0 引言

    海底沉積物中的聲速、聲衰減系數等聲學特性及其空間分布規律無論對于軍事角度還是地球物理科學研究都具有極其重要的意義。國際上比較有代表性的測量系統分別是Acoustic Lance(由美國海軍資助)^[1]、美國海軍實驗室研制的ISSAMS(In Situ Sediment Acoustic Measurement System)^[2]和英國的SAPPA(Sediment Acoustic and Physical Properties Apparatus)^[3]。這些系統大多靠自身的重力將聲學換能器快速地插入沉積物中，這會對沉積物造成很大的擾動。同時上述測量設備只能工作于有通信電纜的工作模式或自容工作模式，使用局限性較大。

    為了克服上述系統的技術缺陷，本文研制了一種多模式深海沉積物聲學原位測控系統。系統將采用液壓驅動貫入的方式，可將4根長1.4 m的聲學探桿貫入到海底沉積物中。與上述系統相比，液壓驅動的操作相比重力貫入的操作大大減小了對沉積物的擾動。并且使用者可根據測量船的實際裝備情況選擇使用自容工作模式或實時監測模式，從而大大提高了設備的通用性。

1 系統總體結構

1.1 整體設計需求

    整個系統包括甲板操作終端、水下控制系統、水下數據采集存儲系統、聲學探桿驅動及波束采集系統四部分。本文將主要對測控系統部分進行介紹。根據系統功能的設計需要主要解決以下4個問題^[4]：

    (1)整個系統將被設計成可以適應不同的科考船，兼容有通信電纜連接的實時監控模式和無通信電纜連接的自容工作模式。

    (2)在有通信電纜連接的工作情況下，本系統增加了視頻監控功能。

    (3)在有通信電纜連接工作的過程中可以實時地根據海底沉積物情況調整聲學換能器的工作參數，如增益、電壓等。采集到的聲波信號可通過通信線纜傳回甲板操作平臺。

    (4)工作于自容模式時，系統可根據事先設定的參數在海底自動完成相關測量工作，測量數據將被存儲于水下測控系統。

1.2 整體系統框架

    海底多模式測控系統的整體結構主要由電機及其驅動部分、視頻監控及測控部分、聲學發射及接收采集部分組成。其中視頻監控及測控部分包括儀器搭載框架、水下電池艙、水下測控艙、水下攝像機、水下高度計、水下燈以及必要的水密接插件等。系統各部分連接關系如圖1所示。

    測控系統是整個系統的核心，是海底沉積物聲學原位探測系統高效、長期、穩定運行的關鍵。本測控系統主要分為兩種工作模式：自容工作模式和實時監控模式。自容工作模式無需通信電纜連接，系統會根據設備下放前設定的工作參數在設備坐底后自動完成工作。這里自容工作模式又具體分為延時工作模式和入水觸底工作模式。實時監控模式需通信電纜連接，系統工作時可由上位機實時監控設備在水下的運行狀態，坐底后可以設定聲學探桿的貫入深度及控制聲學測量系統工作狀態。采集到的沉積物的聲波特性將被存儲并經測控系統中的MODEM進行ASK調制后通過通信電纜將波形數據傳回甲板通信終端，使用相應上位機軟件解析數據^[5]。

2 系統硬件

2.1 測控系統電路設計

    測控系統電路主要包括5個開關控制量、6路12 bit的模數轉換電路、3路數字電平檢測口、3路串口以及1路以太網接口，如圖2所示。這5個開關控制量又分為兩種：一種開關閉合時將向外輸出24 V電壓，用來控制水下攝像頭和水下照明燈，為其提供電源；另一種作為開關接觸器，用來控制聲學換能器探桿的電機，分別可實現上提和下插的功能。12 bit的A/D采集電路可采集0 V~3 V的電壓信號和4 mA~20 mA的電流信號，可用來采集聲學換能器探桿的位移信號、液壓油缸的壓力信號以及其他水下傳感器信號。水下動力電電池組的電壓范圍為0 V~120 V，由于直接采用電阻分壓的方式采集電壓不穩定也不安全，這里采用的是WBV342D01電壓互感器，可對電網或電路中的直流電壓進行實時測量，將其變換為標準的直流電壓0 V~5 V輸出，交給A/D電路采集。系統提供了3路USART通信接口，1路為RS485，用來接收水下高度計發送的信息。其余2路為RS232，1路用來與換能器驅動及與波束采集系統通過Modbus協議進行通信，1路用來向數據采集存儲系統發送工作于自容模式的日志數據。同時系統還提供3路數字電平檢測口，用于檢測入水傳感器、觸底傳感器和電機故障檢測傳感器。系統工作于實時監控模式時，系統的數據狀態幀和水下視頻信號將通過網絡經過MODEM或光端機將信號調制成DSL信號或光信號，通過通信電纜傳輸到水上甲板^[6]。考慮到上述設計資源需求，這里采用ST公司基于Cortox-M3的STM32F107VCT6處理器作為控制核心。

2.2 數據采集存儲系統電路設計

    為了能盡可能地采集水下各環境參數，同時考慮到大多數水下傳感器的數據接口為RS232，而主控系統串口資源不足，故需單獨設計數據采集存儲系統。該系統可以用來與多種水下傳感器進行連接，如：CTD(鹽度、溫度、深度)、DO(溶解氧)等。

    本文中數據采集存儲系統使用以Cortox-M4 為核心的32 bit處理器STM32F407VET6。本數據采集存儲系統包括5路USART、2路12 bit A/D轉換電路和microSD卡，如圖3所示。USART1和主測控系統相連，用來接收主測控系統的運行狀態。工作狀態下主測控系統會以每隔1 s的時間間隔發送1幀狀態幀。USART2則用來與PC進行通信，可用于系統下水操作前系統時間的校準以及設備測量完成后的系統狀態數據導出(設備工作于自容模式)。其他3路USART可用來接收其他水下傳感器數據，每個傳感器數據將會單獨存放在以時間和串口號命名的文件中。

3 系統軟件設計

3.1 實時監控模式軟件設計

3.1.1 實時監控模式下位機軟件設計

    實時監控模式下位機軟件設計可以分為以下4個步驟：

    (1)系統初始化，進入實時監控模式。系統上電后，對系統時鐘、I/O口、USART、A/D口進行初始化配置。接收模式選擇指令，工作于實時監控模式。

    (2)傳感器的狀態接收。系統在運行的過程中將會通過ADC采集電路、USART串口等不停地采集水下傳感器的數據。

    (3)數據幀整合和發送。系統將傳感器采集的數據以及系統運行的狀態整合成一幀數據幀。數據幀包含固定的幀頭、幀尾和數據格式，數據幀內每個傳感器狀態均以逗號間隔。數據幀格式如圖4所示。

    (4)接收上位機發送控制數據指令數據幀。水上甲板上位機軟件可向水下下位機發送工作指令，下位機接收到指令后會立刻執行。

    實時模式下位機軟件設計流程如圖5所示。

3.1.2 實時監控模式上位機軟件設計

    實時監控平臺包括視頻顯示區域、相關狀態顯示區域和指令操作區。視屏顯示區域將用來顯示水下工作環境和相關機械動作的執行情況。狀態顯示區域用來顯示系統通信連接狀態、相關傳感器信息。指令操作區主要用來完成水下燈、攝像機的開啟關閉和聲學換能器探桿的相關操作，包括打開電機和探桿上提、貫入的操作。人機交互界面如圖6所示。

3.2 自容模式軟件設計

3.2.1 自容模式下位機軟件設計

    自容模式下位機軟件設計可以分為以下3個步驟：

    (1)系統初始化，進入自容模式。系統上電后，對系統時鐘、I/O口、USART、A/D口進行初始化配置。接收模式選擇指令，工作于自容模式。

    (2)依次執行相關操作。自容模式又分為觸底自容模式和延時自容模式。系統將依次執行相關動作。

    (3)向數據采集存儲系統發送系統狀態數據幀。自容模式下的數據幀格式與圖4顯示的幀格式相同。

    自容模式下位機軟件設計流程如圖7所示。

3.2.2 數據采集存儲系統軟件設計

    數據采集存儲系統的核心處理器內移植了FatFs文件系統。FatFs文件系統具有較高的可配置性，最小配置文件僅需1 KB的RAM空間，非常適用于嵌入式系統。數據采集存儲系統的執行過程如下：

    (1)系統初始化和RTC系統時鐘的配置。

    (2)根據各個不同的端口(USART、ADC)分別命名文件。

    (3)一旦USART ISR中斷被觸發同時數據幀格式無誤，將會保存在文件中同時在各個數據幀尾加上<CR><LF>。

    (4)當設備出水后，可以使用數據提取處理軟件將數據導出到PC上，相關狀態可以形成數據曲線。

4 調試與總結

    為了驗證本測控系統的可靠性，在實驗室工作車間進行了試驗驗證。經過反復試驗可知，系統能按照設計需求安全穩定地運行并完成規定的測量工作。整個測控系統于黃海海試成功，實時模式下，甲板上位機軟件能正常顯示出系統各時間的工作狀態。自容模式下系統也能嚴格地按照預先設定的工作順序穩定完成測量工作。

參考文獻

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[6] ZHANG H，LIU J，YU H.Design of new marine environmental data acquisition and transmission system[C].Proceedings of 2010 The 3rd International Conference on Computational Intelligence and Industrial Application(Volume 2)，2010.