣才能更好地滿足測量系統(tǒng)的升級、改造等需求。本系統(tǒng)考慮了上述要求，進行了模塊化設計，具有較好的易移植、可復用等優(yōu)點。下面就系統(tǒng)工作流程做簡要介紹，如圖5所示。

（1）系統(tǒng)初始化：工作之前需要進行初始化，完成單片機的 I/O、狀態(tài)寄存器、時鐘寄存器等設置。

（2）中斷服務：系統(tǒng)初始化完成后，進入中斷模式。中斷程序盡可能編寫的較短，在中斷中完成采集、存儲功能，這樣安排也能夠從一定程度上降低功耗。

（3）數(shù)據(jù)采集存儲模式：采集數(shù)據(jù)先放到MSP430存儲器中暫存，當達到一定字節(jié)在將其按頁寫入 Flash中，這樣做能在一定程度上提高效率，同時還能較好的降低功耗。

3 測量實驗及數(shù)據(jù)分析[8]

系統(tǒng)采用干電池供電，電壓為6 V，測量數(shù)據(jù)為舟山某海域電場值，海面微波無浪，海底為泥沙底。圖6是在舟山某海域實際測量的DC～0.5 Hz頻段內(nèi)海洋環(huán)境電場數(shù)據(jù)時域圖。可以看出海洋環(huán)境準靜態(tài)電場的峰-峰值基本在 1 mV/m以內(nèi)，有的甚至小于0.5 mV/m。總體上來看，信號相對平滑穩(wěn)定，沒有較強烈的曲線起伏。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

圖6 DC～0.5Hz頻段內(nèi)舟山某海域海洋環(huán)境電場信號圖

圖7為舟山某海域實測某型船的準靜電場信號圖?？擅黠@地發(fā)現(xiàn)：沒有艦船時，所測得的電場信號是一個較為平穩(wěn)的過程，沒有較大地起伏，信號幅值變化不大；當艦船出現(xiàn)時，x、y、z方向上電場的幅值均會有較大變化（峰-峰值能達到上千微伏每米），持續(xù)時間大約10～20 s。

圖7 舟山某海域某型船靜電場信號圖

4 結束語

本文根據(jù)電場測量系統(tǒng)功能的要求，提出了基于MSP430型單片機的電場測量系統(tǒng)設計的技術解決方法和實現(xiàn)，該系統(tǒng)能較好地完成低頻率電場信號的采集工作，具有很好的便攜性等特點。

[1] 林春生, 龔沈光. 船物理場[M]. 北京: 兵器工業(yè)出版社, 2007: 233～246.

[2] 孫長國, 彭永紅, 龔沈光, 林春生. 艦船地震波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]. 探測與控制學報, 2007, 29（8）: 28～30.

[3] 王軍, 何玉堂. 基于 C8051F的船舶水下電場測量儀研制[J]. 中國修船, 2006, 19（8）: 8～9.

[4] 周浩敏. 測試信號處理技術[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2004: 14-20.

[5] Texas instruments. MSP430x261x mixed signal microcontroller[DB/OL].http://www.ti.com.2007-11-21.

[6] 張晨等. MSP430系列單片機實用C語言程序設計[M].北京: 人民郵電出版社, 2005, 101～122

[7] 蔡旭東. 水雷電場引信技術研究[D]. 武漢: 海軍工程大學. 2009.

[8] 胡廣書. 數(shù)字信號處理理論、算法與實現(xiàn)[M]. 北京:清華大學出版社, 2003, 460-520.