0 引言

    海底沉積物中的聲速、聲衰減系數(shù)等聲學(xué)特性及其空間分布規(guī)律無(wú)論對(duì)于軍事角度還是地球物理科學(xué)研究都具有極其重要的意義。國(guó)際上比較有代表性的測(cè)量系統(tǒng)分別是Acoustic Lance(由美國(guó)海軍資助)^[1]、美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室研制的ISSAMS(In Situ Sediment Acoustic Measurement System)^[2]和英國(guó)的SAPPA(Sediment Acoustic and Physical Properties Apparatus)^[3]。這些系統(tǒng)大多靠自身的重力將聲學(xué)換能器快速地插入沉積物中，這會(huì)對(duì)沉積物造成很大的擾動(dòng)。同時(shí)上述測(cè)量設(shè)備只能工作于有通信電纜的工作模式或自容工作模式，使用局限性較大。

    為了克服上述系統(tǒng)的技術(shù)缺陷，本文研制了一種多模式深海沉積物聲學(xué)原位測(cè)控系統(tǒng)。系統(tǒng)將采用液壓驅(qū)動(dòng)貫入的方式，可將4根長(zhǎng)1.4 m的聲學(xué)探桿貫入到海底沉積物中。與上述系統(tǒng)相比，液壓驅(qū)動(dòng)的操作相比重力貫入的操作大大減小了對(duì)沉積物的擾動(dòng)。并且使用者可根據(jù)測(cè)量船的實(shí)際裝備情況選擇使用自容工作模式或?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)模式，從而大大提高了設(shè)備的通用性。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 整體設(shè)計(jì)需求

    整個(gè)系統(tǒng)包括甲板操作終端、水下控制系統(tǒng)、水下數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)、聲學(xué)探桿驅(qū)動(dòng)及波束采集系統(tǒng)四部分。本文將主要對(duì)測(cè)控系統(tǒng)部分進(jìn)行介紹。根據(jù)系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)需要主要解決以下4個(gè)問題^[4]：

    (1)整個(gè)系統(tǒng)將被設(shè)計(jì)成可以適應(yīng)不同的科考船，兼容有通信電纜連接的實(shí)時(shí)監(jiān)控模式和無(wú)通信電纜連接的自容工作模式。

    (2)在有通信電纜連接的工作情況下，本系統(tǒng)增加了視頻監(jiān)控功能。

    (3)在有通信電纜連接工作的過程中可以實(shí)時(shí)地根據(jù)海底沉積物情況調(diào)整聲學(xué)換能器的工作參數(shù)，如增益、電壓等。采集到的聲波信號(hào)可通過通信線纜傳回甲板操作平臺(tái)。

    (4)工作于自容模式時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)事先設(shè)定的參數(shù)在海底自動(dòng)完成相關(guān)測(cè)量工作，測(cè)量數(shù)據(jù)將被存儲(chǔ)于水下測(cè)控系統(tǒng)。

1.2 整體系統(tǒng)框架

    海底多模式測(cè)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)主要由電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)部分、視頻監(jiān)控及測(cè)控部分、聲學(xué)發(fā)射及接收采集部分組成。其中視頻監(jiān)控及測(cè)控部分包括儀器搭載框架、水下電池艙、水下測(cè)控艙、水下攝像機(jī)、水下高度計(jì)、水下燈以及必要的水密接插件等。系統(tǒng)各部分連接關(guān)系如圖1所示。

    測(cè)控系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，是海底沉積物聲學(xué)原位探測(cè)系統(tǒng)高效、長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。本測(cè)控系統(tǒng)主要分為兩種工作模式：自容工作模式和實(shí)時(shí)監(jiān)控模式。自容工作模式無(wú)需通信電纜連接，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)備下放前設(shè)定的工作參數(shù)在設(shè)備坐底后自動(dòng)完成工作。這里自容工作模式又具體分為延時(shí)工作模式和入水觸底工作模式。實(shí)時(shí)監(jiān)控模式需通信電纜連接，系統(tǒng)工作時(shí)可由上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備在水下的運(yùn)行狀態(tài)，坐底后可以設(shè)定聲學(xué)探桿的貫入深度及控制聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)工作狀態(tài)。采集到的沉積物的聲波特性將被存儲(chǔ)并經(jīng)測(cè)控系統(tǒng)中的MODEM進(jìn)行ASK調(diào)制后通過通信電纜將波形數(shù)據(jù)傳回甲板通信終端，使用相應(yīng)上位機(jī)軟件解析數(shù)據(jù)^[5]。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 測(cè)控系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

    測(cè)控系統(tǒng)電路主要包括5個(gè)開關(guān)控制量、6路12 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、3路數(shù)字電平檢測(cè)口、3路串口以及1路以太網(wǎng)接口，如圖2所示。這5個(gè)開關(guān)控制量又分為兩種：一種開關(guān)閉合時(shí)將向外輸出24 V電壓，用來(lái)控制水下攝像頭和水下照明燈，為其提供電源；另一種作為開關(guān)接觸器，用來(lái)控制聲學(xué)換能器探桿的電機(jī)，分別可實(shí)現(xiàn)上提和下插的功能。12 bit的A/D采集電路可采集0 V~3 V的電壓信號(hào)和4 mA~20 mA的電流信號(hào)，可用來(lái)采集聲學(xué)換能器探桿的位移信號(hào)、液壓油缸的壓力信號(hào)以及其他水下傳感器信號(hào)。水下動(dòng)力電電池組的電壓范圍為0 V~120 V，由于直接采用電阻分壓的方式采集電壓不穩(wěn)定也不安全，這里采用的是WBV342D01電壓互感器，可對(duì)電網(wǎng)或電路中的直流電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，將其變換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓0 V~5 V輸出，交給A/D電路采集。系統(tǒng)提供了3路USART通信接口，1路為RS485，用來(lái)接收水下高度計(jì)發(fā)送的信息。其余2路為RS232，1路用來(lái)與換能器驅(qū)動(dòng)及與波束采集系統(tǒng)通過Modbus協(xié)議進(jìn)行通信，1路用來(lái)向數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)發(fā)送工作于自容模式的日志數(shù)據(jù)。同時(shí)系統(tǒng)還提供3路數(shù)字電平檢測(cè)口，用于檢測(cè)入水傳感器、觸底傳感器和電機(jī)故障檢測(cè)傳感器。系統(tǒng)工作于實(shí)時(shí)監(jiān)控模式時(shí)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)狀態(tài)幀和水下視頻信號(hào)將通過網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過MODEM或光端機(jī)將信號(hào)調(diào)制成DSL信號(hào)或光信號(hào)，通過通信電纜傳輸?shù)剿霞装?sup>[6]。考慮到上述設(shè)計(jì)資源需求，這里采用ST公司基于Cortox-M3的STM32F107VCT6處理器作為控制核心。

2.2 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

    為了能盡可能地采集水下各環(huán)境參數(shù)，同時(shí)考慮到大多數(shù)水下傳感器的數(shù)據(jù)接口為RS232，而主控系統(tǒng)串口資源不足，故需單獨(dú)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以用來(lái)與多種水下傳感器進(jìn)行連接，如：CTD(鹽度、溫度、深度)、DO(溶解氧)等。

    本文中數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)使用以Cortox-M4 為核心的32 bit處理器STM32F407VET6。本數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)包括5路USART、2路12 bit A/D轉(zhuǎn)換電路和microSD卡，如圖3所示。USART1和主測(cè)控系統(tǒng)相連，用來(lái)接收主測(cè)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。工作狀態(tài)下主測(cè)控系統(tǒng)會(huì)以每隔1 s的時(shí)間間隔發(fā)送1幀狀態(tài)幀。USART2則用來(lái)與PC進(jìn)行通信，可用于系統(tǒng)下水操作前系統(tǒng)時(shí)間的校準(zhǔn)以及設(shè)備測(cè)量完成后的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)導(dǎo)出(設(shè)備工作于自容模式)。其他3路USART可用來(lái)接收其他水下傳感器數(shù)據(jù)，每個(gè)傳感器數(shù)據(jù)將會(huì)單獨(dú)存放在以時(shí)間和串口號(hào)命名的文件中。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)控模式軟件設(shè)計(jì)

3.1.1 實(shí)時(shí)監(jiān)控模式下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    實(shí)時(shí)監(jiān)控模式下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)可以分為以下4個(gè)步驟：

    (1)系統(tǒng)初始化，進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)控模式。系統(tǒng)上電后，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、I/O口、USART、A/D口進(jìn)行初始化配置。接收模式選擇指令，工作于實(shí)時(shí)監(jiān)控模式。

    (2)傳感器的狀態(tài)接收。系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中將會(huì)通過ADC采集電路、USART串口等不停地采集水下傳感器的數(shù)據(jù)。

    (3)數(shù)據(jù)幀整合和發(fā)送。系統(tǒng)將傳感器采集的數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)整合成一幀數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀包含固定的幀頭、幀尾和數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)幀內(nèi)每個(gè)傳感器狀態(tài)均以逗號(hào)間隔。數(shù)據(jù)幀格式如圖4所示。

    (4)接收上位機(jī)發(fā)送控制數(shù)據(jù)指令數(shù)據(jù)幀。水上甲板上位機(jī)軟件可向水下下位機(jī)發(fā)送工作指令，下位機(jī)接收到指令后會(huì)立刻執(zhí)行。

    實(shí)時(shí)模式下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

3.1.2 實(shí)時(shí)監(jiān)控模式上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)包括視頻顯示區(qū)域、相關(guān)狀態(tài)顯示區(qū)域和指令操作區(qū)。視屏顯示區(qū)域?qū)⒂脕?lái)顯示水下工作環(huán)境和相關(guān)機(jī)械動(dòng)作的執(zhí)行情況。狀態(tài)顯示區(qū)域用來(lái)顯示系統(tǒng)通信連接狀態(tài)、相關(guān)傳感器信息。指令操作區(qū)主要用來(lái)完成水下燈、攝像機(jī)的開啟關(guān)閉和聲學(xué)換能器探桿的相關(guān)操作，包括打開電機(jī)和探桿上提、貫入的操作。人機(jī)交互界面如圖6所示。

3.2 自容模式軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 自容模式下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    自容模式下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)可以分為以下3個(gè)步驟：

    (1)系統(tǒng)初始化，進(jìn)入自容模式。系統(tǒng)上電后，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、I/O口、USART、A/D口進(jìn)行初始化配置。接收模式選擇指令，工作于自容模式。

    (2)依次執(zhí)行相關(guān)操作。自容模式又分為觸底自容模式和延時(shí)自容模式。系統(tǒng)將依次執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作。

    (3)向數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)發(fā)送系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)幀。自容模式下的數(shù)據(jù)幀格式與圖4顯示的幀格式相同。

    自容模式下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的核心處理器內(nèi)移植了FatFs文件系統(tǒng)。FatFs文件系統(tǒng)具有較高的可配置性，最小配置文件僅需1 KB的RAM空間，非常適用于嵌入式系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的執(zhí)行過程如下：

    (1)系統(tǒng)初始化和RTC系統(tǒng)時(shí)鐘的配置。

    (2)根據(jù)各個(gè)不同的端口(USART、ADC)分別命名文件。

    (3)一旦USART ISR中斷被觸發(fā)同時(shí)數(shù)據(jù)幀格式無(wú)誤，將會(huì)保存在文件中同時(shí)在各個(gè)數(shù)據(jù)幀尾加上<CR><LF>。

    (4)當(dāng)設(shè)備出水后，可以使用數(shù)據(jù)提取處理軟件將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到PC上，相關(guān)狀態(tài)可以形成數(shù)據(jù)曲線。

4 調(diào)試與總結(jié)

    為了驗(yàn)證本測(cè)控系統(tǒng)的可靠性，在實(shí)驗(yàn)室工作車間進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)可知，系統(tǒng)能按照設(shè)計(jì)需求安全穩(wěn)定地運(yùn)行并完成規(guī)定的測(cè)量工作。整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)于黃海海試成功，實(shí)時(shí)模式下，甲板上位機(jī)軟件能正常顯示出系統(tǒng)各時(shí)間的工作狀態(tài)。自容模式下系統(tǒng)也能嚴(yán)格地按照預(yù)先設(shè)定的工作順序穩(wěn)定完成測(cè)量工作。

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