深海海洋平台监测的多变量自容式传感器设计

喻　言，宋　阳，董维杰，欧进萍

(1．大连理工大学电子科学与技术学院，辽宁大连　116024；2．大连理工大学土木工程学院，辽宁大连　116024)

0　引言

海洋平台结构是开发海洋油气资源的最重要的基础设施，它是海上生产作业和生活的基地[1]。南中国海蕴藏着丰富的油气资源，必然成为海洋开发的重点[2-4]，其中大部分蕴藏于500～2 000 m深海区域[5]。因此，为了能够有效地开发我国丰富的深海油气资源，必然要加强深海海洋平台的研究。但由于深海平台造价昂贵、结构复杂、体积庞大，并且使用寿命短，绝大部分海洋平台在达到设计寿命后依然继续服役[6]，加上海水的冲击、侵蚀，海洋平台面临着材料老化等诸多问题，在突发的恶劣情况下，海洋平台极易发生突发状况，造成直接的重大经济损失和人员伤亡，还将可能造成严重的环境污染和社会政治影响[7]。因此，对深海平台结构的监测具有重要意义。深海平台监测不仅需要具备高精度的传感器，还要能够抗高压，防水，保证长期有效工作等，这些条件使得深海平台的监测各方面都面临巨大的挑战。文中提供的用于深海海洋平台监测的多变量自容式传感器可以同时采集加速度、倾角、温湿度的数据，通过对采集的数据分析，可以实现监测深海海洋平台结构的目的，对海洋平台的监测、维护起到重要作用。

1　系统描述

该深海自容式传感器包括传感器单元、数据采集存储单元、供电模块；其中传感器单元包括加速度传感器、倾角传感器和温湿度传感器；数据采集存储单元包括MCU、大容量存储器、A/D转换电路、时钟电路及通信接口；通信接口包括USB和串口；供电模块由电源稳压芯片及电池组成。系统框图如图1所示。

图1　系统框图

该深海自容式传感器工作时，加速度传感器为模拟信号输出，将采集的加速度传感器信号经滤波电路，高精度的A/D转换后与MCU的输入端口连接，采集的倾角和温湿度传感器信号为数字信号，直接和MCU的输入端口连接。同时，MCU从外围时钟芯片读取采样时间，并将采集的传感器信号数值和采集时间一并写入大容量flash中，需要导出数据时，可以通过通信接口将数据导出到计算机上。

2　硬件设计

2．1传感器单元

加速度传感器采用LIS344ALH加速度传感器，LIS344ALH是低功耗三轴线性加速度传感器，它包括传感器件和IC接口，能够从传感器件获得信息，并向外界提供模拟信号；倾角传感器采用SCA103T-D05高精度倾角传感器，该倾角传感器是高分辨率单轴倾角传感器，测量范围为±30°，长期稳定性非常好，抗冲击能力强，通信时有2个模拟输出和1个数字SPI接口以提供信号差分和直接信号处理；温湿度传感器采用 SHT11温湿度传感器，SHT11是一款数字温湿度传感器芯片，该芯片将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上，测量精确度高，传输可靠性高，接口简单。

2．2数据采集存储单元

2．2．1主控制器

MSP430F5438是MSP430系列单片机的最新型号，配有3个16位定时器，高性能12位模拟数字转换器，4个串行通用接口，硬件乘法器，DMA，具有报警功能的实时时钟模块，100个I/O引脚。它具有如下特点：超低功耗；丰富的片内资源和外设；采用精简指令集(RISC)结构，处理能力强大；系统工作稳定，开发方便、快捷。

2．2．2大容量存储器

大容量存储器选用128×8 bit NAND Flash，K9F1G08U0B。该存储器的容量为1G bit NAND Flash存储器，另外有32 Mbit的多余空间。对于该芯片的读写和擦除都可以在很短的时间内完成，其I/O管脚不但作为数据和地址的输入/输出端口，同时还作为命令的输入端口。K9F1G08U0B对大容量非易失性存储器来说是一种优化的解决方案，数据可以保存10年。K9F1G08U0B电路原理图如图2所示。

图2　K9F1G08U0B电路原理图

2．2．3A/D转换电路

A/D转换芯片选用高精度24位模拟数字转换芯片ADS1248，它具有在线、低噪声、可编程的增益放大器(PGA)，一个带有单周期可设置的数字滤波器的精密的ADC和一个内部振荡器。ADS1248的输入通道支持4路差分输入，支持高达2 KSPS的数据传输速率。ADS1248电路原理图如图3所示。

图3　ADS1248电路原理图

2．2．4时钟电路

时钟电路选用的芯片是PCF8563，该芯片是一款工业级具有极低功耗的CMOS实时多功能时钟/日历芯片，所有的地址和数据通过一个双向两线I2C总线串行传输，芯片最大总线速度为400 kbits/s。PCF8563具有4种报警功能和定时功能。

2．2．5通信接口

设计采用2种通信接口形式：USB以及串口。MAX3232采用专有低压差发送器输出级，利用在3.0～5.5 V电源供电时能够实现真正的RS232性能，器件仅需4个0.1 μF的外部小尺寸电荷泵电容。MAX3232确保在120 kbit/s数据速率。MAX3232还能够有效降低功效并延迟便携式产品的电池使用寿命。

CH375是一个USB总线的通用接口芯片，支持USB-HOST主机方式和USB-DEVICE/SLAVE设备方式。在本地端，CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到DSP/MCU/MPU等控制器的系统总线上。CH375可以自动检测USB设备的连接和断开，提供设备连接和断开的时间通知，支持5 V电源和3.3 V电源电压，支持低功耗模式。

2．3供电模块

供电模块由电源稳压芯片及电池组成，电源稳压芯片采用5 V稳压芯片K7805-1000和3.3 V稳压芯片S1117_3．3。经K7805-1000稳压后的5 V电压为USB从设备和SCA103T电路供电，经S1117_3．3稳压后的3.3 V电压为MCU、大容量存储器、A/D电路、时钟电路和MAX3232电路等供电。

3　试验验证

由于深海海洋平台的振动是低频振动，因此设计了验证深海自容式传感器的加速度测试部分的模拟试验。该模拟试验是在一个单摆装置上进行的，根据单摆的周期公式：

(1)

式中：T为单摆的周期；L为单摆的摆长；g为重力加速度。

只要知道单摆的摆长，就可以得到单摆的周期，进而得到单摆的频率，因此控制摆长就可以得到相应的低频振动信号，进而进行模拟试验。单摆试验模型图如图4所示。

图4　单摆试验模型图

试验中给予单摆激励，使其摆动<5°小振幅地进行阻尼运动，设置单摆摆长为1 m，采样频率为50 Hz．利用MATLAB对数据进行处理，得到单摆振动的时域和频域图如图5所示，小幅度的单摆振动应该得到逐渐衰减的正弦波波形，一阶频率约是0.5 Hz，实际测得的数值基本一致，准确性较好。

图5　时域和频域分析

验证温湿度传感器的准确度，采样频率为50 Hz，200 s内采集当时实验室内的温度和相对湿度各10 000组数据。温度和相对湿度数据如图6所示。采集的当时实验室的温度和相对湿度值与实验室内的温度湿度计显示的值基本一致，准确性好。

4　结束语

设计的用于深海海洋平台监测的多变量自容式传感器具备同时监测多变量、采样精度高、可存储数据量大、功耗低和体积小等特点，满足长期监测深海海洋平台的条件。该装置的上述特点决定了其广阔的前景和实用价值。

图6　温度和相对湿度值

参考文献：

[1]喻言，欧进萍．海洋平台结构振动监测的无线传感实验研究．哈尔滨工业大学学报：自然科学版，2007，39(2)：187-190．

[2]廖谟圣．2000-2005年国外深水和超深水钻井采油平台简况与思考．中国海洋平台，2006，21(3)：1-8．

[3]廖谟圣．国外超深水钻采平台的发展给我们的启迪．中国海洋平台，2003，18(5)：4-8．

[4]李平政．世界深水石油勘探开发概况及初步认识．中国海洋平台，2007，22(4)：1-6．

[5]王立忠．论我国海洋石油工程技术的现状与发展．中国海洋平台，2006，21(4)：9-11．

[6]周雷，喻言，李志瑞，等．海洋平台振动采集的超低频无线传感器设计．南京大学学报：自然科学版，2011，47(4)：414-419．

[7]欧进萍，肖仪清，黄虎杰，等．海洋平台结构实时安全监测系统．海洋工程，2001，19(2)：1-6．