一種移動(dòng)式海洋地震儀的硬件電路研究

侯 斐，朱心科*，丁巍偉，孟 肯,3

(1.自然資源部 海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引言

海洋中因地震臺(tái)站分布少、不均勻，導(dǎo)致大片區(qū)域缺乏或者沒(méi)有地震數(shù)據(jù)，極大地影響了對(duì)海洋之下地球深部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)[1]。海底地震儀(Ocean Bottom Seismometor)[2]是目前海域深部結(jié)構(gòu)探測(cè)的主要手段，但因布放、回收成本高昂，觀測(cè)周期短和信息延時(shí)性等問(wèn)題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大范圍、實(shí)時(shí)觀測(cè)。受Argo國(guó)際合作計(jì)劃啟發(fā)，國(guó)際上開(kāi)始研發(fā)移動(dòng)式海洋地震儀[3-7]。移動(dòng)式地震儀懸浮在海水一定深度，隨著洋流運(yùn)動(dòng)，不僅可以長(zhǎng)時(shí)間記錄地震信息，而且可以同時(shí)記錄地震信號(hào)的位置。通過(guò)大量移動(dòng)式地震儀的布放，可以形成覆蓋較大海洋面積的地震臺(tái)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(yùn)行的同時(shí)延長(zhǎng)其使用壽命是移動(dòng)式地震儀研發(fā)過(guò)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(shí)也是影響電路安全性的關(guān)鍵部件。水聽(tīng)器、深度計(jì)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(wèn)題，長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)造成電能的很大浪費(fèi)。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種高可靠性、低功耗的電路設(shè)計(jì)用于移動(dòng)式海洋地震儀。

1 移動(dòng)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(dòng)式海洋地震儀的單個(gè)完整作業(yè)過(guò)程(圖1)由水面、下潛、懸停、上浮四個(gè)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(dòng)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(dòng)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(shí)間校準(zhǔn)，然后利用銥星模塊主動(dòng)與監(jiān)控中心建立聯(lián)系。移動(dòng)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(duì)采集頻率、下沉深度、工作時(shí)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(kāi)啟浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，改變自身排水體積，通過(guò)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(guò)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(kāi)啟水聽(tīng)器進(jìn)行地震信號(hào)采集與存儲(chǔ)。

(4)上浮階段：設(shè)備關(guān)閉水聽(tīng)器，開(kāi)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(kāi)始上浮。上浮時(shí)開(kāi)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(dú)存儲(chǔ)。

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

1.2 整體硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng)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(dú)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(shí)時(shí)控制地震儀的運(yùn)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(jì)

2.1 主控模塊

主控模塊是移動(dòng)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(shí)時(shí)控制地震儀實(shí)現(xiàn)各種功能，需要有較強(qiáng)的運(yùn)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(shí)由于集成了ART AcceleratorTM，能保持盡可能小的動(dòng)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(wèn)題。為了提高電能轉(zhuǎn)換效率，本文提出了一種二級(jí)降壓的電路設(shè)計(jì)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(shí)工作時(shí)電流會(huì)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(jì)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(diǎn)，降低了電能損耗。

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

供電電路由兩級(jí)降壓電路組成，第一級(jí)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(guò)左側(cè)VIN_K端引入，經(jīng)過(guò)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(guò)分壓電阻R242、R243與輸入電壓相連接，使降壓芯片可以直接開(kāi)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(jí)降壓電路設(shè)計(jì)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(jì)輸出電壓Vout=12 V時(shí)，計(jì)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(cè)通過(guò)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(guò)R246、C176、R247、C182與GND連接。電感L11的作用是儲(chǔ)存電能、穩(wěn)壓。C170為反饋電容，有進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償、抑制零極點(diǎn)、增強(qiáng)調(diào)整率的作用。

第二級(jí)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(shí)際效率達(dá)90%左右。第一級(jí)電路的12 V輸出電壓與芯片的VIN端直接連接，同時(shí)通過(guò)分壓電阻R247與芯片EN端連接，第二級(jí)電路可以在有輸入電源的情況下自動(dòng)開(kāi)啟。芯片的上、下橋電阻根據(jù)公式(1)計(jì)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(jí)降壓電路設(shè)計(jì)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(jì)、深度計(jì)、水聽(tīng)器等采集的各種信息并反饋給地震儀。真空計(jì)檢測(cè)設(shè)備艙內(nèi)真空度以保證地震儀設(shè)備安全，深度計(jì)檢測(cè)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(tīng)器配合外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7791采集海洋地震信號(hào)。

傳感器模塊電路設(shè)計(jì)(圖6)與MCU供電電路設(shè)計(jì)(圖3)原理相同，先通過(guò) 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(duì)輸入電源的質(zhì)量要求很高，因此第二級(jí)降壓時(shí)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(gè)LP2980的EN端連接，控制其開(kāi)啟與關(guān)閉。深度計(jì)、真空計(jì)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(jí)降壓電路，這里以水聽(tīng)器為例重點(diǎn)闡述傳感器模塊第二級(jí)降壓電路。

水聽(tīng)器硬件電路設(shè)計(jì)的核心是LP2980和外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7791的配置，以水聽(tīng)器供電電路為例說(shuō)明LP2980的配置(圖7)。第一級(jí)降壓電路輸出電流通過(guò)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(tīng)器供電電路設(shè)計(jì)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(jí)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(tīng)器的信號(hào)輸出端(VIN)連接，采集電路中R262、C190組成一階低通濾波器，過(guò)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(shí)鐘)、CS(片選)、DIN(輸入)、DOUT(輸出)連接，通過(guò)電平切換控制AD7791的運(yùn)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(jì)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(jī)驅(qū)動(dòng))、齒輪泵通過(guò)改變內(nèi)、外油囊的油量來(lái)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(jì)檢測(cè)內(nèi)油囊的油量。

浮力調(diào)節(jié)模塊是新型移動(dòng)式海洋地震儀的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊，由于需要克服水下高壓運(yùn)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(shí)進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)。低功耗設(shè)計(jì)主要包括減少待機(jī)靜態(tài)電流損耗和提高電能的轉(zhuǎn)換效率兩個(gè)方面。

針對(duì)待機(jī)靜態(tài)電流損耗的問(wèn)題，浮力調(diào)節(jié)模塊電路(圖10)使用MOS開(kāi)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(kāi)關(guān)。當(dāng)MCU控制AOD409關(guān)斷時(shí)，3條供電電路中的電流會(huì)被徹底切斷，從而減少待機(jī)靜態(tài)電流損耗。

1-內(nèi)油囊；2-柱塞泵；3-直流電機(jī)；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(jì)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(jī)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(yàn)表明LM76003實(shí)際轉(zhuǎn)換效率約為87%。電磁比例閥(最大開(kāi)合度時(shí)工作電壓為24 V)的開(kāi)合度受供電電壓控制，浮力模塊工作時(shí)需要根據(jù)不同情況調(diào)節(jié)其開(kāi)合度。因此，電磁比例閥支路無(wú)法使用固定降壓效果的降壓芯片，針對(duì)該問(wèn)題在電路設(shè)計(jì)中采用MOS開(kāi)關(guān)AOD409不停地開(kāi)通和關(guān)斷來(lái)模擬PWM載波，實(shí)現(xiàn)降壓效果可調(diào)。

2.4 通信模塊

通信模塊由無(wú)線電、銥星模塊共同組成，無(wú)線電通信主要用于近距離試驗(yàn)調(diào)試，銥星模塊用于全球?qū)崟r(shí)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(jì)的可靠性和穩(wěn)定性至關(guān)重要，同時(shí)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(jì)中(圖11)，AOD409作為支路總開(kāi)關(guān)，使用LM76003作為降壓芯片進(jìn)行降壓，MCU控制AOD409的開(kāi)通與關(guān)閉。LM76003的負(fù)載電流高達(dá)3.5 A，而模塊通信時(shí)產(chǎn)生的峰值電路為2 A，滿足使用要求。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，芯片實(shí)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(guò)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(yàn)分析

為了驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，對(duì)新型移動(dòng)式海洋地震儀進(jìn)行海上試驗(yàn)，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(cè)試內(nèi)容包括定深懸停、水聽(tīng)器采集水聲信號(hào)、衛(wèi)星通信等。

3.1 定深懸停試驗(yàn)

定深懸停試驗(yàn)以實(shí)現(xiàn)水下1 000 m懸停為目標(biāo)，測(cè)試在高壓環(huán)境下地震儀控制電路運(yùn)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(yùn)動(dòng)時(shí)，則判定其進(jìn)入懸停狀態(tài)。試驗(yàn)過(guò)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(shí)，浮力調(diào)節(jié)模塊開(kāi)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(shí)，浮力調(diào)節(jié)完畢；隨后，設(shè)備開(kāi)始上浮并且超出上邊界(950 m)。根據(jù)深度計(jì)反饋地震儀進(jìn)行回油微調(diào)，經(jīng)過(guò)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(shí)間，地震儀調(diào)節(jié)為最大正浮力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上浮。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如 圖12 所示。

圖12 地震儀剖面運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)Fig.12 Motion data of seismometer profile

在定深懸停試驗(yàn)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(yàn)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(shí)現(xiàn)升沉運(yùn)動(dòng)和定深懸停。

3.2 水聽(tīng)器數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)

地震儀進(jìn)入水下懸停狀態(tài)后會(huì)自動(dòng)打開(kāi)水聽(tīng)器以50 Hz的頻率采集水聲信息，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到SD卡中。水聽(tīng)器采集數(shù)據(jù)如圖13所示，縱坐標(biāo)為水聽(tīng)器輸出的模擬電壓，橫坐標(biāo)為時(shí)間。水聽(tīng)器數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)表明水聽(tīng)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(yàn)

地震儀數(shù)據(jù)傳輸采用1 k-XModem通信協(xié)議，試驗(yàn)過(guò)程中共完成5次文件傳輸，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中銥星運(yùn)行平穩(wěn)，數(shù)據(jù)傳輸平均速度為150 B/s。水聽(tīng)器采集的數(shù)據(jù)根據(jù)特定的信號(hào)識(shí)別算法挑選出高價(jià)值的地震信號(hào)，單個(gè)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(yàn)結(jié)果顯示，地震儀硬件電路可以支撐銥星模塊正常運(yùn)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(yàn)證地震儀電路設(shè)計(jì)的可靠性,于南海海試區(qū)域進(jìn)行了13次試驗(yàn)，懸停深度分別為300、500和 1 000 m(具體任務(wù)指令見(jiàn)表3)，單次最長(zhǎng)工作時(shí)間為11 h 50 min。試驗(yàn)過(guò)程中，地震儀在不同深度都可實(shí)現(xiàn)懸停定深，水聽(tīng)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(yàn)中地震儀均運(yùn)行正常，完成既定的任務(wù)且安全回收，表明該電路設(shè)計(jì)可以安全支撐地震儀實(shí)現(xiàn)完整的觀測(cè)任務(wù)，可靠性較高。

表3 試驗(yàn)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(dòng)式海洋地震儀工作的必要條件。本文設(shè)計(jì)的硬件電路在充分考慮各個(gè)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(yàn)證明，地震儀可以根據(jù)指令執(zhí)行完整的觀測(cè)任務(wù)，浮力調(diào)節(jié)模塊、水聽(tīng)器采集模塊、衛(wèi)星通信模塊均可平穩(wěn)運(yùn)行，表明該地震儀電路設(shè)計(jì)具有可靠性和高效性。