潛標(biāo)式海洋探測儀控制系統(tǒng)及模塊設(shè)計(jì)

宗 振，蔡曉冬 ，劉玉良

（1.浙江海洋大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316022；2.浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 舟山 316000）

潛標(biāo)式海洋探測儀控制系統(tǒng)及模塊設(shè)計(jì)

宗 振1,2，蔡曉冬1,2，劉玉良1,2

（1.浙江海洋大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316022；2.浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 舟山 316000）

基于CORTEX M4內(nèi)核的STM32嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了用于長期監(jiān)測海洋地理環(huán)境參數(shù)（溫度、鹽度、濕度等）的潛標(biāo)式海洋探測儀，給出了主控系統(tǒng)及各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方案及選型，通過合理的功能分配，可靠的硬件設(shè)計(jì)和有效的軟件實(shí)現(xiàn)，使探測儀具備低功耗、高可靠的特點(diǎn)。海試實(shí)驗(yàn)表明，主控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)探測儀的浮力調(diào)節(jié)、能源供電及應(yīng)急處置等狀態(tài)控制，通過在SOFAR聲道工作，完成了對(duì)深海海洋要素的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

STM32；主控系統(tǒng)；低功耗；實(shí)時(shí)監(jiān)測

我國“十三五”期間將整合地質(zhì)、海洋、測繪地理信息領(lǐng)域科技力量，打造深地、深海和深空為三大主攻方向，而開展海域地球深部探測，既是解決地學(xué)重大基礎(chǔ)理論問題的需要，更是國家保證能源安全、擴(kuò)展經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展空間的重大需求。海洋特別是深海作為戰(zhàn)略空間和戰(zhàn)略資源在國家安全和發(fā)展中的戰(zhàn)略地位日益凸顯，深海-深地探測是建設(shè)海洋強(qiáng)國的戰(zhàn)略需要。而實(shí)施深海探測戰(zhàn)略，重點(diǎn)是要圍繞“進(jìn)入深海－認(rèn)知深海－探查深海－開發(fā)深海”主線，突破制約深海探測能力的核心關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)軍深?？茖W(xué)和技術(shù)制高點(diǎn)。

目前主要的地球物理手段和設(shè)備是多波束、重磁、海底地震等，對(duì)于全區(qū)域、大范圍的海底以下的深部構(gòu)造有效的探測手段不多，只有法國尼斯大學(xué)和美國普林斯頓大學(xué)等極少數(shù)科研單位掌握這方面的技術(shù)和研發(fā)能力。為實(shí)現(xiàn)科學(xué)研究目標(biāo)和工作需要，我們開發(fā)了潛標(biāo)式海洋探測儀，用于海洋地理環(huán)境、溫度、鹽度、濕度等數(shù)據(jù)的長期監(jiān)測，平時(shí)可以潛在SOFAR（800～1 200 m）聲道工作，該儀器不同于傳統(tǒng)的固定式陸地探測臺(tái)站和坐底式海底探測儀，而是漂浮在海水一定深度（工作水深0～1 200 m，設(shè)計(jì)最大水深3 000 m），并隨著洋流作浮游運(yùn)動(dòng)，這樣可以準(zhǔn)實(shí)時(shí)、大范圍、長時(shí)間記錄不同地點(diǎn)傳來的信號(hào)。

1 載體系統(tǒng)組成

潛標(biāo)式海洋探測儀本體系統(tǒng)由觀測模塊、能源模塊、浮力調(diào)節(jié)模塊、中央控制系統(tǒng)模塊和應(yīng)急單元模塊五部分組成。水聽器是觀測模塊的主要部分，采用帶寬為0.05～0.5 Hz的甚低頻水聽器，可實(shí)現(xiàn)大深度長時(shí)間記錄地震傳達(dá)的信息，而且可以記錄不同地點(diǎn)接收到的信號(hào)，同時(shí)預(yù)留其他觀測傳感器接口，可形成多功能海洋探測儀；能源模塊為其他各模塊提供電源，采用模塊化設(shè)計(jì)，可最大限度地利用安裝空間，提高電池組的安全性，并延長電池的使用壽命；浮力調(diào)節(jié)模塊通過改變海洋探測儀的排水體積來改變浮力，從而實(shí)現(xiàn)定時(shí)/自主上浮和下潛；中央控制單元負(fù)責(zé)海洋探測儀的升沉控制、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)收發(fā)與存儲(chǔ)等工作，主要包括低功耗微處理器、載體狀態(tài)傳感器、輔助硬件電路和底層控制軟件等；應(yīng)急單元是相對(duì)獨(dú)立的模塊，主要負(fù)責(zé)監(jiān)控載體控制單元的健康狀態(tài)、執(zhí)行拋載動(dòng)作等工作。

2 總體技術(shù)

為了能夠適應(yīng)復(fù)雜的海洋環(huán)境和不同的任務(wù)需求，保證潛標(biāo)式海洋探測儀能安全、可靠、長期地工作，擬通過系統(tǒng)集成及實(shí)現(xiàn)技術(shù)，把傳感器模塊、通信與定位模塊、能源模塊、浮力調(diào)節(jié)模塊、低功耗智能控制模塊等五個(gè)模塊有機(jī)集成在一起，同時(shí)設(shè)計(jì)安全監(jiān)測功能和應(yīng)急拋載功能。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 潛標(biāo)式海洋探測儀的總體結(jié)構(gòu)

圖2 潛標(biāo)式海洋探測儀的體系結(jié)構(gòu)

潛標(biāo)式海洋探測儀可根據(jù)要求切換工作模式，既可潛在SOFAR信道層漫游做海洋監(jiān)測工作，又可根據(jù)需要做水文的剖面觀測。潛標(biāo)式海洋探測儀總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮的因素有：最大程度地發(fā)揮各種裝置和儀器的技術(shù)性能，布置緊湊，充分利用潛標(biāo)式海洋探測儀的各部分容積，保證各裝置和儀器便于安裝，又避免相互干擾和影響；控制能力強(qiáng)，便于改變工作模式和協(xié)同組網(wǎng)工作；能源模塊能提供充足的電量，以提高儀器在海洋中工作的持久性；安全可靠，有較強(qiáng)的自救能力和應(yīng)急措施。

3 低功耗中央控制系統(tǒng)

潛標(biāo)式海洋探測儀的控制模塊設(shè)計(jì)圖如圖3所示，中央控制模塊控制著其它4個(gè)模塊：傳感器模塊、通信與定位模塊、能源模塊、浮力調(diào)節(jié)模塊。同時(shí)控制安全監(jiān)測功能和應(yīng)急拋載功能。除了接收甚低頻水聽器信號(hào)之外，還可接入溫鹽深等傳感器信號(hào)，可在線分析信號(hào)，也能存在SD卡和內(nèi)存中，通過串口與網(wǎng)口輸出數(shù)據(jù)。為了盡可能低功耗，除了選擇低功耗芯片等器件外，細(xì)化中斷功能，開啟睡眠功能，盡可能降低功耗開支，確保海上足夠的值守自持能力。

圖3 低功耗智能控制模塊

海洋探測儀控制單元采用ARM Cortex M4處理器，該處理器是基于一個(gè)支持實(shí)施仿真和嵌入式跟蹤的32位CPU。與通常采用的PC104嵌入式處理器相比，ARM Cortex M4處理器的功耗要低超過2個(gè)數(shù)量級(jí)。為了提供系統(tǒng)可靠性，選用ARM Cortex M4成熟工控板作為核心控制板。

海洋探測儀中央控制單元的軟件部分將基于μC OS-II嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)海洋探測儀的浮力調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、信息傳輸、狀態(tài)監(jiān)測及其他模塊之間的通信等功能，如圖4所示。

圖4 中央控制模塊軟件結(jié)構(gòu)圖

4 其他模塊選型及設(shè)計(jì)

浮力調(diào)節(jié)模塊設(shè)計(jì)圖如圖5所示，采用低功耗的液壓式油囊浮力調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)潛標(biāo)式海洋探測儀自動(dòng)升沉。潛標(biāo)式海洋探測儀需要下沉?xí)r，控制模塊控制電源模塊給減速電機(jī)正向供電，減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)，滾珠絲桿的軸向運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)活塞在缸體內(nèi)滑動(dòng)，將油氣囊里的液壓油吸入缸體，減小潛標(biāo)式海洋探測儀的體積和浮力，當(dāng)重力超過浮力時(shí)，潛標(biāo)式海洋探測儀則會(huì)自動(dòng)下沉，達(dá)到一定深度后，即當(dāng)重力和浮力重新平衡后，潛標(biāo)式海洋探測儀會(huì)停止下沉，并始終保持在該深度（等密度面）上漂移。反之，潛標(biāo)式海洋探測儀需要上升時(shí)，控制模塊控制電源模塊給減速電機(jī)反向供電，將缸體里的液壓油推入油氣囊，增加地震儀的體積和浮力，地震儀上升到離海面一定的深度時(shí)，重力和浮力重新達(dá)到平衡，于是潛標(biāo)式海洋探測儀又會(huì)停止在該深度上漂移。

圖5 浮力調(diào)節(jié)模塊

通信系統(tǒng)要解決海洋探測儀與監(jiān)控中心的通信鏈路問題，采用現(xiàn)有成熟技術(shù)，重點(diǎn)解決天線的封裝材料選擇、安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證等研究工作。設(shè)計(jì)采用無線電和銥星兩種通信方式，前者用于調(diào)試階段，后者用于正式作業(yè)階段。

無線電臺(tái)采用美國Maxstream公司的9Xtend OEM無線通訊模塊(如圖6所示)，該通訊模塊具有較高的接收靈敏度、可靠的數(shù)據(jù)鏈、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。海洋探測儀載體上安裝的無線電通訊天線為小型小增益天線，增益為2.1 dB；支持母船上安裝的天線為高增益天線，增益為10 dB，且可以安裝在母船的較高位置處，改善無線電通訊效果。

圖6 9Xtend OEM無線通訊模塊

衛(wèi)星通信主要特點(diǎn)是不受通信距離限制，但是通信費(fèi)用高，數(shù)據(jù)傳輸速率低。目前能夠提供衛(wèi)星通信的有多家單位，國內(nèi)有北斗系統(tǒng)，國外有銥星系統(tǒng)、ORBCOMM系統(tǒng)、全球星系統(tǒng)等。北斗系統(tǒng)的發(fā)射模塊相對(duì)較大，功耗大，通信速率低，每次最多能發(fā)送120 bit，發(fā)送間隔60 s，并且服務(wù)區(qū)域有限；國外的商業(yè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)從數(shù)據(jù)終端、通信資費(fèi)、通信速率、覆蓋范圍綜合考慮，銥星系統(tǒng)具備較高性價(jià)比。銥星9523模塊具備短報(bào)文發(fā)送、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)撥號(hào)實(shí)時(shí)傳輸功能，同時(shí)可集成GPS定位功能。海洋探測儀系統(tǒng)利用9523數(shù)據(jù)通信模塊，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)實(shí)時(shí)通信，同時(shí)北斗衛(wèi)星作為備用系統(tǒng)。

圖7 部分國內(nèi)外衛(wèi)星通信模塊

根據(jù)海洋探測儀內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，電源模塊的設(shè)計(jì)最大限度地利用安裝空間。為提高電池模塊的安全性，并延長電池的使用壽命，在電池組外圍加裝安全保護(hù)和存儲(chǔ)電路。集成后的電池組由控制系統(tǒng)的電源管理模塊對(duì)其進(jìn)行管理，依據(jù)潛標(biāo)式海洋探測儀的工作流程，可分時(shí)、分段對(duì)不同電池組分別進(jìn)行管理，使其既能穩(wěn)定工作，又能保證工作過程中有足夠的功耗，維持較長的使用壽命。單組鋰亞硫酰氯電池組的設(shè)計(jì)圖如圖8所示，探測儀安裝兩組電池組。

圖8 鋰亞硫酰氯電池組

海洋探測儀的應(yīng)急處理系統(tǒng)包括應(yīng)急處理控制單元和拋載裝置。應(yīng)急處理系統(tǒng)采用獨(dú)立的能源供給，應(yīng)急處理控制單元通過串口與主控單元連接，并監(jiān)測主控單元處理器的運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)急處理單元通過開關(guān)量控制拋載裝置，圖9為海洋探測儀應(yīng)急處理單元原理圖。當(dāng)應(yīng)急處理控制單元接到主控單元發(fā)來的異常處理指令或者監(jiān)測到主控單元出現(xiàn)異常，應(yīng)急處理控制單元立即執(zhí)行拋載動(dòng)作。

圖9 應(yīng)急處理單元原理圖

5 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

中央控制系統(tǒng)軟件部分采用C語言進(jìn)行編寫，編譯環(huán)境為KEIL UVISION 5，在軟件實(shí)現(xiàn)方面，本系統(tǒng)采用基于ARMCortexM4內(nèi)核的STM32F4ZGT6芯片，該芯片擁有144引腳，1MBFLASH，196KBSRAM，板載模塊多，接口豐富，具有功能齊全的庫函數(shù)，因此在USART通信、AD轉(zhuǎn)換、SPI等軟件接口均可直接調(diào)用庫函數(shù)，經(jīng)過簡單的配置就可實(shí)現(xiàn)軟件功能。

6 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，海洋探測儀可以長時(shí)間潛在SOFAR（800～1 200 m）聲道工作，并隨著洋流作浮游運(yùn)動(dòng)，滿足潛標(biāo)平臺(tái)工作水深指標(biāo)。在中央控制系統(tǒng)的作用下，觀測模塊、能源模塊、浮力調(diào)節(jié)模塊、應(yīng)急單元模塊均能正常工作，未出現(xiàn)故障，整個(gè)潛標(biāo)式海洋探測儀可有效進(jìn)行海洋數(shù)據(jù)監(jiān)測，滿足深海探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

7 結(jié)束語

隨著我國海洋科研的飛速發(fā)展，海洋探測技術(shù)廣泛應(yīng)用于海洋資源開發(fā)與利用、海洋地震與地貌監(jiān)測等方面。海洋探測儀今后將不僅僅局限于近海和大洋觀測，還將在海洋、氣象、氣候、海軍、石油、航運(yùn)等行業(yè)發(fā)揮重要的作用。

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Design of the Control System and Module for Submersible Marine Detectors

ZONG Zhen1,2,CAI Xiao-dong1,2,LIU Yu-liang1,2
1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,Zhejiang Province,China;
2.Key Laboratory of Offshore Engineering and Technology of Zhejiang Province,Zhoushan 31602200,Zhejiang Province,China

Based on the STM32 embedded system with CORTEX M4 core,this paper designs and implements long-term monitoring of marine geography environment parameters(temperature,salinity,humidity,etc.)through submersible marine detectors.This paper gives the design scheme and selected type of the main control system and each module is given and selection.Through a reasonable function distribution,reliable hardware design and effective software,the new-type submersible marine detectors are developed with low power consumption and high reliability characteristics.The sea test experiment shows that the main control system has realized effective control of the buoyancy,as well as energy supply and emergency disposal of the detectors,and has completed real-time monitoring of the ocean parameters by working in the SOFAR channel.

STM32;master control system;low power consumption;real-time monitoring

P716

A

1003-2029（2017）05-0022-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.05.004

2017-06-13

浙江省公益性項(xiàng)目資助（2015C31072）；濱海區(qū)科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2015C3101）

宗振(1993-)，男，碩士，主要研究方向?yàn)樗暪こ?。E-mail:1329160162@qq.com