艦船電場信號測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計

蔡旭東 方石 張儀

（1. 海軍91388部隊，廣東 湛江 524022；2. 海裝駐710所軍事代表室，湖北宜昌 443003）

0 引言

艦船在海水中因受腐蝕、漏電等因素影響，均會產(chǎn)生電場信號，且信號微弱，衰減的較為迅速。艦船電場信號包含了從直流到上千赫茲的極其豐富的頻率成分，其峰值通常能達(dá)到mV/m的量級，按照頻率可分為準(zhǔn)靜電場、軸頻電場、工頻及其倍頻等電場信號[1]。

而在海上試驗(yàn)中，因人員安全、風(fēng)浪等不利因素的影響，采用 PC機(jī)測量信號比較危險，且設(shè)備過大，很難采集到復(fù)雜海況下的電場數(shù)據(jù)，同時也不利于攜帶。因此設(shè)計研制一套方便、可靠、功耗較低的測量系統(tǒng)，能夠在較為復(fù)雜的海況下，將其布放到測量海域，自動測量和存儲環(huán)境及艦船電場信號數(shù)據(jù)，具有很好的實(shí)際運(yùn)用價值。

1 電場測量系統(tǒng)硬件方案[2]

艦船電場測量系統(tǒng)主要由測量電極、放大電路、24位A/D轉(zhuǎn)換器、信號控制微處理器、Flash存儲器及電源等其他輔助電路組成。系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示。電極接收艦船以及環(huán)境干擾信號，經(jīng)放大進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后由單片機(jī)采用相應(yīng)的程序?qū)π盘栠M(jìn)行處理并存儲。

1.1 電源電路

系統(tǒng)正常運(yùn)行需要穩(wěn)定的電源，采用ADP3330與ADR391芯片為系統(tǒng)提供3 V、2.5 V電壓。如圖2，通用電池模塊為6 V，經(jīng)過ADP3330芯片產(chǎn)生3 V電壓，為放大芯片、AD轉(zhuǎn)換芯片、單片機(jī)、存儲器件供給工作電壓；ADR391芯片產(chǎn)生2.5 V電壓，為AD轉(zhuǎn)換芯片、單片機(jī)供給基準(zhǔn)電壓。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖2 電源電路圖

1.2 電極傳感器[1,3]

在近場，艦船電場值能達(dá)到每米數(shù)毫伏的量級，因此測量電極傳感器需要具有噪聲較低、穩(wěn)定性能好、靈敏度較高等特性。采用無毒性的Ag-AgCI電極能夠滿足實(shí)驗(yàn)測量需求。且有關(guān)研究表明，將Ag-AgCI某一比例配方以粉末冶金工藝制成的電極在海水中具有好的電化學(xué)性能，且海水導(dǎo)電的物質(zhì)載體是氯離子，Ag-AgCI與海水接觸后，在固相與液相的接觸面上，參與導(dǎo)電的主要載體是同一化學(xué)成分，使得電化學(xué)噪聲較低。

圖3 電極直角坐標(biāo)圖

1.3 信號的放大與AD轉(zhuǎn)換

信號分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個相鄰數(shù)碼，所需要輸入的模擬電壓的變化量[4]，即分辨率定義為式（2）

（FSR：Full Scale Range，n為ADC的位數(shù)。）

對于數(shù)十噸的小艦艇，在近場其準(zhǔn)靜態(tài)場能達(dá)到數(shù)百微伏的量級，其軸頻電場也可達(dá)到數(shù)十到幾百微伏，因此選擇分辨率為幾微伏就可以滿足要求。選擇Σ-ΔA/D型3通道24位低功耗數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD7799，2.75-5.25 V單電源工作，典型工作電流380 μA，電壓噪聲有效值最低僅27 nV。AD7799有效分辨率23位，峰-峰分辨率20.5位（gain=1, 轉(zhuǎn)換率為4.17 Hz）。由式（2）可以計算出分辨率為：

即最小能夠分辨出2.86 V的電場值。根據(jù)艦船所產(chǎn)生靜電場與軸頻電場的量級，為留有余量，可以假設(shè)地選擇所測量的最大電場值為500 mV（在近場，當(dāng)基線Δl足夠長 到幾十米的情況下，可以達(dá)到），這樣為使其不超過3 V而飽和，系統(tǒng)能分辨出信號進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，信號的放大倍數(shù)選擇5倍較為合適。放大芯片選用功耗較低、高精度的運(yùn)算放大器INA118，其噪聲電壓密度為11nV/（10 Hz），共模抑制比為114 dB，較寬的供電電壓范圍±1.35 V到±18 V。

1.4 微控制處理器單元[5]

基于系統(tǒng)的供電電源需要進(jìn)行低功耗設(shè)計的考慮，微控制處理器選用TI公司的MSP430F2618型單片機(jī)。這是一款專門為低功耗系統(tǒng)的設(shè)計而研制的新型24位單片機(jī)，具有LPM0～LPM4五種低功耗模式，其供電電壓可以在1.8～3.6 V范圍內(nèi)變化；供電電壓為3 V時，活動模式下耗電515 μA/MIPS（MIPS：每秒百萬條指令數(shù)），LPM3模式下的工作電流僅為3 μA，I/O輸入端口的漏電流最大僅50 nA；可以外接32.768 kHz和12 M的晶振，增加了功耗和速度選擇的靈活性；系統(tǒng)從低功耗模式到活動模式只需1 μs；內(nèi)置了定時器、看門狗、比較器、12位D/A、Flash存儲器、串口通信模塊、硬件乘法器等多種外圍設(shè)備，大大簡化了硬件電路設(shè)計。

MSP430F2618與AD7799的接口電路見圖4。Signal-X1至Signal-Z2為電場3路信號，單片機(jī)P3.0至P3.2與AD控制引腳相連，AD采用4線控制方式。

圖4 單片機(jī)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路圖

2 系統(tǒng)工作流程設(shè)計[6,7]

測量系統(tǒng)主要完成的是對電場信號進(jìn)行較為及時、準(zhǔn)確地的采集與處理。在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)信號處理，需要綜合考慮運(yùn)算速度、內(nèi)存空間、系統(tǒng)功耗、抗干擾等因素，同時要求是一種容易移植、可復(fù)用、能夠適應(yīng)不同硬件平臺的系統(tǒng)，這樣才能更好地滿足測量系統(tǒng)的升級、改造等需求。本系統(tǒng)考慮了上述要求，進(jìn)行了模塊化設(shè)計，具有較好的易移植、可復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)。下面就系統(tǒng)工作流程做簡要介紹，如圖5所示。

（1）系統(tǒng)初始化：工作之前需要進(jìn)行初始化，完成單片機(jī)的 I/O、狀態(tài)寄存器、時鐘寄存器等設(shè)置。

（2）中斷服務(wù)：系統(tǒng)初始化完成后，進(jìn)入中斷模式。中斷程序盡可能編寫的較短，在中斷中完成采集、存儲功能，這樣安排也能夠從一定程度上降低功耗。

（3）數(shù)據(jù)采集存儲模式：采集數(shù)據(jù)先放到MSP430存儲器中暫存，當(dāng)達(dá)到一定字節(jié)在將其按頁寫入 Flash中，這樣做能在一定程度上提高效率，同時還能較好的降低功耗。

3 測量實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析[8]

系統(tǒng)采用干電池供電，電壓為6 V，測量數(shù)據(jù)為舟山某海域電場值，海面微波無浪，海底為泥沙底。圖6是在舟山某海域?qū)嶋H測量的DC～0.5 Hz頻段內(nèi)海洋環(huán)境電場數(shù)據(jù)時域圖。可以看出海洋環(huán)境準(zhǔn)靜態(tài)電場的峰-峰值基本在 1 mV/m以內(nèi)，有的甚至小于0.5 mV/m。總體上來看，信號相對平滑穩(wěn)定，沒有較強(qiáng)烈的曲線起伏。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

圖6 DC～0.5Hz頻段內(nèi)舟山某海域海洋環(huán)境電場信號圖

圖7為舟山某海域?qū)崪y某型船的準(zhǔn)靜電場信號圖。可明顯地發(fā)現(xiàn)：沒有艦船時，所測得的電場信號是一個較為平穩(wěn)的過程，沒有較大地起伏，信號幅值變化不大；當(dāng)艦船出現(xiàn)時，x、y、z方向上電場的幅值均會有較大變化（峰-峰值能達(dá)到上千微伏每米），持續(xù)時間大約10～20 s。

圖7 舟山某海域某型船靜電場信號圖

4 結(jié)束語

本文根據(jù)電場測量系統(tǒng)功能的要求，提出了基于MSP430型單片機(jī)的電場測量系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)解決方法和實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)能較好地完成低頻率電場信號的采集工作，具有很好的便攜性等特點(diǎn)。

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[2] 孫長國, 彭永紅, 龔沈光, 林春生. 艦船地震波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]. 探測與控制學(xué)報, 2007, 29（8）: 28～30.

[3] 王軍, 何玉堂. 基于 C8051F的船舶水下電場測量儀研制[J]. 中國修船, 2006, 19（8）: 8～9.

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[8] 胡廣書. 數(shù)字信號處理理論、算法與實(shí)現(xiàn)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2003, 460-520.