0 引言

    海洋顆粒物質(zhì)在其形成、變化和沉降過程中記錄了許多生物活動以及物理、化學(xué)作用的信息，因此它對顆粒物質(zhì)通量研究、海洋沉積學(xué)研究、全球變化研究及海洋環(huán)境檢測研究都具有重要意義^[1]。最早的沉積物捕獲器只能采樣單一時(shí)間內(nèi)的沉降顆粒，若想獲得具有時(shí)間分辨率的樣品，需要多次投放，耗時(shí)耗力。而時(shí)間序列沉積物捕獲器是一種沉放在水中一定深度，按照預(yù)先設(shè)置的工作程序自動定時(shí)收集水中沉降顆粒物質(zhì)^[2]的采樣設(shè)備，其收集到的樣品既有準(zhǔn)確的時(shí)間，又有準(zhǔn)確的數(shù)量，還有很高的時(shí)間分辨率，所以成為了海洋沉降顆粒收集的重要手段。由于該設(shè)備最長需要在水下工作一年，所以低功耗控制和設(shè)備冗余性設(shè)計(jì)是研究難點(diǎn)。

1 系統(tǒng)工作原理

    捕獲器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機(jī)通過RS232串口與控制倉通信，設(shè)定工作周期、投放位置（經(jīng)緯度）、投放時(shí)間、工作站位號。入水后設(shè)備自動工作，收集瓶保存漏斗收集到的海底沉降顆粒物質(zhì)，經(jīng)過預(yù)設(shè)的工作周期后，控制倉通過步進(jìn)電機(jī)控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動一定角度，完成收集瓶的切換，磁性開關(guān)檢測收集瓶位置是否旋轉(zhuǎn)到位。假如旋轉(zhuǎn)到位，控制倉控制溫度、傾角傳感器工作并保存接收到的檢測信息，之后進(jìn)入休眠模式。反之，控制倉控制步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動。設(shè)備工作結(jié)束回收后，上位機(jī)再次和控制倉通信，導(dǎo)出存儲的工作狀態(tài)信息。通過收集瓶切換這個(gè)過程，使不同的收集瓶保存著不同時(shí)間段內(nèi)收集到的海底沉降顆粒，這種具有時(shí)間分辨率的樣品對海洋各領(lǐng)域的研究都有重大價(jià)值。

    系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求如下：

    （1）捕獲器可以在水下采樣數(shù)天到數(shù)周，最長工作時(shí)間為一年。

    （2）設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，收集瓶按照預(yù)設(shè)時(shí)間自動切換，工作狀態(tài)信息記錄完整。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示，主要包含主控模塊、傳感器模塊、時(shí)鐘模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊和電源。

    由于本系統(tǒng)對功耗控制有嚴(yán)格要求，所以選擇了美國德州儀器公司的16 bit超低功耗單片機(jī)MSP430F149作為主控模塊處理器^[3]。它的工作電壓為1.8 V~3.6 V，正常工作模式下電流為280 μA，還具有五級節(jié)電模式，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1 μA。從待機(jī)模式下恢復(fù)工作，只需要不到6 μs時(shí)間。另外它還有豐富的片上外圍模塊，有精密硬件乘法器、一個(gè)14路的12 bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器、USART和SPI通信端口、2個(gè)16 bit定時(shí)器支持PWM輸出等功能^[3]，完全能滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的資源及功耗要求。

    沉積物捕獲器在海流或波浪的影響下發(fā)生傾斜，在一定程度上將會導(dǎo)致高估或低估實(shí)際沉降通量。因此，需要根據(jù)儀器的傾斜參數(shù)進(jìn)行校正[4]：

式中，F(xiàn)為校正后的沉降通量，F(xiàn)_T為實(shí)際沉降通量，θ為傾斜角度，ΔT為采樣間隔。

    傾角傳感器采用的是MPU6050模塊，該模塊內(nèi)部集成了姿態(tài)解算器，配合動態(tài)卡爾曼濾波算法，能夠在動態(tài)環(huán)境下準(zhǔn)確輸出模塊的當(dāng)前姿態(tài)，精度達(dá)0.01°。采用高精度陀螺加速度計(jì)MPU6050，通過處理器讀取MPU6050的測量輸出，通過串口輸出。因此，通過串口可以直接讀取到所需的X、Y方向的傾角值。溫度傳感器選用DS18B20，具有體積小、硬件開銷小、抗干擾能力強(qiáng)、精度高的特點(diǎn)，僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)與微處理器MSP430的雙向通信。

    位置檢測由SMC磁性開關(guān)D-Y7PW完成，它是利用磁場信號來控制的一種開關(guān)元件。如圖3所示，當(dāng)樣品瓶旋轉(zhuǎn)到位（狀態(tài)A），磁性開關(guān)和樣品瓶的距離小于觸發(fā)距離，磁性開關(guān)發(fā)送電信號給MSP430。若沒有旋轉(zhuǎn)到位（狀態(tài)B），兩者距離大于觸發(fā)距離，MSP430無法檢測到磁性開關(guān)的電信號，一段時(shí)間后，MSP430控制電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到檢測到到位信息。

    時(shí)鐘模塊選用的是PHILIPS公司的PCF8563多功能時(shí)鐘/日歷芯片，具有寬電壓和低功耗的特點(diǎn)。它采用I2C串行總線，最大傳輸速度為400 kb/s，提供一個(gè)可編程時(shí)鐘輸出和一個(gè)中斷輸出。后者用來喚醒處于待機(jī)狀態(tài)的MSP430。

    電機(jī)驅(qū)動采用減速步進(jìn)電機(jī)齒輪傳動方式，驅(qū)動器型號SD366。SD366三相混合式步進(jìn)驅(qū)動器采用伺服原理工作，輸入電壓18 V~60 V DC，最大驅(qū)動相電流6.0 A，采用脈沖“+”方向以及雙脈沖信號對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，具有性能穩(wěn)定可靠、發(fā)熱量小等優(yōu)點(diǎn)。

    捕獲器電由艙內(nèi)鋰錳電池組提供，單節(jié)電壓為3.0 V。在水下工作過程中供電機(jī)驅(qū)動由7節(jié)電池串聯(lián)后得到21 V電源提供。微處理器和各傳感器所需3.3 V電源可由電池組經(jīng)降壓后提供。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括主控程序、電機(jī)驅(qū)動程序和傳感器數(shù)據(jù)采集3個(gè)部分。軟件流程圖如圖4所示。

3.1 主控程序

    （1）系統(tǒng)初始化

    包括關(guān)閉看門狗定時(shí)器，以及系統(tǒng)時(shí)鐘、I/O口、ADC、中斷、時(shí)鐘芯片初始化和串口配置。

    （2）設(shè)定工作模式

    MSP430接收到串口中斷后，提取上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包中的內(nèi)容，將當(dāng)前時(shí)間通過I²C總線寫入PCF8563內(nèi)存地址02H~08H時(shí)鐘計(jì)數(shù)器中。將工作周期寫入內(nèi)存地址0FH的計(jì)數(shù)器和0EH的控制寄存器，8位計(jì)數(shù)器中存放的是定時(shí)器倒計(jì)數(shù)數(shù)值，控制寄存器用于設(shè)定定時(shí)器時(shí)鐘源（4 096 Hz、64 Hz、1 Hz或1/60 Hz）。

    （3）低功耗模式

    在完成工作模式設(shè)定后，處理器需要進(jìn)入低功耗模式，直到時(shí)鐘芯片或串口發(fā)送中斷喚醒。MSP430一共有LPM0~LPM4 5種低功耗模式。由于串口時(shí)鐘需要用到ACLK時(shí)鐘，所以選擇僅ACLK時(shí)鐘處于工作狀態(tài)的LPM3模式。

3.2 電機(jī)驅(qū)動

    SD366驅(qū)動器的脈沖時(shí)序圖如圖5所示。T1取值要大于5 μs，表示方向信號要先與脈沖信號建立，滯后于脈沖信號消失；T2表示有效電平寬度，要大于2 μs；T3表示無效電平寬度，要大于2 μs；T4表示電機(jī)轉(zhuǎn)動前，從釋放狀態(tài)進(jìn)入鎖軸狀態(tài)所需要的時(shí)間，大于20 μs。根據(jù)這個(gè)時(shí)序圖，MSP430通過I/O口先發(fā)送一個(gè)低電平使能信號，延遲T4時(shí)間后發(fā)送方向信號,再通過PWM波的脈沖個(gè)數(shù)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度，每1 200個(gè)脈沖轉(zhuǎn)動1.8 °。

3.3 傳感器數(shù)據(jù)采集

    溫度傳感器數(shù)據(jù)獲取包括DS18B20初始化、復(fù)位和溫度轉(zhuǎn)換。而傾角傳感器數(shù)據(jù)可直接由串口2得到。MSP430將溫度、傾角和位置檢測的數(shù)據(jù)打包通過SPI總線存儲到Flash中。

4 系統(tǒng)調(diào)試

    在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行一個(gè)星期的測試，供電電壓為27 V，設(shè)置樣品瓶個(gè)數(shù)為7個(gè)。經(jīng)過試驗(yàn)，每天中午12點(diǎn)電機(jī)準(zhǔn)時(shí)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度為18°，采樣數(shù)據(jù)記錄完整。測得整個(gè)系統(tǒng)在睡眠模式下的電流為0.87 mA，電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)電流為429.5 mA左右。若工作一年，睡眠模式時(shí)間近似為一年，功耗為7.62 Ah，電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)間為4 min，功耗為0.03 Ah，總功耗為7.65 Ah。電池組容量為10.5 Ah，滿足了該系統(tǒng)低功耗的要求。

    本文通過軟硬件低功耗設(shè)計(jì)和錯(cuò)誤處理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了捕獲器控制系統(tǒng)低功耗及可靠性的要求^[5]。該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)還保留了一些傳感器接口，以便于系統(tǒng)的擴(kuò)展升級。

參考文獻(xiàn)

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