基于MSP430的海底热液区探测系统

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海底探测-直以来都是海洋工程研究领域的-个前沿方向，特别是对深海热液的探测，越来越受到该领域内研究人员的重视。黑烟囱(热液矿)的探测对陆上矿藏资源是极大补充，同时近年来的研究发现表明，热液区有着许多全新的生物 ]，对这些生物的研究将大大丰富人类对 自然界的深入认识。地球物理方法和水文方法是海底热液探测中较为成熟的技术，能够探测到几千米范围内的热液异常状况。深海拖拽系统在千米级范围异常探测和近海底的观测都起到关键的作用b 。它是-种高效的热液探测手段。此外，该系统在多金属结核、天然气水合物等海底矿藏探测领域也得到了广泛应用 ]。

基于MSP430单片机的多参数热液探测系统具有低功耗、多路采集 、高精度 、体积邪使用方便等特点，MSP430F169具有LMP0～LMP4共5种低功耗工作方式b ，同时使用外接 16位A/D拈，能保证在高精度测量的同时大大降低功耗。研究者采用巡检方式进行多路采集时硬件电路可大大简化，同时保证了采集数据的可靠性。本研究主要探讨基于MSP430和多路器的多参数热液探测系统的设计。

收稿日期：2012-10-25基金项目：浙江省重大科技专项计划资助项 目(2011C13025)作者简介：秦华伟(1976-)，男，山西长治人，副教授 ，硕士生导师，主要从事海洋机电装备集成技术方面的研究.E-mail：qinhw###hdu.edu.aN第3期 秦华伟，等 ：基于MSP430的海底热液区探测系统1 热液探测系统组成热液探测系统主要包括 3个部分：模拟信号的检测、滤波及放大；数字信号的存储及处理；数字信号的通讯传输 ]。

在模拟处理部分，多路器通过巡检工作方式从各路物理、化学量传感器采集获得原始模拟量，并将所采集到的各路模拟量经过信号调理输人给A/D拈进行模数转换。在数字处理部分，blSP430芯片可以将由MD拈处获得的转换后的数据存储至Flash存储拈或者通过RS485通讯方式与计算机进行数据通讯。整个热液探测系统的系统组成如图 1所示。

图1 热液探测系统的系统组成2 热液探测系统软、硬件设计2.1 系统硬件电路设计该热液探测系统的具体硬件电路设计包括以下拈：多路采集拈、信号调理拈、A/D模数转换、单片机、电源及复位、日历时钟 、电平转换、海量存储 、RS485通讯和监控显示等拈。

2.1.1 多路采集拈该系统中多路采集拈主要采集4路化学量、温度值和压力值几路数据。其中温度量和压力量的采集需要恒流源提供电流。恒流源采用3 V电压经三极管作为开关并通过LMC6442型双微功耗轨对轨输出单电源运算放大器获得0.5 mA的稳定电流输出。

2.1.2 信号调理拈该系统信号调理拈设计过程中，本研究考虑到自制的化学电极常表现为高阻抗特性，-般可达1 01 1 Q，则后续调理电路中须对其进行阻抗匹配，因此在多路采集拈后进行二阶RC滤波，并设计-级调理电路n]。本研究采用LMC6442AIMM搭建电压跟随器电路，使输入端达到1 013 Q的输入阻抗，从电极上3VIl1kQ图2 多路采集拈之恒流源获得最大为2 fA的输人偏置电流，其输出噪声在 1 kHz下只有83 nV。-级调理电路如图3所示。

cl- 3V图3 信号调理电路由于输入的化学信号有可能为负值，本研究在其后又设计了二级信号调理电路。

传感器输入的是直流信号，输出电压 与输入电压 有如下关系：。 - - l6 l7取R R 10kQ，并选择参考电压Yr.625 mV，， 单位为mV，得 Vo ev.，-va 1 250- 。

如图3所示的信号调理电路还具有-阶低通滤波功能 ，截 止频 率 ，1/2砍 C。 ，其 中 R 10 kQ，C。 100 pF，可得截止频率为159 kHz。

2.2 系统精度该设计采用AD7792模数转换器，其为适合高精度测量应用的低功耗、低噪声 、完整模拟前端，内置-个低噪声 、带有 3个差分模拟输入 的 16位∑-△型ADC。其还集成了片内低噪声仪表放大器，因为可直接输入小信号。当增益为64、更新速率为4.17 Hz时，均方根噪声为40 nV。

A/D的参 考输入 电压为 2 500 mV，分辨率 为2 500/2 0.038 mV 。 温 度 传 感 器 选 用 Ptl00，机 电 工 程 第3O卷AD7792内置仪表放大器增 益为 16时 ，分辨率 为0.04 oC，可以满足测量精度要求。

2.3 系统软件设计该热液探测系统的采样和通信均使用中断的方式进行 ≌ 闲状态 时 ，系统 工作在 低功耗模 式LPM3。当采样间隔到，由中断将系统CPU唤醒，开启各模拟拈及数字拈，给系统供电。完成数据采集后系统关闭各模拟和数字拈 ，再次进入低功耗模式，CPU进入休眠模式。当热液探测系统与PC机进行通信时，由PC机发出控制指令，MSP430的USART模块接收到信号，系统进入中断，并调用异步通信中断子程序随]，完成与上位机的通信 。

系统下位机软件的工作流程如图4所示。系统上电后进行初始化工作 ，系统进入 LMP3低功耗模式 ，CPU处于禁止状态，系统不再执行指令。

图4 系统下位机软件流程图该系统的采样间隔由PCF8563日历芯片产生，由MSP430的P2.5口的中断功能捕捉进人采样中断，捕捉到采样中断后 ，系统退出LMP3低功耗模式▲入采样中断后，系统首先开启模拟电源，定时器A开启 ，定时器计时满后产生溢出中断，以达到-定延时的目的，待模拟电平稳定后 ，选通不同的采样通道 ，开启AD7792进行模/数转换，转换结果保存在AD7792的数据寄存器中，检测到采样结束后，系统发送读取转换数据的指令。数据读润 ，保存在系统的缓冲区中，缓冲区写满后数据开始写入Flash存储器中。

3 系统实验3.1 化学通道线性度试验为验证系统工作的可靠性 ，本研究采用精度为0.001 mV的精密信号源，并输出高精度直流信号，将该直流信号与数据采集器采集端口连接，改变输人信号值大小，并记录信号输入值和所采集的数据。

笔者对输人信号和采集值进行线性拟合，得到的拟合曲线如图5所示，由图5中曲线可看出系统的线性度非常好，经过计算，相关系数为1，均方差小于0.04 mV。

40o200O- 20o 采样值图 5 化学通道线性度拟合曲线3.2 压力通道线性度标定本研究将压力传感器接人热液探测系统，使用JB-Ⅲ型手动泵进行打压试验 ，输入压力0～2.5 MPa，待压力稳定后，记录相应压力值及AD采样值。本研究对压力值和采样值进行线性拟合，拟合后的曲线如图6所示。从图6中可以发现，整个区问内曲线线性度良好 ，相关系数近似为 1。压力的测量分辨率理论值为0.696 kPa，能够满足压力测量的精度要求。

A/D采样值图6 压力通道线性度拟合曲线3-3 海试热液检测系统样机制作完成后，本研究于2011年5月在台湾龟山岛(Kueishantao Islet)附近海域进行海试。龟山岛是中国海域 目前唯-已知的海底热泉密集分布区。海试采用连续走航拖拽的方式进行，海试完成后，本研究将系统采集到的数据进行处理，绘制等值线图，并找到可能存在热液泉口的地区。而后由潜水员下潜进行确认，并在16 m左右深度处成功发现