一种移动式海洋地震仪的硬件电路研究

侯 斐，朱心科*，丁巍伟，孟 肯,3

(1.自然资源部 海底科学重点实验室，浙江 杭州 310012；2.自然资源部 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；3.杭州电子科技大学 机械工程学院，浙江 杭州 310018)

0 引言

海洋中因地震台站分布少、不均匀，导致大片区域缺乏或者没有地震数据，极大地影响了对海洋之下地球深部结构的认识[1]。海底地震仪(Ocean Bottom Seismometor)[2]是目前海域深部结构探测的主要手段，但因布放、回收成本高昂，观测周期短和信息延时性等问题，无法实现大范围、实时观测。受Argo国际合作计划启发，国际上开始研发移动式海洋地震仪[3-7]。移动式地震仪悬浮在海水一定深度，随着洋流运动，不仅可以长时间记录地震信息，而且可以同时记录地震信号的位置。通过大量移动式地震仪的布放，可以形成覆盖较大海洋面积的地震台网，解决海洋地震信息收集的难题，特别适合于较大范围海域的地震层析成像工作。

仪器稳定运行的同时延长其使用寿命是移动式地震仪研发过程中面临的挑战之一。地震仪的浮力调节模块和通讯模块是消耗绝大部分电能的主要部件，同时也是影响电路安全性的关键部件。水听器、深度计等微功耗传感器虽然自身功耗低，但其供电电路存在电能转换效率低的问题，长时间工作会造成电能的很大浪费。针对上述问题，本文提出了一种高可靠性、低功耗的电路设计用于移动式海洋地震仪。

1 移动式海洋地震仪的工作模式与整体结构

1.1 工作模式

移动式海洋地震仪的单个完整作业过程(图1)由水面、下潜、悬停、上浮四个阶段组成。根据地面监控站的指令不断重复上述剖面动作，直到设备电池耗尽后自弃。不同阶段工作任务具体如下。

图1 移动式海洋地震仪工作模式示意图(改编自文献[9])Fig.1 Schematic diagram of the operating mode of amobile marine seismograph(Adapted from reference[9])

(1)水面阶段：设备首先进行卫星定位和时间校准，然后利用铱星模块主动与监控中心建立联系。移动式地震仪根据监控站指令上传数据、设备日志和接收新的工作指令，对采集频率、下沉深度、工作时间进行调整[8]。

(2)下潜阶段：设备关闭通信系统，开启浮力调节系统，改变自身排水体积，通过减小浮力使地震仪进入下潜模式。

(3)悬停阶段：浮力调节系统通过自主调节自身排水体积，使地震仪悬停于深海声道层(800～1 200 m)中的预设深度(允许误差±50 m)后，设备开启水听器进行地震信号采集与存储。

(4)上浮阶段：设备关闭水听器，开启浮力调节系统，将自身调节为正浮力状态后开始上浮。上浮时开始数据处理，根据特定算法选取有效地震数据进行单独存储。

到达水面之后，设备进入水面模式，运行阶段形成闭环，完成一个完整的工作周期。

1.2 整体硬件架构设计

移动式海洋地震仪由浮力调节模块、通信模块、传感器模块、主控模块等部分组成，采用一次性锂锰电池组提供电源(表1)。为了提高电路的可靠性，除微控制单元(Microcontroller Unit, MCU)和传感器模块外，其余的大功耗外部设备均采用单独供电。MCU控制各电路的通断，与不同模块的外部设备接口连接，实时控制地震仪的运行。地震仪硬件结构如图2所示。

表1 电池模块参数Tab.1 Parameters of battery module

图2 地震仪硬件结构图Fig.2 Architecture of seismometer hardware

2 各模块电路设计

2.1 主控模块

主控模块是移动式海洋地震仪的“大脑”，根据接收到的外部设备反馈信息实时控制地震仪实现各种功能，需要有较强的运算能力和低功耗的特性。本文选用STM32L4作为地震仪控制板的主芯片，该芯片基于ARM® Cortex®-M4，具有FPU内核，最高的工作频率可达80 MHz，同时由于集成了ART AcceleratorTM，能保持尽可能小的动态功耗。该型芯片完全可以满足地震仪电能使用要求[10-11]。

MCU电能转换损耗高，存在着由于高压差微电流造成的电能转换效率低下的问题。为了提高电能转换效率，本文提出了一种二级降压的电路设计方案用于MCU和传感器模块供电。首先使用降压芯片LM46001将电池电压降至12 V, MCU与传感器模块共同使用该降压电路。当两者同时工作时电流会增大，从而提高降压芯片的转换效率。然后使用降压芯片LM5166将12 V电压降至3.3 V供给MCU，电路总体设计如图3所示。该供电方案在一定程度上克服了MCU电能转换效率低的缺点，降低了电能损耗。

图3 MCU供电电路设计框图Fig.3 Block diagram of MCU power supply circuit design

供电电路由两级降压电路组成，第一级降压电路由滤波电路和降压芯片LM46001组成(图4)。电池电源通过左侧VIN_K端引入，经过C173、C174、C175、C176、C177等滤波电容之后作为输入电源与芯片的VIN连接，芯片的使能EN端通过分压电阻R242、R243与输入电压相连接，使降压芯片可以直接开启。芯片的输出电压Vout由芯片FB端上、下桥电阻RFBT、RFBB的比值决定，其关系满足：

图4 MCU第一级降压电路设计图Fig.4 Design diagram of MCU first-stage buck circuit

(1)

式中：VFB为芯片FB的电压。根据公式(1)，当设计输出电压Vout=12 V时，计算选取上桥电阻R241=1 000 kΩ、下桥电阻R244=93.1 kΩ 作为输出电阻的配置。芯片剩余的引脚按手册通过电阻或者电容与GND连接，其中芯片的引脚RT、VCC、SYNC、TRK分别通过R246、C176、R247、C182与GND连接。电感L11的作用是储存电能、稳压。C170为反馈电容，有进行环路补偿、抑制零极点、增强调整率的作用。

第二级降压电路由降压芯片LM5166和滤波电路组成(图5)，LM5166适用于低压差微电流降压情况，该电路中实际效率达90%左右。第一级电路的12 V输出电压与芯片的VIN端直接连接，同时通过分压电阻R247与芯片EN端连接，第二级电路可以在有输入电源的情况下自动开启。芯片的上、下桥电阻根据公式(1)计算(其中参考电压VFB=1.223 V,Vout=3.3 V)得到R251=100 kΩ,R249=169 kΩ。

图5 MCU第二级降压电路设计图Fig.5 Design diagram of MCU second-stage buck circuit

2.2 传感器模块

传感器模块收集真空计、深度计、水听器等采集的各种信息并反馈给地震仪。真空计检测设备舱内真空度以保证地震仪设备安全，深度计检测外部海水深度并辅助浮力调节模块进行浮力调节，水听器配合外部模数转换器AD7791采集海洋地震信号。

传感器模块电路设计(图6)与MCU供电电路设计(图3)原理相同，先通过 LM46001进行第一次降压处理，然后使用低压差线性稳压器(LP2980)分别降压至各自工作电压以及芯片参考电压。传感器模块中的外部设备和外部模数转换器AD7791都是高精度模拟器件，对输入电源的质量要求很高，因此第二级降压时使用具有很好抑制电源纹波效果的低压差线性稳压器。MCU的GPIO(General Purpose Input/Output)端口与各个LP2980的EN端连接，控制其开启与关闭。深度计、真空计采用串口通信的方式与MCU进行双向通信、交换数据。

图6 传感器模块电路结构图Fig.6 Circuit diagram of sensor module

传感器模块与MCU共用第一级降压电路，这里以水听器为例重点阐述传感器模块第二级降压电路。

水听器硬件电路设计的核心是LP2980和外部模数转换器AD7791的配置，以水听器供电电路为例说明LP2980的配置(图7)。第一级降压电路输出电流通过分压电阻R248与芯片的VIN连接，芯片输出电压(LISTENER1_9 V)由芯片的ADJ引脚的上桥电阻R249和下桥电阻R251的比例决定，其关系满足：

图7 水听器供电电路设计图Fig.7 Design diagram hydrophone power supply circuit

(2)

外部模数转换器AD7791配置电路中(图8)，芯片的VDD端为供电电源(3.3 V)输入端、REF为参考电压(2.5 V)输入端，二者由LP2980构成的二级降压电路供电。C186、C187为滤波电容，其作用是抑制参考电压的纹波，提高参考电压的质量。外部模数转换器AD7791的AIN(+)引脚为模拟电压正输入引脚，与水听器的信号输出端(VIN)连接，采集电路中R262、C190组成一阶低通滤波器，过滤电路中高频噪声，R263、R266为0 Ω采样电阻，C189、C192为滤波电容；AIN(-)引脚为模拟电压负输入引脚，与GND连接。MCU的GPIO端口分别与SCLK(串行时钟)、CS(片选)、DIN(输入)、DOUT(输出)连接，通过电平切换控制AD7791的运行模式和数据交换。

图8 外部模数转换器AD7791电路设计图Fig.8 Circuit design of external analog-to-digital converter AD7791

2.3 浮力调节模块

浮力调节模块为高压柱塞泵和齿轮泵共同组成的双泵结构(图9)。柱塞泵(由直流电机驱动)、齿轮泵通过改变内、外油囊的油量来调节地震仪净浮力[12-13]；单向阀和电磁比例阀控制各支路的通断；电位计检测内油囊的油量。

浮力调节模块是新型移动式海洋地震仪的动力驱动模块，由于需要克服水下高压运行，是最主要的电能消耗模块。因此，浮力调节模块的电路必须在保证可靠性的同时进行低功耗设计。低功耗设计主要包括减少待机静态电流损耗和提高电能的转换效率两个方面。

针对待机静态电流损耗的问题，浮力调节模块电路(图10)使用MOS开关AOD409分别作为柱塞泵、齿轮泵、电磁比例阀3条供电电路的开关。当MCU控制AOD409关断时，3条供电电路中的电流会被彻底切断，从而减少待机静态电流损耗。

1-内油囊；2-柱塞泵；3-直流电机；4-单向阀；5-压力传感器；6-外油囊；7-电磁比例阀；8-齿轮泵；9-单向阀；10-电位计图9 浮力调节模块原理图Fig.9 Schematic diagram of the buoyancy regulation module

图10 浮力调节模块外部设备供电结构图Fig.10 Power supply diagram for external devices of the buoyancy regulation module

在提高电能转换效率方面，直流电机控制器(输入电压范围24～50 V)可以将电池电源直接引入从而避免电能转换造成的损耗。齿轮泵(工作电压为24 V)使用转换效率较高的LM76003降压芯片进行降压处理，试验表明LM76003实际转换效率约为87%。电磁比例阀(最大开合度时工作电压为24 V)的开合度受供电电压控制，浮力模块工作时需要根据不同情况调节其开合度。因此，电磁比例阀支路无法使用固定降压效果的降压芯片，针对该问题在电路设计中采用MOS开关AOD409不停地开通和关断来模拟PWM载波，实现降压效果可调。

2.4 通信模块

通信模块由无线电、铱星模块共同组成，无线电通信主要用于近距离试验调试，铱星模块用于全球实时双向通信。铱星模块作为地震仪作业期间唯一通信手段，其电路设计的可靠性和稳定性至关重要，同时为了提高设备的使用寿命还要兼顾电路的低功耗优化。铱星模块电路设计中(图11)，AOD409作为支路总开关，使用LM76003作为降压芯片进行降压，MCU控制AOD409的开通与关闭。LM76003的负载电流高达3.5 A，而模块通信时产生的峰值电路为2 A，满足使用要求。经过试验验证，芯片实际电能转换效率可达85%左右，转换效率较高。铱星通信串口为RS232电平，通过芯片MAX232CSE转换成MCU使用的TTL电平。

图11 通信模块供电结构图Fig.11 Power supply structure diagram of communication module

3 试验分析

为了验证电路设计的合理性和可靠性，对新型移动式海洋地震仪进行海上试验，海试区域位于以 (17°42′15.80″N, 111°20′52.14″E)为中心，方圆20 n mail 范围内。测试内容包括定深悬停、水听器采集水声信号、卫星通信等。

3.1 定深悬停试验

定深悬停试验以实现水下1 000 m悬停为目标，测试在高压环境下地震仪控制电路运行的可靠性和定深悬停算法的准确性。定深悬停标准的设定：当地震仪在工作深度范围内(950～1 050 m)以小于 0.01 m/s 的速度运动时，则判定其进入悬停状态。试验过程中，首先地震仪以最大负浮力状态全速下沉，下沉速度为10 m/min；当下沉至990 m时，浮力调节模块开始排油，将地震仪调节至近似中性浮力状态，当下沉至1 013.7 m时，浮力调节完毕；随后，设备开始上浮并且超出上边界(950 m)。根据深度计反馈地震仪进行回油微调，经过4次调节，以小于 0.01 m/s 的速度悬浮于工作深度，地震仪进入悬停状态。4 h之后，到达设置的上浮时间，地震仪调节为最大正浮力状态，实现自动上浮。具体试验数据如 图12 所示。

图12 地震仪剖面运动数据Fig.12 Motion data of seismometer profile

在定深悬停试验中，设备最大下潜深度为 1 014.8 m，在水下1 000 m深度悬停4 h，并成功上浮。该试验表明主控模块和浮力调节模块的电路在高压环境下可以支撑地震仪实现升沉运动和定深悬停。

3.2 水听器数据采集试验

地震仪进入水下悬停状态后会自动打开水听器以50 Hz的频率采集水声信息，并将数据实时存储到SD卡中。水听器采集数据如图13所示，纵坐标为水听器输出的模拟电压，横坐标为时间。水听器数据采集试验表明水听器在水下噪声环境中可有效地采集到各种水声信息。

图13 采集到的水声数据Fig.13 Collected acoustic data

3.3 卫星通信试验

地震仪数据传输采用1 k-XModem通信协议，试验过程中共完成5次文件传输，试验数据如表2所示。卫星数据传输过程中铱星运行平稳，数据传输平均速度为150 B/s。水听器采集的数据根据特定的信号识别算法挑选出高价值的地震信号，单个剖面数据传输总量较小，约200 kB，该数据传输速度可以满足设备传输数据的要求。试验结果显示，地震仪硬件电路可以支撑铱星模块正常运行，可以安全、高效地完成数据传输任务。

表2 铱星通信速率Tab.2 Communication rates of iridium

4 电路可靠性分析

为验证地震仪电路设计的可靠性,于南海海试区域进行了13次试验，悬停深度分别为300、500和 1 000 m(具体任务指令见表3)，单次最长工作时间为11 h 50 min。试验过程中，地震仪在不同深度都可实现悬停定深，水听器工作正常,地震数据记录完整，铱星传输稳定。在13次试验中地震仪均运行正常，完成既定的任务且安全回收，表明该电路设计可以安全支撑地震仪实现完整的观测任务，可靠性较高。

表3 试验详细指令Tab.3 Detail experimental instruction

5 小结

主控板硬件电路的高可靠性和高效率是移动式海洋地震仪工作的必要条件。本文设计的硬件电路在充分考虑各个模块供电电路安全的基础上，优化不同模块的供电方式，大大提高了电能的转化效率。海上试验证明，地震仪可以根据指令执行完整的观测任务，浮力调节模块、水听器采集模块、卫星通信模块均可平稳运行，表明该地震仪电路设计具有可靠性和高效性。