盛慶華，袁路花，閆云鵬，孔慶鵬

（1．杭州電子科技大學電子信息學院，浙江杭州 310018;2．山東省無線電管理辦公室，山東 濟南 250013）

0 引言

海洋是礦物資源的聚寶盆。經(jīng)過20世紀70年代“國際10年海洋勘探階段”，人類進一步加深了對海洋礦物資源的種類、分布和儲量的認識。海底資源和海底工程勘查對于人類的生存和發(fā)展極其重要，隨著海底資源逐漸被人類所重視。海底資源探測和海底工程越來越多地需要破壞性小、探測準確性高的海底探測方法，自然電位法是電法勘探中應(yīng)用最早的一種方法。海底沉積物具有約±100 mV的還原電位，海底是一個明顯的氧化還原分界線。導電體（如礦物沉積）穿過這個界面時會產(chǎn)生電流，導電體擴散區(qū)的電流引起自然電位異常。而俄羅斯海底自然電位探測設(shè)備的作業(yè)結(jié)果表明:散布在海底熱液硫化物礦藏區(qū)周圍的金屬電離子產(chǎn)生的電壓信號非常微弱。只有采用高靈敏度、高精度的采集檢測系統(tǒng)才能檢測出這一帶是否有海底熱液硫化物礦藏。這就是自然電位法應(yīng)用于海底探測的重要理論依據(jù)。

1 總體設(shè)計

本系統(tǒng)共拖拽4個電極，需要測量兩兩電極之間的信號（即6路電壓信號）。電纜與電極布置方式如圖1所示。

圖1 電極示意圖Fig 1 Schematic diagram of electrodes

圖2 系統(tǒng)框圖Fig 2 Block diagram of system

系統(tǒng)硬件電路框圖如圖2所示。4個電極產(chǎn)生的微弱信號經(jīng)過由儀表放大器INA118組成的前置放大器放大5倍，放大器輸入阻抗為1 MΩ。24位高精度ADC型號為TI公司的ADS1256，該ADC內(nèi)部自帶可編程運放可實現(xiàn)對信號的二級放大后再進行A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換需要的參考電壓為2．048V，由精度為0．05%、低溫漂的REF5020提供。處理器采用意法半導體生產(chǎn)的Cortex—M3內(nèi)核32位微處理器STM32F103RCT6，該芯片具有外設(shè)豐富、內(nèi)核運行速度快、程序開發(fā)簡單、容易移植等優(yōu)點。系統(tǒng)配有容量為2 GB的MicroSD卡，即手機上常用的TF卡。SD卡用來存儲采集到的電壓信息，通過SPI接口與STM32通信。水下系統(tǒng)通過串口和水面甲板系統(tǒng)通信。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定的工作，電源系統(tǒng)分為數(shù)字部分和模擬部分。

2 部分硬件電路設(shè)計

2．1 前置差分放大器

本系統(tǒng)的前置差分放大器采用的是TI公司的INA118，屬于精密儀表放大器系列中的一種，它具有精度高、功耗低、共模抑制比高和工作頻帶寬等優(yōu)點，適合對各種微小信號進行放大。INA118獨特的電流反饋結(jié)構(gòu)使得它在較高的增益下也能保持很高的頻帶寬度（G=100時帶寬為70 kHz）。INA118由3個運算放大器組成差分放大結(jié)構(gòu)，內(nèi)置輸入過壓保護，且可通過外置不同大小的電阻實現(xiàn)不同的增益（1～1000），因而應(yīng)用范圍很廣。

實際應(yīng)用電路如圖3所示，來自碳電極的差分信號經(jīng)過R401，R402，C401構(gòu)成的低通濾波器后送入儀表運放器。R403，R404是反相端和同相端接地電阻，為失調(diào)電流提供對地回路。為了保證輸入阻抗?jié)M足要求，該電阻不宜過小;同時考慮失調(diào)電流產(chǎn)生的失調(diào)電壓，該電阻也不宜過大，綜合考慮選取1 MΩ的阻值。R405為反饋電阻，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。

圖3 INA118電路Fig 3 Circuit of INA118

2．2 24位高精度A/D轉(zhuǎn)換器ADS1256

ADS1256是TI公司推出的一種低噪聲、高分辨率的24位Δ-∑A/D轉(zhuǎn)換器。由于受帶寬和有效采樣率的限制，ADS1256不適用于高頻數(shù)據(jù)采集的場合，但適合于采集最高頻率只有幾千赫茲以下的模擬系統(tǒng)中，有著完善的自校正和系統(tǒng)校正系統(tǒng)。

ADS1256提供了一個SPI串行數(shù)字接口，可以靈活方便地和STM32進行通信。該SPI串行接口工作在從模式下，時鐘由STM32供給。數(shù)據(jù)有效信號DRDY用來指示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是否完成。

根據(jù)ADS1256本身的特點和本系統(tǒng)實際要求設(shè)計了如圖4所示的電路。輸入ADS1256的信號先經(jīng)過3只鉭電容器和1只電阻器構(gòu)成的RC低通濾波器。3只電容器的容量分別為10，0．1 μF和100 pF。同時為了防止輸入信號過大，損壞ADS1256，在每路輸入信號和VCC5，GND之間并聯(lián)了一個穩(wěn)壓二極管C4V7。參考電壓由REF5020提供，大小為2．048V。ADS1256和STM32通信的SPI接口串聯(lián)了一個100Ω電阻器以減小STM32的噪聲對模擬電路部分的影響。

圖4 ADS1256電路圖Fig 4 Circuit of ADS1256

ADSl256在實際應(yīng)用時，注意電源和地的布線。在模擬電源和數(shù)字電源的輸入端通常要并聯(lián)1只小的陶瓷電容器和1只大的鉭電容器（或者陶瓷電容器），注意電容要盡量靠近輸入端，而且應(yīng)使小電容更靠近ADC。

2．3 STM32 主控制器

本設(shè)計采用ST公司的STM32F103RCT6作為微處理器。STM32系列基于高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex-M3內(nèi)核。時鐘頻率為72 MHz時，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗電流36 mA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品。該處理器外設(shè)豐富，自帶了2個定時器和2個高級定時器、3個SPI接口、5個UASRT接口、I/O口最大的驅(qū)動電流為80 mA。同時該處理器內(nèi)部擁有256 kB大小的Flash，內(nèi)存為48 kB的SRAM?？梢詽M足操作SD卡的文件系統(tǒng)FatFs對內(nèi)存的要求。

2．4 電源管理和SD卡

本系統(tǒng)對電源的要求比較高。為了保證充分發(fā)揮24位高精度AD低噪聲、低漂移的優(yōu)點，需要低噪聲模擬電源給運放，基準源和AD供電。因此，數(shù)字電源和模擬電源需要隔離分開，數(shù)字地和模擬地只在單點連接。在布線時數(shù)字器件和模擬器件不要交叉雜散分布。本系統(tǒng)采集到的各個電極間的電壓需要進行自容式存儲，存儲方式采用2 GB容量的MicroSD卡。SD卡接口電路如圖5所示。

圖5 SD卡接口Fig 5 Interface of SD card

3 軟件設(shè)計

由于水下系統(tǒng)采用ARM內(nèi)核的STM32微處理器，因此，集成開發(fā)環(huán)境選擇了RealView MDK開發(fā)工具下的最新版本的Keil uVision4，同時使用C語言編寫程序。主要包括系統(tǒng)初始化配置、A/D轉(zhuǎn)換子程序、SD卡存儲、串口發(fā)送等，軟件流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖Fig 6 Flow chart of software

程序開始運行后先進行系統(tǒng)初始化，接著開始外設(shè)與外部芯片的配置。包括I/O口、SPI接口、USART串口、內(nèi)部ADC、IWDG看門狗等模塊工作方式的配置。外部模塊配置包括SD的初始化和ADS1256的配置。

SD卡采用的是MicroSD卡，即常見的TF卡。TF卡具有體積小、容量高、讀寫速度快等特點。存儲數(shù)據(jù)時采用的是FatFs文件系統(tǒng)。FatFs是一個通用的文件系統(tǒng)模塊，用于在小型嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)FAT文件系統(tǒng)。FatFs的編寫遵循ANSI C，因此不依賴于硬件平臺。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工作過程的建立主要通過對11個獨立寄存器的設(shè)置來完成，包括通道選擇、PGA設(shè)置、采樣速率設(shè)置、IO選擇、自動校正方式、buffer開關(guān)等。ADS1256的自校準命令可以矯正內(nèi)部和外部的漂移和增益錯誤。而通過寫寄存器命令則可以初始化狀態(tài)寄存器STATUS和選擇是否開啟輸入緩沖和輸出字節(jié)順序等。多路模擬開關(guān)MUX用來選擇作為差分信號輸入的通道。

4 系統(tǒng)測試

實驗平臺:大洋一號科學考察船。

實驗方法:電法探測系統(tǒng)安裝深海拖體上由大洋一號試驗船拖拽，慢速橫跨已知海底油管位置。

開始地點:經(jīng)度 111°00'，緯度 18°44';

開始時間:2012年4月07日09:50（UTC）;

結(jié)束地點:經(jīng)度 111°03'，緯度 18°41';

結(jié)束時間:2012年4月07日11:30（UTC）;

航速:2．5 kn;

水深:126 m;

離地高度:59 m。

該系統(tǒng)在大洋協(xié)會組織的“大洋一號”南海海試中的試驗數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7和圖8所示。圖7為全部實驗過程中的電極電壓檢測數(shù)據(jù)曲線圖。圖8為電極通過油管時，其中2個電極信號局部放大圖。從圖中可以看出:當電法探測系統(tǒng)橫跨海底油管時，電極信號發(fā)生了明顯的跳變，說明該系統(tǒng)工作正常。

圖7 電壓檢測曲線圖Fig 7 Curve of the voltage detection

圖8 電壓局部放大圖Fig 8 Partial enlargement diagram of voltages

5 結(jié)論

本文從微弱信號數(shù)據(jù)采集、放大、A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計出發(fā)，首先給出了整體設(shè)計方案，然后分析了各個硬件部分的設(shè)計與關(guān)鍵點，在設(shè)計過程中通過大量的測試實驗對6個通道進行修正，最后在南海海域進行測試，得到了令人滿意的結(jié)果。然而，本系統(tǒng)終將要應(yīng)用于復雜的海洋環(huán)境，可能存在未知的干擾因素，有待后續(xù)的改進?？傊鞠到y(tǒng)為在海水應(yīng)用條件下的自然電位法測量系統(tǒng)提供了一種可行的方案。

［1］ 劉 軍．工程師經(jīng)驗手記例說STM32［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2011．

［2］ 王煜東．傳感器應(yīng)用電路400例［M］．北京:中國電力出版社，2008．

［3］ 李 寧．基于MDK的STM32處理器開發(fā)應(yīng)用［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2008．

［4］ 全國大學生電子設(shè)計競賽組委會．全國大學生電子設(shè)計競賽獲獎作品選編（2007）［M］．北京:北京理工大學出版社，2008．

［5］ 黃 爭．德州儀器高性能單片機和模擬器件在高校中的應(yīng)用和選型指南［Z］．上海:德州儀器半導體技術(shù)（上海）有限公司大學計劃部，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．