潛標式海洋探測儀控制系統及模塊設計

宗 振，蔡曉冬 ，劉玉良

（1.浙江海洋大學船舶與海洋工程學院，浙江 舟山 316022；2.浙江省近海海洋工程技術重點實驗室，浙江 舟山 316000）

潛標式海洋探測儀控制系統及模塊設計

宗 振1,2，蔡曉冬1,2，劉玉良1,2

（1.浙江海洋大學船舶與海洋工程學院，浙江 舟山 316022；2.浙江省近海海洋工程技術重點實驗室，浙江 舟山 316000）

基于CORTEX M4內核的STM32嵌入式系統，設計并實現了用于長期監測海洋地理環境參數（溫度、鹽度、濕度等）的潛標式海洋探測儀，給出了主控系統及各個模塊的設計方案及選型，通過合理的功能分配，可靠的硬件設計和有效的軟件實現，使探測儀具備低功耗、高可靠的特點。海試實驗表明，主控系統實現了對探測儀的浮力調節、能源供電及應急處置等狀態控制，通過在SOFAR聲道工作，完成了對深海海洋要素的實時監測。

STM32；主控系統；低功耗；實時監測

我國“十三五”期間將整合地質、海洋、測繪地理信息領域科技力量，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，既是解決地學重大基礎理論問題的需要，更是國家保證能源安全、擴展經濟社會發展空間的重大需求。海洋特別是深海作為戰略空間和戰略資源在國家安全和發展中的戰略地位日益凸顯，深海-深地探測是建設海洋強國的戰略需要。而實施深海探測戰略，重點是要圍繞“進入深海－認知深海－探查深海－開發深海”主線，突破制約深海探測能力的核心關鍵技術，進軍深海科學和技術制高點。

目前主要的地球物理手段和設備是多波束、重磁、海底地震等，對于全區域、大范圍的海底以下的深部構造有效的探測手段不多，只有法國尼斯大學和美國普林斯頓大學等極少數科研單位掌握這方面的技術和研發能力。為實現科學研究目標和工作需要，我們開發了潛標式海洋探測儀，用于海洋地理環境、溫度、鹽度、濕度等數據的長期監測，平時可以潛在SOFAR（800～1 200 m）聲道工作，該儀器不同于傳統的固定式陸地探測臺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，設計最大水深3 000 m），并隨著洋流作浮游運動，這樣可以準實時、大范圍、長時間記錄不同地點傳來的信號。

1 載體系統組成

潛標式海洋探測儀本體系統由觀測模塊、能源模塊、浮力調節模塊、中央控制系統模塊和應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，可實現大深度長時間記錄地震傳達的信息，而且可以記錄不同地點接收到的信號，同時預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，采用模塊化設計，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；浮力調節模塊通過改變海洋探測儀的排水體積來改變浮力，從而實現定時/自主上浮和下潛；中央控制單元負責海洋探測儀的升沉控制、設備管理、數據收發與存儲等工作，主要包括低功耗微處理器、載體狀態傳感器、輔助硬件電路和底層控制軟件等；應急單元是相對獨立的模塊，主要負責監控載體控制單元的健康狀態、執行拋載動作等工作。

2 總體技術

為了能夠適應復雜的海洋環境和不同的任務需求，保證潛標式海洋探測儀能安全、可靠、長期地工作，擬通過系統集成及實現技術，把傳感器模塊、通信與定位模塊、能源模塊、浮力調節模塊、低功耗智能控制模塊等五個模塊有機集成在一起，同時設計安全監測功能和應急拋載功能。系統總體結構如圖1所示，體系結構如圖2所示。

圖1 潛標式海洋探測儀的總體結構

圖2 潛標式海洋探測儀的體系結構

潛標式海洋探測儀可根據要求切換工作模式，既可潛在SOFAR信道層漫游做海洋監測工作，又可根據需要做水文的剖面觀測。潛標式海洋探測儀總體結構設計時，主要考慮的因素有：最大程度地發揮各種裝置和儀器的技術性能，布置緊湊，充分利用潛標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，便于改變工作模式和協同組網工作；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，有較強的自救能力和應急措施。

3 低功耗中央控制系統

潛標式海洋探測儀的控制模塊設計圖如圖3所示，中央控制模塊控制著其它4個模塊：傳感器模塊、通信與定位模塊、能源模塊、浮力調節模塊。同時控制安全監測功能和應急拋載功能。除了接收甚低頻水聽器信號之外，還可接入溫鹽深等傳感器信號，可在線分析信號，也能存在SD卡和內存中，通過串口與網口輸出數據。為了盡可能低功耗，除了選擇低功耗芯片等器件外，細化中斷功能，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支持實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個數量級。為了提供系統可靠性，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嵌入式多任務操作系統開發，實現海洋探測儀的浮力調節、數據采集與存儲、信息傳輸、狀態監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構圖

4 其他模塊選型及設計

浮力調節模塊設計圖如圖5所示，采用低功耗的液壓式油囊浮力調節裝置實現潛標式海洋探測儀自動升沉。潛標式海洋探測儀需要下沉時，控制模塊控制電源模塊給減速電機正向供電，減速電機轉動，同時驅動滾珠絲桿螺旋轉動，滾珠絲桿的軸向運動驅動活塞在缸體內滑動，將油氣囊里的液壓油吸入缸體，減小潛標式海洋探測儀的體積和浮力，當重力超過浮力時，潛標式海洋探測儀則會自動下沉，達到一定深度后，即當重力和浮力重新平衡后，潛標式海洋探測儀會停止下沉，并始終保持在該深度（等密度面）上漂移。反之，潛標式海洋探測儀需要上升時，控制模塊控制電源模塊給減速電機反向供電，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，重力和浮力重新達到平衡，于是潛標式海洋探測儀又會停止在該深度上漂移。

圖5 浮力調節模塊

通信系統要解決海洋探測儀與監控中心的通信鏈路問題，采用現有成熟技術，重點解決天線的封裝材料選擇、安裝結構設計和試驗驗證等研究工作。設計采用無線電和銥星兩種通信方式，前者用于調試階段，后者用于正式作業階段。

無線電臺采用美國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、可靠的數據鏈、傳輸距離遠等特點。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

衛星通信主要特點是不受通信距離限制，但是通信費用高，數據傳輸速率低。目前能夠提供衛星通信的有多家單位，國內有北斗系統，國外有銥星系統、ORBCOMM系統、全球星系統等。北斗系統的發射模塊相對較大，功耗大，通信速率低，每次最多能發送120 bit，發送間隔60 s，并且服務區域有限；國外的商業衛星通信系統從數據終端、通信資費、通信速率、覆蓋范圍綜合考慮，銥星系統具備較高性價比。銥星9523模塊具備短報文發送、點對點撥號實時傳輸功能，同時可集成GPS定位功能。海洋探測儀系統利用9523數據通信模塊，采用點對點實時通信，同時北斗衛星作為備用系統。

圖7 部分國內外衛星通信模塊

根據海洋探測儀內部空間結構的特點，電源模塊的設計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和存儲電路。集成后的電池組由控制系統的電源管理模塊對其進行管理，依據潛標式海洋探測儀的工作流程，可分時、分段對不同電池組分別進行管理，使其既能穩定工作，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計圖如圖8所示，探測儀安裝兩組電池組。

圖8 鋰亞硫酰氯電池組

海洋探測儀的應急處理系統包括應急處理控制單元和拋載裝置。應急處理系統采用獨立的能源供給，應急處理控制單元通過串口與主控單元連接，并監測主控單元處理器的運行狀態，應急處理單元通過開關量控制拋載裝置，圖9為海洋探測儀應急處理單元原理圖。當應急處理控制單元接到主控單元發來的異常處理指令或者監測到主控單元出現異常，應急處理控制單元立即執行拋載動作。

圖9 應急處理單元原理圖

5 系統軟件實現

中央控制系統軟件部分采用C語言進行編寫，編譯環境為KEIL UVISION 5，在軟件實現方面，本系統采用基于ARMCortexM4內核的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，因此在USART通信、AD轉換、SPI等軟件接口均可直接調用庫函數，經過簡單的配置就可實現軟件功能。

6 試驗結果

試驗結果表明，海洋探測儀可以長時間潛在SOFAR（800～1 200 m）聲道工作，并隨著洋流作浮游運動，滿足潛標平臺工作水深指標。在中央控制系統的作用下，觀測模塊、能源模塊、浮力調節模塊、應急單元模塊均能正常工作，未出現故障，整個潛標式海洋探測儀可有效進行海洋數據監測，滿足深海探測系統的設計需求。

7 結束語

隨著我國海洋科研的飛速發展，海洋探測技術廣泛應用于海洋資源開發與利用、海洋地震與地貌監測等方面。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、航運等行業發揮重要的作用。

[1]趙航芳,汪非易,朱小華,等.海洋聲學層析研究現狀與展望[J].海洋技術學報,2015,34(3):69-73.

[2]Xilinx.Spartan-3 FPGAFamilydatadheet[M].2005.

[3]劉素花,龔德俊,等．基于單片機的海洋環境監測系統的控制電路設計[J].海洋科學,2009(8)：67-71.

[4]鄧云,姜飛,等．實時傳輸潛標平臺中的深海海流觀測系統設計[J].氣象水文海洋儀器,2012,12：69-72.

[5]蔣平,喻劍.深海垂直剖面實時監測潛標系統[J].海峽科技與產業,2017(02):82-83.

[6]朱海,葛德宏,陳建華,等.深海潛標多螺旋槳推力姿態控制仿真[J].艦船科學技術,2016(07):7-11.

[7]韓建軍,張國軍,張文棟,等.MEMS矢量水聽器用于潛標系統的可行性（英文）[J].強激光與粒子束,2016(06):19-23.

[8]曾景賢,蔣國軍,夏鐵堅.聲層析潛標主控模塊設計與實現[J].聲學與電子工程,2016(02):33-35.

[9]王琦,呂云飛,蘭華林,等.雙矢量潛標被動定位方法研究[J].聲學技術,2016(03):208-213.

[10]葛德宏,朱海,高大遠,等.深海潛標布放運動與定深控制策略研究[J].艦船科學技術,2016(13):87-90.

[11]宋磊,胡金華,張衛,等.新型潛標系統綜合保障體系架構設計[J].艦船電子工程,2016(08):1-4+183.

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

浙江省公益性項目資助（2015C31072）；濱海區科技計劃資助項目（2015C3101）

宗振(1993-)，男，碩士，主要研究方向為水聲工程。E-mail:1329160162@qq.com