基于STM32 的水声潜标值守控制模块设计

高守勇，谢 辉，杨 静，归朋飞

（水声对抗国防科技重点实验室，广东湛江 524022）

在海洋水声研究中，海洋环境噪声、船舶航行噪声的长期监测具有重要意义。在海上开展水声监测时，采用水面浮标的方式可方便通过电台或卫星通信进行遥控作业[1-3]，但存在容易受渔船作业拖带漂移、影响船舶航行等问题。另外浮标随海浪起伏会导致水听器抖动，从而影响记录的水声信号质量。采用潜标方式监测噪声具有隐蔽性好、受海浪影响小等优点。水声潜标使用时一般带有声学释放器，布设入水后通过锚系装置系留在预定的深度进行水声监测。任务结束后，通过工作船发送水声遥控指令使释放器动作，抛弃锚系装置，潜标上浮至海面，由工作船进行打捞回收[4-6]。水声潜标需要在电池供电条件下长时间待机、完全自主工作，按预设的时间节点或根据监测到的水听器信号特征启动记录。如果水声潜标不能可靠工作，海上测试数周后打捞出水发现数据记录不完整，将造成任务完成不全和试验资源浪费。因此，值守控制模块作为水声潜标的控制核心，其工作的稳定性、低功耗性能对水声潜标的海上使用有重要意义。

STM32 嵌入式系统具有代码密度高、可嵌套中断、功耗低等特点，采用库函数开发方式，可在保证系统稳定性的同时大大缩短程序开发周期，在控制领域有着广泛的应用[7-10]。

1 总体设计

1.1 水声潜标总体组成

水声潜标总体由水听器、水密仪器舱组成，仪器舱中电子设备包含值守控制模块、电池组、信号调理、采集存储等单元，水听器通过水密电缆连接到仪器舱，如图1 所示。值守控制模块平时处于低功耗状态，可通过预编程值守和自动监测记录两种模式启动系统，进入采集记录状态。在预编程值守模式下，水听器、信号调理单元、采集存储单元均断电，水声潜标处于最低功耗值守状态。在自动监测记录模式下，需要增加对水听器前置放大器的供电。

图1 水声潜标组成框图

1.2 值守控制模块主要功能

值守控制模块的功能包括预编程值守、自动监测记录、工作参数下载和存储、RTC 对时、响应上位机查询等，其主要功能是预编程值守和自动监测记录。

预编程值守功能：通过上位机软件设置水声潜标的任务时间表，下载并存储到值守控制模块的FLASH 中，控制水声潜标按设定的时间表进行工作。该功能主要用于按计划实施的船舶噪声监测、环境噪声监测和水声传播测量等任务。

自动监测记录功能：通过监测水听器信号，对接收到的水声信号进行滤波、平滑，先进行长时间平均，获得海洋背景噪声，再根据水声信号的变化趋势和强度，在有船舶接近时，启动水声潜标进入采集记录状态。该功能主要用于非合作的船舶航行噪声监测。

2 模块硬件设计

2.1 STM32核心模块

STM32F103RCT6 器件是基于高性能超低功耗微控制器Arm®Cortex®-M4 的32 位RISC 内核，工作频率80 MHz，嵌入了高速存储器（256 kB 的闪存，64 kB 的SRAM）、增强型I/O 和外围设备，提供一个快速的12 位ADC、两个比较器、一个运算放大器、两个DAC 通道、一个内部基准电压缓冲器、一个低功耗RTC、一个通用32 位定时器、4 个通用16 位定时器和两个16 位低功耗定时器[11]；支持模拟独立电源输入ADC、DAC、OPAMP 和比较器，VBAT 允许备份RTC 和备份寄存器；具有FlexPowerControl 的超低功耗，在VBAT 模式下电流为200 nA，可为RTC 和32×32 位备份寄存器供电，RTC 待机模式下电流为280 nA。

STM32 核心模块原理如图2 所示，该模块包含STM32F103RCT6芯片、8MHz主晶振、RTC晶振、FLASH芯片W25Q64 及工作指示灯[12]。

图2 STM32核心模块原理图

核心模块实物如图3所示，尺寸为30 mm×34 mm，通过2 mm 间距排插J2 安装在母板上。

图3 核心模块实物图

2.2 信号监测调理电路

水听器接收到的信号较微弱，为了实现对水声信号的有效监测，设计了信号监测调理电路，原理如图4所示。采用一片低功耗运放OPA1662 设计两级放大滤波[13]，一级为10 Hz 高通滤波器，增益为2，二级为10 kHz 低通滤波器，增益为5。信号调理电路总增益为10，前端水听器灵敏度约为-170 dB，经实际测试，水听器信号通过信号监测调理电路放大、滤波后，可有效监测海洋环境噪声和船舶噪声。滤波器采用Sallen-key 拓扑结构，具有输入阻抗高、增益容易配置的特点。

图4 信号监测调理电路原理图

2.3 输出控制电路

水声潜标内有3 组电池，分别为给前置放大和信号调理供电的+12 V 模拟电源、-12 V 模拟电源、给采集存储单元供电的+12 V 数字主电源。值守控制模块对潜标工作状态的控制，主要通过开启和关闭这3 组电源来实现，输出控制电路原理如图5 所示。对于模拟电源的控制，采用两个PHOTO-MOS 继电器AQZ102 实现控制模块和电源输出的光电隔离[14]，持续工作电流为4 A。对数字主电源的控制采用一片PHOTO-MOS 继电器AQY211 隔离后，驱动大功率MOS 管AO4407，其导通电阻RDS(ON)为13 mΩ，持续工作电流为7 A，可满足对采集存储单元5 A 供电控制的要求。3 组电源的控制都通过PHOTO-MOS 继电器进行隔离，可有效降低控制模块对潜标模拟电路的干扰。

图5 输出控制电路原理图

输出控制电路实物如图6 所示，作为核心模块的母板，可通过2 mm 间距微小排插与核心模块组合安装。模块含开关和输出插座总体尺寸为30 mm×50 mm，整体结构紧凑小巧，可方便安装到空间受限的水声潜标中。

图6 输出控制电路实物

3 模块软件设计

3.1 定时唤醒软件设计

STM32F103RCT6 在系统复位后，运行在RUN 模式下，定时唤醒功能可以在低功耗模式下实现。芯片有5 种低功耗模式：低功耗运行模式、睡眠模式、低功耗睡眠模式、停止模式和待机模式。模块工作于预编程值守模式时，CPU 处于睡眠模式，芯片处于低功耗状态，仅内部RTC 在运行。若要进入睡眠模式，需要执行WFI（Wait For Interrupt）指令，任何外围设备的中断都能唤醒CPU[15]。定时唤醒的软件流程如图7 所示，RTC 时钟每秒中断一次，唤醒控制模块，在中断处理程序中将当前时间与存储的工作时间表进行比较，如果处于工作状态就开启各单元的电源，启动水声潜标进入测量记录状态，否则关闭电源，停止记录，进入睡眠模式。

图7 定时唤醒流程图

3.2 信号监测软件设计

模块工作于自动监测记录模式时，需要对水听器接收到的水声信号进行连续监测和分析，软件流程如图8 所示。在系统配置阶段，根据预编程软件下载存储的数据表，设置进入自动监测记录模式的时间、信号门限等工作参数。进入自动监测记录模式后，模块采用定时中断方式对水声信号进行AD采集、数据平滑和趋势分析。AD 采样率为20 kHz，采样后转换为RMS 值，平滑平均时间为1 s，趋势判别条件为信号能量连续15 s 上升，启动门限可根据预编程参数设置为2～6 dB。当满足趋势判别和启动门限条件后，启动系统进入记录状态，持续记录10 min 或20 min（可设置）后关闭记录。完成记录后，若还处于自动监测记录模式，再继续进行水听器信号监测。

图8 信号监测及分析控制流程

3.3 预编程控制软件设计

预编程控制软件包含两部分，一是运行于值守模块的下位机软件，二是运行于计算机中的上位机软件，两者通过RS232 进行通信[16]，波特率为9 600。上位机软件需与预编程模块进行通信，实现下载任务列表到模块，对模块进行对时，查询预编程的任务表和RTC 时间等功能。设计了命令格式，每条指令的起始码为$，结束码为#，各项功能采用的命令格式如表1 所示。

表1 预编程命令格式

任务表格式：@序号/模式/开始时间/结束时间&序号/模式/开始时间/结束时间&序号/模式/开始时间/结束时间……。

上位机软件采用VC 编程，VC 编程有较好的用户操作界面。软件界面分为串口设置、时间同步、任务设置、任务查询4 个功能区，如图9 所示。软件可对串口参数进行设置，对下位机RTC 时间进行同步和查询，在任务设置栏可设置每次采集记录任务的开始时间和结束时间、工作模式。任务栏中添加、修改、删除按钮可对工作时间表进行操作，擦除按钮用于对下位机中的参数表FLASH 空间进行擦除，下载按钮用于将工作时间表下载到值守控制模块中进行存储。任务查询栏可对模块中存储的任务表进行查询，方便用户进行任务表的核对确认。

图9 上位机预编程软件界面

4 测试应用情况

4.1 预编程值守功能测试

在实验室中，水声潜标处于开盖状态，通过专用的通信电缆连接水声潜标通信接口和计算机串口，启动值守模块电源，运行上位机软件，设置5 组任务时间表，每次记录10 min，工作模式为A（定时模式），下载到下位机中，如图9 所示。观察水声潜标信号调理、采集记录单元的工作指示灯，两个单元均能在各组任务开始时启动工作，在任务结束时停止工作，若记录的数据文件时间与任务时间表一致，说明值守控制模块的预编程定时记录功能正常。

2018 年9 月，在实验室对预编程值守功能进行了长时间考核测试。水声潜标处于正常密封状态，设置30 天时间内90 组采集任务表，通过水密通信电缆连接水密仪器舱，下载到值守控制模块中运行。30 天后打开水声潜标的仪器舱，检查记录的数据文件，核对任务表的时间与文件记录的时间，若两者一致，表明值守控制模块长时间工作正常。

4.2 自动监测记录功能测试

2018 年11 月8 日，在海南三亚附近海域对水声潜标自动监测记录功能进行了测试。试验前设置潜标工作于自动监测记录模式，启动门限为3 dB。潜标布放入水后，安排一艘渔船从潜标附近，距离潜标100 m 左右多次航行通过，记录渔船通过潜标附近的时间，试验结束后回收潜标，查看潜标数据记录情况，判断模块是否能在船舶通过时自动启动潜标进行采集记录。渔船通过时间和潜标开机记录时间如表2 所示。

表2 自动监测记录测试记录表

根据记录的渔船通过时间和潜标开机时间对比可知，渔船每次从水声潜标附近航行通过时，水声潜标都能根据噪声变化情况自动启动采集记录，说明值守控制模块的自动监测记录功能正常。

4.3 值守控制模块功耗测试

在实验室进行预编程定时功能和自动监测功能测试的同时，对值守控制模块的工作电流进行测量，定时值班、自动监测、任务运行3 种工作状态的电流测试结果如表3 所示。

表3 值守控制模块功耗测试记录表

测试表明，值守控制模块在预编程值守状态下的工作电流为0.4 mA，自动监测记录状态电流为6.7 mA，满足水声潜标在电池供电条件下水下自主值守30天的要求。如在核心模块中增加一级电源管理功能，在设置完工作参数、延时一段时间后，将RS232芯片的供电断开，可进一步降低功耗，将定时值班电流控制在0.1 mA 以内。

5 结束语

采用低功耗的STM32F103RCT6 设计了水声潜标值守控制模块，硬件包括核心模块、信号监测电路和输出控制电路，软件主要包括定时唤醒、信号监测和预编程参数设置部分。模块整体实物尺寸为30 mm×50 mm，可方便嵌入到空间受限的水下设备中。通过实验室功能、功耗测试和海上自动监测记录功能测试，得出值守控制模块预编程值守电流为0.4 mA，自动监测电流为6.7 mA，值守30 天，在船舶通过附近时可自动启动采集记录，可在实际的水声潜标中低功耗、长时间可靠运行。