基于24位AD自然电位法海底探矿系统研究*

盛庆华，袁路花，闫云鹏，孔庆鹏

（1．杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州 310018;2．山东省无线电管理办公室，山东 济南 250013）

0 引言

海洋是矿物资源的聚宝盆。经过20世纪70年代“国际10年海洋勘探阶段”，人类进一步加深了对海洋矿物资源的种类、分布和储量的认识。海底资源和海底工程勘查对于人类的生存和发展极其重要，随着海底资源逐渐被人类所重视。海底资源探测和海底工程越来越多地需要破坏性小、探测准确性高的海底探测方法，自然电位法是电法勘探中应用最早的一种方法。海底沉积物具有约±100 mV的还原电位，海底是一个明显的氧化还原分界线。导电体（如矿物沉积）穿过这个界面时会产生电流，导电体扩散区的电流引起自然电位异常。而俄罗斯海底自然电位探测设备的作业结果表明:散布在海底热液硫化物矿藏区周围的金属电离子产生的电压信号非常微弱。只有采用高灵敏度、高精度的采集检测系统才能检测出这一带是否有海底热液硫化物矿藏。这就是自然电位法应用于海底探测的重要理论依据。

1 总体设计

本系统共拖拽4个电极，需要测量两两电极之间的信号（即6路电压信号）。电缆与电极布置方式如图1所示。

图1 电极示意图Fig 1 Schematic diagram of electrodes

图2 系统框图Fig 2 Block diagram of system

系统硬件电路框图如图2所示。4个电极产生的微弱信号经过由仪表放大器INA118组成的前置放大器放大5倍，放大器输入阻抗为1 MΩ。24位高精度ADC型号为TI公司的ADS1256，该ADC内部自带可编程运放可实现对信号的二级放大后再进行A/D转换。A/D转换需要的参考电压为2．048V，由精度为0．05%、低温漂的REF5020提供。处理器采用意法半导体生产的Cortex—M3内核32位微处理器STM32F103RCT6，该芯片具有外设丰富、内核运行速度快、程序开发简单、容易移植等优点。系统配有容量为2 GB的MicroSD卡，即手机上常用的TF卡。SD卡用来存储采集到的电压信息，通过SPI接口与STM32通信。水下系统通过串口和水面甲板系统通信。为保证系统稳定的工作，电源系统分为数字部分和模拟部分。

2 部分硬件电路设计

2．1 前置差分放大器

本系统的前置差分放大器采用的是TI公司的INA118，属于精密仪表放大器系列中的一种，它具有精度高、功耗低、共模抑制比高和工作频带宽等优点，适合对各种微小信号进行放大。INA118独特的电流反馈结构使得它在较高的增益下也能保持很高的频带宽度（G=100时带宽为70 kHz）。INA118由3个运算放大器组成差分放大结构，内置输入过压保护，且可通过外置不同大小的电阻实现不同的增益（1～1000），因而应用范围很广。

实际应用电路如图3所示，来自碳电极的差分信号经过R401，R402，C401构成的低通滤波器后送入仪表运放器。R403，R404是反相端和同相端接地电阻，为失调电流提供对地回路。为了保证输入阻抗满足要求，该电阻不宜过小;同时考虑失调电流产生的失调电压，该电阻也不宜过大，综合考虑选取1 MΩ的阻值。R405为反馈电阻，调节放大倍数。

图3 INA118电路Fig 3 Circuit of INA118

2．2 24位高精度A/D转换器ADS1256

ADS1256是TI公司推出的一种低噪声、高分辨率的24位Δ-∑A/D转换器。由于受带宽和有效采样率的限制，ADS1256不适用于高频数据采集的场合，但适合于采集最高频率只有几千赫兹以下的模拟系统中，有着完善的自校正和系统校正系统。

ADS1256提供了一个SPI串行数字接口，可以灵活方便地和STM32进行通信。该SPI串行接口工作在从模式下，时钟由STM32供给。数据有效信号DRDY用来指示数据转换是否完成。

根据ADS1256本身的特点和本系统实际要求设计了如图4所示的电路。输入ADS1256的信号先经过3只钽电容器和1只电阻器构成的RC低通滤波器。3只电容器的容量分别为10，0．1 μF和100 pF。同时为了防止输入信号过大，损坏ADS1256，在每路输入信号和VCC5，GND之间并联了一个稳压二极管C4V7。参考电压由REF5020提供，大小为2．048V。ADS1256和STM32通信的SPI接口串联了一个100Ω电阻器以减小STM32的噪声对模拟电路部分的影响。

图4 ADS1256电路图Fig 4 Circuit of ADS1256

ADSl256在实际应用时，注意电源和地的布线。在模拟电源和数字电源的输入端通常要并联1只小的陶瓷电容器和1只大的钽电容器（或者陶瓷电容器），注意电容要尽量靠近输入端，而且应使小电容更靠近ADC。

2．3 STM32 主控制器

本设计采用ST公司的STM32F103RCT6作为微处理器。STM32系列基于高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex-M3内核。时钟频率为72 MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗电流36 mA，是32位市场上功耗最低的产品。该处理器外设丰富，自带了2个定时器和2个高级定时器、3个SPI接口、5个UASRT接口、I/O口最大的驱动电流为80 mA。同时该处理器内部拥有256 kB大小的Flash，内存为48 kB的SRAM。可以满足操作SD卡的文件系统FatFs对内存的要求。

2．4 电源管理和SD卡

本系统对电源的要求比较高。为了保证充分发挥24位高精度AD低噪声、低漂移的优点，需要低噪声模拟电源给运放，基准源和AD供电。因此，数字电源和模拟电源需要隔离分开，数字地和模拟地只在单点连接。在布线时数字器件和模拟器件不要交叉杂散分布。本系统采集到的各个电极间的电压需要进行自容式存储，存储方式采用2 GB容量的MicroSD卡。SD卡接口电路如图5所示。

图5 SD卡接口Fig 5 Interface of SD card

3 软件设计

由于水下系统采用ARM内核的STM32微处理器，因此，集成开发环境选择了RealView MDK开发工具下的最新版本的Keil uVision4，同时使用C语言编写程序。主要包括系统初始化配置、A/D转换子程序、SD卡存储、串口发送等，软件流程图如图6所示。

图6 软件流程图Fig 6 Flow chart of software

程序开始运行后先进行系统初始化，接着开始外设与外部芯片的配置。包括I/O口、SPI接口、USART串口、内部ADC、IWDG看门狗等模块工作方式的配置。外部模块配置包括SD的初始化和ADS1256的配置。

SD卡采用的是MicroSD卡，即常见的TF卡。TF卡具有体积小、容量高、读写速度快等特点。存储数据时采用的是FatFs文件系统。FatFs是一个通用的文件系统模块，用于在小型嵌入式系统中实现FAT文件系统。FatFs的编写遵循ANSI C，因此不依赖于硬件平台。它可以嵌入到便宜的微控制器中，如，8051，PIC，AVR，SH，Z80，H8，ARM 等等，不需要做任何修改。

ADS1256工作过程的建立主要通过对11个独立寄存器的设置来完成，包括通道选择、PGA设置、采样速率设置、IO选择、自动校正方式、buffer开关等。ADS1256的自校准命令可以矫正内部和外部的漂移和增益错误。而通过写寄存器命令则可以初始化状态寄存器STATUS和选择是否开启输入缓冲和输出字节顺序等。多路模拟开关MUX用来选择作为差分信号输入的通道。

4 系统测试

实验平台:大洋一号科学考察船。

实验方法:电法探测系统安装深海拖体上由大洋一号试验船拖拽，慢速横跨已知海底油管位置。

开始地点:经度 111°00'，纬度 18°44';

开始时间:2012年4月07日09:50（UTC）;

结束地点:经度 111°03'，纬度 18°41';

结束时间:2012年4月07日11:30（UTC）;

航速:2．5 kn;

水深:126 m;

离地高度:59 m。

该系统在大洋协会组织的“大洋一号”南海海试中的试验数据结果如图7和图8所示。图7为全部实验过程中的电极电压检测数据曲线图。图8为电极通过油管时，其中2个电极信号局部放大图。从图中可以看出:当电法探测系统横跨海底油管时，电极信号发生了明显的跳变，说明该系统工作正常。

图7 电压检测曲线图Fig 7 Curve of the voltage detection

图8 电压局部放大图Fig 8 Partial enlargement diagram of voltages

5 结论

本文从微弱信号数据采集、放大、A/D转换设计出发，首先给出了整体设计方案，然后分析了各个硬件部分的设计与关键点，在设计过程中通过大量的测试实验对6个通道进行修正，最后在南海海域进行测试，得到了令人满意的结果。然而，本系统终将要应用于复杂的海洋环境，可能存在未知的干扰因素，有待后续的改进。总之，本系统为在海水应用条件下的自然电位法测量系统提供了一种可行的方案。

［1］ 刘 军．工程师经验手记例说STM32［M］．北京:北京航空航天大学出版社，2011．

［2］ 王煜东．传感器应用电路400例［M］．北京:中国电力出版社，2008．

［3］ 李 宁．基于MDK的STM32处理器开发应用［M］．北京:北京航空航天大学出版社，2008．

［4］ 全国大学生电子设计竞赛组委会．全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2007）［M］．北京:北京理工大学出版社，2008．

［5］ 黄 争．德州仪器高性能单片机和模拟器件在高校中的应用和选型指南［Z］．上海:德州仪器半导体技术（上海）有限公司大学计划部，2010．

［6］ Very low noise，24-bit analog-to-digital converter［DB/OL］．［2008—08—08］．http:∥www．ti．com．cn/cn/lit/ds/symlink/ads1256．pdf．