文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.011
中文引用格式： 于海濱，盛旭鋒，余小非. 時間序列沉積物捕獲器控制系統設計[J].電子技術應用，2016，42(11)：46-48，55.
英文引用格式： Yu Haibin，Sheng Xufeng，Yu Xiaofei. The development of time series sediment trap control system[J].Application of Electronic Technique，2016，42(11)：46-48，55.
0 引言
海洋顆粒物質在其形成、變化和沉降過程中記錄了許多生物活動以及物理、化學作用的信息，因此它對顆粒物質通量研究、海洋沉積學研究、全球變化研究及海洋環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間內的沉降顆粒，若想獲得具有時間分辨率的樣品，需要多次投放，耗時耗力。而時間序列沉積物捕獲器是一種沉放在水中一定深度，按照預先設置的工作程序自動定時收集水中沉降顆粒物質[2]的采樣設備，其收集到的樣品既有準確的時間，又有準確的數量，還有很高的時間分辨率，所以成為了海洋沉降顆粒收集的重要手段。由于該設備最長需要在水下工作一年，所以低功耗控制和設備冗余性設計是研究難點。
1 系統工作原理
捕獲器控制系統結構如圖1所示。上位機通過RS232串口與控制倉通信，設定工作周期、投放位置（經緯度）、投放時間、工作站位號。入水后設備自動工作，收集瓶保存漏斗收集到的海底沉降顆粒物質，經過預設的工作周期后，控制倉通過步進電機控制轉盤轉動一定角度，完成收集瓶的切換，磁性開關檢測收集瓶位置是否旋轉到位。假如旋轉到位，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，之后進入休眠模式。反之，控制倉控制步進電機繼續轉動。設備工作結束回收后，上位機再次和控制倉通信，導出存儲的工作狀態信息。通過收集瓶切換這個過程，使不同的收集瓶保存著不同時間段內收集到的海底沉降顆粒，這種具有時間分辨率的樣品對海洋各領域的研究都有重大價值。
系統設計要求如下：
（1）捕獲器可以在水下采樣數天到數周，最長工作時間為一年。
（2）設備運行穩定，收集瓶按照預設時間自動切換，工作狀態信息記錄完整。
2 系統硬件設計
系統的硬件設計如圖2所示，主要包含主控模塊、傳感器模塊、時鐘模塊、步進電機驅動模塊和電源。
由于本系統對功耗控制有嚴格要求，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，還具有五級節電模式，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1 μA。從待機模式下恢復工作，只需要不到6 μs時間。另外它還有豐富的片上外圍模塊，有精密硬件乘法器、一個14路的12 bit數模轉換器、USART和SPI通信端口、2個16 bit定時器支持PWM輸出等功能[3]，完全能滿足本系統設計的資源及功耗要求。
沉積物捕獲器在海流或波浪的影響下發生傾斜，在一定程度上將會導致高估或低估實際沉降通量。因此，需要根據儀器的傾斜參數進行校正[4]：
式中，F為校正后的沉降通量，FT為實際沉降通量，θ為傾斜角度，ΔT為采樣間隔。
傾角傳感器采用的是MPU6050模塊，該模塊內部集成了姿態解算器，配合動態卡爾曼濾波算法，能夠在動態環境下準確輸出模塊的當前姿態，精度達0.01°。采用高精度陀螺加速度計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、精度高的特點，僅需要一條口線即可實現與微處理器MSP430的雙向通信。
位置檢測由SMC磁性開關D-Y7PW完成，它是利用磁場信號來控制的一種開關元件。如圖3所示，當樣品瓶旋轉到位（狀態A），磁性開關和樣品瓶的距離小于觸發距離，磁性開關發送電信號給MSP430。若沒有旋轉到位（狀態B），兩者距離大于觸發距離，MSP430無法檢測到磁性開關的電信號，一段時間后，MSP430控制電機繼續旋轉，直到檢測到到位信息。
時鐘模塊選用的是PHILIPS公司的PCF8563多功能時鐘/日歷芯片，具有寬電壓和低功耗的特點。它采用I2C串行總線，最大傳輸速度為400 kb/s，提供一個可編程時鐘輸出和一個中斷輸出。后者用來喚醒處于待機狀態的MSP430。
電機驅動采用減速步進電機齒輪傳動方式，驅動器型號SD366。SD366三相混合式步進驅動器采用伺服原理工作，輸入電壓18 V~60 V DC，最大驅動相電流6.0 A，采用脈沖“+”方向以及雙脈沖信號對步進電機進行控制，具有性能穩定可靠、發熱量小等優點。
捕獲器電由艙內鋰錳電池組提供，單節電壓為3.0 V。在水下工作過程中供電機驅動由7節電池串聯后得到21 V電源提供。微處理器和各傳感器所需3.3 V電源可由電池組經降壓后提供。
3 系統軟件設計
本系統軟件設計包括主控程序、電機驅動程序和傳感器數據采集3個部分。軟件流程圖如圖4所示。
3.1 主控程序
（1）系統初始化
包括關閉看門狗定時器，以及系統時鐘、I/O口、ADC、中斷、時鐘芯片初始化和串口配置。
（2）設定工作模式
MSP430接收到串口中斷后，提取上位機發送數據包中的內容，將當前時間通過I2C總線寫入PCF8563內存地址02H~08H時鐘計數器中。將工作周期寫入內存地址0FH的計數器和0EH的控制寄存器，8位計數器中存放的是定時器倒計數數值，控制寄存器用于設定定時器時鐘源（4 096 Hz、64 Hz、1 Hz或1/60 Hz）。
（3）低功耗模式
在完成工作模式設定后，處理器需要進入低功耗模式，直到時鐘芯片或串口發送中斷喚醒。MSP430一共有LPM0~LPM4 5種低功耗模式。由于串口時鐘需要用到ACLK時鐘，所以選擇僅ACLK時鐘處于工作狀態的LPM3模式。
3.2 電機驅動
SD366驅動器的脈沖時序圖如圖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表示電機轉動前，從釋放狀態進入鎖軸狀態所需要的時間，大于20 μs。根據這個時序圖，MSP430通過I/O口先發送一個低電平使能信號，延遲T4時間后發送方向信號,再通過PWM波的脈沖個數控制電機的轉動角度，每1 200個脈沖轉動1.8 °。
3.3 傳感器數據采集
溫度傳感器數據獲取包括DS18B20初始化、復位和溫度轉換。而傾角傳感器數據可直接由串口2得到。MSP430將溫度、傾角和位置檢測的數據打包通過SPI總線存儲到Flash中。
4 系統調試
在實驗室環境下進行一個星期的測試，供電電壓為27 V，設置樣品瓶個數為7個。經過試驗，每天中午12點電機準時轉動，轉動角度為18°，采樣數據記錄完整。測得整個系統在睡眠模式下的電流為0.87 mA，電機轉動時電流為429.5 mA左右。若工作一年，睡眠模式時間近似為一年，功耗為7.62 Ah，電機轉動時間為4 min，功耗為0.03 Ah，總功耗為7.65 Ah。電池組容量為10.5 Ah，滿足了該系統低功耗的要求。
本文通過軟硬件低功耗設計和錯誤處理設計實現了捕獲器控制系統低功耗及可靠性的要求[5]。該系統在設計時還保留了一些傳感器接口，以便于系統的擴展升級。
參考文獻
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[3] 張毅，孫思萍，齊爾麥，等.海床基自動監測系統中央控制單元設計與實驗[J].海洋技術學報，2007，26(4)：1-3.
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[5] 姜興杰，楊峰輝.軟件可靠性分析與設計[J].現代電子技術，2011，34(7)：135-137.