海底熱流長期觀測系統中低功耗測溫單元的設計與實現

曾　信，楊小秋*，楊　軍，于傳海，3，施小斌，丘學林

（1.中國科學院南海海洋研究所　中國科學院邊緣海地質重點實驗室，廣東　廣州　510301；2.上海海洋石油局第一海洋地質調查大隊，上海　201208；3.中國科學院大學，北京　100049）

海底熱流長期觀測系統中低功耗測溫單元的設計與實現

曾信1，楊小秋1*，楊軍2，于傳海1，3，施小斌1，丘學林1

（1.中國科學院南海海洋研究所中國科學院邊緣海地質重點實驗室，廣東廣州510301；2.上海海洋石油局第一海洋地質調查大隊，上海201208；3.中國科學院大學，北京100049）

為滿足在底水溫度波動較大的海域進行海底熱流原位長期觀測的需求，研制了一種低功耗溫度長期采集電路，并與鈦合金耐壓外殼集成為微型自容式測溫單元，在室內和海上進行了一系列測試。室內測試結果表明：當測溫電路進行連續采集時，其平均動態電流為2.1 mA；當電路不進行采集工作保持低功耗狀態時，整個測溫電路的電流消耗達到最低值，實測為4 μA，達到預期設計指標。通過將微型測溫單元捆綁在海底地震儀上，在南海西沙和東沙海域成功進行了6個站位的海底原位底水溫度長期觀測測試，獲取了最長約17 d的底水溫度波動數據，驗證了測量電路的穩定性和實用性。

海底熱流；長期觀測；低功耗；測溫電路

大地熱流是地球內部熱過程在地表（或者海底）的直接顯示，它不僅是了解地球熱散失速率的關鍵數據，同時也是開展動力學研究與重建沉積盆地演化、油氣與水合物資源潛力評價的基礎數據［1-4］。海洋占據了地球表面約3/4面積，獲取海底熱流數據，是地熱學研究中的關鍵環節。海底熱流可以通過鉆孔測溫和海底熱流探針測量得到。由于石油鉆孔和大洋鉆探鉆孔分布區域有限，而海底熱流探針便于船載，作業相對靈活，費用較低，且可根據實際科學問題和感興趣海域進行詳細的熱流測量，因此是獲取海洋熱流數據的重要手段，在全球海域內得到了廣泛應用，且目前大部分的海底熱流數據都是利用海底熱流探針測得［5-9］。

但某些海域的底水溫度往往出現較大的波動（Bottem Water Temperature Variations，BWTV），導致海底表層沉積物溫度也受到影響［10］。因此，在同一站位不同時間，通過海底熱流探針獲取的數據存在一定的波動，無法真正反映該站位的熱狀態，導致常規的海底熱流探針作業在底水溫度波動較大的海域很難獲取可靠的海底熱流數據。例如Hamamoto等在日本Nankai海槽投放了海底熱流長期觀測設備，成功獲取了海底表層沉積物不同深度處近8個月的長期溫度波動數據（圖1a，該站位水深1 040 m），并通過長時間序列的的深度-溫度-時間觀測數據，基于傅里葉頻譜分析［10-11］，從而消除周期性底水溫度波動的影響，有效獲取可靠的海底熱流參數 （圖1b）［12］。圖1中CH1是最淺層的測溫通道，CH7是最深的測溫通道。

因此，在某些底水溫度波動較大海域，非常有必要通過海底熱流長期觀測技術來獲取海底表層不同深度沉積物溫度的長期波動數據，并通過分析這些長時間序列的深度-溫度-時間數據，消除周期性底水溫度波動的影響，得到可靠的海底熱流參數。

圖1　NanKai海槽某站位沉積物不同深度的溫度-時間剖面［12］

海底熱流長期觀測技術及其測量系統在水下主要依靠電池提供能量，且工作時間需長達1～2 a。普通海底熱流微型測量單元的耐壓艙體空間很小（直徑22 mm，長200 mm），可以容納的電池體積很小，因而提供的電量十分有限；同時，電路過大的功耗必然會引起部分器件發熱，而溫度的劇烈變化將引起芯片和電路的測量誤差，導致測量精度降低。因此，長期觀測系統的低功耗性能顯得尤為重要。基于上述考慮，本文詳細介紹了海底熱流長期觀測系統中測溫單元的低功耗設計與實現。

1　低功耗設計的基本原則

在本文涉及的溫度測量單元中，功率主要消耗在集成電路上。目前集成電路主要以CMOS器件為主［13］，從微觀電路實現上看，CMOS器件組成的集成電路的功耗特性為：

從式（1）～式（2）可以看出，電路總功耗由靜態功耗Pstatic和動態功耗Pdynamic組成。靜態功耗主要來自器件的漏電流，是電路處于非工作狀態時能維持的最低功耗；動態功耗是指電路進入工作狀態后產生的功耗，它主要包括3個部分：由于邏輯跳變引起的電容充放電功耗、由于通路延時引起的競爭冒險功耗、由于電路瞬間導通引起的短路功耗。電路的總功耗是由不同種類的動態功耗和靜態功耗構成的，它們共同存在且滿足基爾霍夫電流定律［14］。一般動態功耗的大小是靜態功耗的幾十甚至上千倍，在連續工作的電路中，靜態功耗基本可以忽略。但是在低頻采樣應用中，由于電路長時間處于低功耗休眠狀態，所以靜態功耗占據了很重要一部分能量損耗，同樣需要重點考慮。

以下為一般測量電路低功耗設計的基本原則：

（1）提高系統電源轉換效率，降低系統電源電壓；

（2）在滿足系統設計指標的情況下，盡可能簡化電路，精簡元器件數量；

（3）電路模塊化的電源管理設計，由單片機進行分區、分時供電；

（4）選用低功耗元器件，或者集成度高、有休眠功能的元器件；

（5）滿足功能前提下，為電路設計較低的驅動電流、時鐘頻率等；

（6）單片機的低功耗程序設計。

結合上述低功耗設計基本原則與海底熱流數據采集的實際應用，下文將詳細描述溫度測量單元的低功耗設計及實現。

2　低功耗測溫單元的設計與實現

2.1硬件框架

圖2是海底熱流長期觀測系統中測溫單元電路原理框圖。電路主要分6個模塊：單片機主導水下自容式或交互式工作，實現對海底沉積物溫度和測溫單元姿態的測量；測得的數據存儲在存儲模塊，也可以通過通訊模塊上傳給上位機；單片機通過兩線半雙工通訊方式接受上位機的設置參數和命令，并反饋回測量數據；所有模塊都由電源模塊單獨提供電源，并且每一路電源都可以在單片機控制下獨立開啟和關斷，實現各模塊電源的低功耗管理。

圖2　溫度測量單元電路原理框圖

2.2具體設計

下面詳細介紹各模塊的低功耗設計：

（1）電源模塊。普通電子元件的電氣特性為電源電壓越低（在合理范圍內），其消耗的電流越低，因此為電路提供較低的電源電壓有助于節約電能。綜合考慮之后，電路采用3.0 V的工作電壓，既滿足了各器件的電源要求，又盡可能地保證了模擬信號的信噪比。

電池電壓比工作電壓高，出于降壓和穩壓的目的，需要選用電壓轉換器將電池提供的高電壓降到3.0 V供電路使用。在選用線性電壓轉換器件時，高低電壓轉換過程中造成了電能損耗：

式中：PVDD為電壓轉換過程中的損耗功率；Vin為電源輸入電壓（電池輸出電壓）；Vout為電壓轉換器輸出電壓（本文中即3.0 V）；Iout為電路消耗的電流。為了降低該損耗PVDD，應當選用較低額定輸出電壓的電池。同時，電池體積相同的情況下，額定輸出電壓低的電池具有更大的容量，具有更長的使用壽命。本設計中選用了輸出電壓為3.7 V的鋰離子電池。

使用降壓型DC-DC轉換器可以將電壓轉換效率控制在90%以上，但是DC-DC器件容易引入較大的輸出紋波和高頻噪聲，不利于高精度、高分辨率測量，因此不予采用。本設計中選用低壓差線性穩壓（LDO）芯片MCP1700T-3002。該芯片為3.0 V輸出，輸出250 mA電流時最大輸入-輸出壓差為175 mV，可以保證電池輸出電壓在大于3.175 V的范圍內都可以工作。這種超低壓差的特性可以使電池電量釋放到一個很低的水平，保證電池的電量得到充分利用。同時，該芯片的典型靜態電流低至1.6 μA，這對于工作時間長達1 a的測溫單元而言，無疑可以節省大量的靜態功耗。

（2）單片機控制核心。測溫單元在工作過程中，單片機需要具備如下功能和外設資源：用于數據采集的同步串行通訊（SPI）、用于數據和命令傳輸的異步串行通訊（UART）、用于電池電壓監測和姿態監測的模數轉換器（AD）、用于精確延時的定時計數器（TIMER）、實時時鐘（RTC）、用于外部中斷輸入和電源管理的多個I/O引腳、至少1 kByte的易失性隨機存儲器（RAM）。因此，需要選擇集成度較高的單片機，同時要兼顧其低功耗性能。

本設計中選擇的是STM8L151單片機。該芯片除了具備上述硬件功能外，還具有多種低功耗模式，其中停機模式（halt）僅消耗350 nA，帶RTC喚醒的活躍停機模式（Active-halt）僅消耗電流1.3 μA。由于測溫單元在海底工作時，絕大部分時間都處在休眠狀態，因此這兩種低功耗模式的應用可以極大的降低測溫單元休眠時的靜態功耗。

以單片機為例，電路中芯片的選型都是以滿足性能要求為前提，盡可能選擇功耗低的器件，下文不再贅述。

圖3　溫度與姿態測量電路原理圖

（3）溫度測量電路與姿態測量電路。如圖3所示，為提高測溫精度，選用低噪聲基準電壓源ADR380為鉑電阻傳感器Pt1000提供電流激勵。在限流電阻R3的作用下，鉑電阻工作電流約為0.2 mA，使輸出的電壓信號具有較高的信噪比并降低了電路功耗。溫度測量電路中，由于鉑電阻傳感器與電路板一起封裝在微型測溫單元里面，傳感器輸出阻抗小，且由于金屬外殼的屏蔽作用，信號不容易受到外界干擾，所以可以省去信號調理電路中常用的電壓跟隨器，傳感器輸出信號直接送入AD轉換器，減少了IC的使用，降低了電路功耗。

姿態測量電路中，同樣為了簡化電路，充分利用單片機STM8L151內部自帶多通道AD轉換器的特點，選用模擬信號輸出的姿態傳感器HAAM-313B，并將三軸姿態信號x，y，z經過濾波后直接送入單片機內部AD中。

這些舉措都在保證了測量精度的同時，簡化了電路，降低了功耗。

（4）通訊電路。加工好的測溫電路將裝入不銹鋼耐壓艙體中，并通過耐壓艙體的外殼與上位機實現串口通訊（見圖4）。因為不銹鋼外殼只能提供兩個觸點與電路板相連，所以電路板的通訊只能使用兩根信號線實現串口通訊。這里我們充分利用了STM8單片機獨特的硬件半雙工串口功能（Half Duplex UART），直接將單片機的RX/TX引腳與電路GND分別連接到不銹鋼金屬外殼的兩個觸點上，通過編寫與上位機對應的通訊協議，實現了兩線制串口通訊。在本通訊電路中，由于不需要進行遠距離和高速率通訊，所以不需要增加串口芯片進行通訊信號轉換，直接使用單片機與單片機之間的UART通訊，省去了常用串口通訊電路引起的電能損耗，同時精簡的電路板體積，使得耐壓艙體中有更大的空間容納電池。

圖4　兩線半雙工串口通訊示意圖

（5）存儲電路。存儲電路由兩個存儲器組成，如圖5所示，一個是鐵電存儲器FM25V20，一個是FLASH型存儲器W25Q256。鐵電存儲器（FRAM）是新一代存儲介質，它將ROM的非易失性數據存儲特性和RAM的無限次讀寫、高速讀寫等優勢結合在一起，尤為重要的是它刷新了目前主流存儲芯片的最低工作電流（讀寫操作時小于1 mA），唯一不足的地方是由于鐵電技術還在發展中，單顆存儲器的容量最大只有2 Mbit。因此，當電路的采樣率不高，數據量較少時，使用它當存儲器是最理想的選擇。本設計中，測溫單元一次要存儲的數據包大小是12 Byte，按每秒鐘采集一次的頻率，連續采集一個月的數據量是1.29 MByte，此時，鐵電存儲器的存儲空間就不夠用了。因此電路中采用了FLASH型存儲器W25Q256作為大容量存儲器。該存儲器是典型的FLASH型存儲器，體積小容量大。W25Q256具有256 Mbit存儲空間，按每秒鐘一次的采樣率，可以存儲24個月的數據量，因此可以保存長時間測溫獲取的大容量數據。

在大容量數據采集的場合，直接將每一次采集得到的數據存入FLASH存儲器顯然是不明智的，這樣不僅浪費了存儲空間，而且在每一次上電、寫入過程中造成了時間的浪費，間接造成了電能的浪費。最佳的存儲方式是：單片機每次將采集的數據寫入FRAM，直到FRAM快存滿，此時單片機連續讀出FRAM中的所有數據，通過直接存儲器訪問技術（DMA，單片機內部的一種高速數據轉移方式）快速連續地寫入FLASH存儲器。此后，將FRAM清空，新采集的數據繼續存到FRAM中，直到再次存滿。這樣，通過縮短數據寫入FLASH的時間可以節省大量電能。

圖5　存儲電路原理圖

（6）電路模塊化的電源管理設計。雖然電路中的芯片都具有低功耗特性，有些芯片甚至有關斷功能（比如AD7789在Shut-Down模式時只消耗電流1 μA），但在實際的海底熱流長期觀測中，電路絕大部分時間處在休眠模式，微小的靜態電流長時間累加起來依然會造成不少的電能浪費。因此，為了最大限度的減小靜態功耗，有必要實現電路模塊化的電源管理，在單片機的控制下實現分區、分時供電。

如圖6所示，電路中不同功能模塊的電源都是獨立的，在每一路電源中串接一個PNP型MOS管，實現每路電源可以在單片機I/O口的控制下被單獨打開或關閉。MOS管具有功耗低、導通電阻小等優點，可以完美地充當小電流電路的上電開關。當電路處于休眠狀態時，溫度、姿態、存儲電路的電源都可以被關閉，此時這幾個電路基本上不消耗電流，實現了最低的靜態功耗。當定時器提示采集時間到，單片機通過I/O口輸出電平的變化控制MOS管導通，實現溫度、姿態電路上電，采集完溫度、姿態數據后，再將其電源關閉。此時打開存儲電路的電源，將數據存入存儲器后，再關閉存儲電路的電源。電源模塊的動態管理，可以最大限度地降低靜態電流，特別是當電路比較復雜，功能模塊比較多的時候優勢特別明顯。

圖6　模塊化電源管理框圖

2.3軟件設計

一般而言，硬件的設計決定了總功耗特別是靜態功耗的下限，而軟件的低功耗設計則可以提高動態功耗的利用效率，兩者相結合，才能實現電路的最低功耗。

在本系統中，采用了如下軟件設計舉措，節約電能損耗：

（1）本測溫單元是一個低速率的采樣系統，電路大部分時間處于休眠狀態，因此單片機采用休眠-中斷喚醒-休眠的軟件結構，充分利用了單片機的低功耗休眠模式和多種中斷喚醒功能（如RTC喚醒、外部中斷喚醒等），最大化地延長電路的休眠時間。

（2）單片機在工作過程中，要間歇性地使用其內部或者外部的資源，比如定時器、A/D轉換器等，這些資源在使用完畢后及時關閉可以節省不必要的電流損耗。單片機內部的資源通過配置相關寄存器實現關閉；外部的器件通過釋放其片選信號或者命令其進入休眠模式實現關閉，無法進入休眠的電路模塊（比如溫度測量模塊中的外部參考電壓芯片ADR381），則通過電源管理模塊直接將整個溫度測量模塊的電源切斷；

（3）單片機的時鐘速率是跟功耗成正比的，當程序從單片機內部Flash開始運行時，供電電流的計算公式如下:

式中：Freq即CPU運行頻率，上述公式表明CPU運行速率越快，消耗的電流越大。因此根據系統實際情況選擇合適單片機的時鐘速率，有助于降低功耗。綜合考慮系統運行速度和功耗的關系，本系統選擇2 MHz作為CPU主時鐘，實測運行電流為0.7 mA，既滿足了單片機進行復雜數學運算和高速數據傳輸的需求，又節省了電能。

（4）對于使用頻率較高的子程序，直接將其代碼融入主程序中，避免了主程序頻繁跳轉至子程序時造成的時間浪費，同樣節約了能量。

3　測試及結果分析

測溫單元電路在焊接、集成完成后（圖7），對其進行了一系列室內測試與海試。

圖7　測溫電路與集成后的微型測溫單元實物圖

3.1電路功耗測試

對各主要元器件的耗電量進行分別測試時，通過在電源端串接一個電流表，可以測量到整個電路板總體電流。同時，每焊接一個元器件后讀取并記錄電流表的增加示數，新增的部分即為新焊接上的元器件所消耗的電流。表1顯示了測溫電路中各主要元器件的實測耗電量。從表中可以看出，各主要元器件的耗電量與器件數據表中描述的基本相符，保持了較低的電流消耗，符合預期設計指標。

電路板全部焊接完成后，對其進行整體耗電量測試。當測溫單元進行連續采集時，其平均動態電流為2.1 mA，此時為電路板的最大耗電狀態。當電路不進行采集工作時，溫度與姿態模塊、存儲模塊的電源被直接切斷，單片機進入Active-halt低功耗模式，整個測溫電路的電流消耗達到最低值，實測為4.0 μA。此時單片機需要通過內部運行的RTC定時器或者外部通訊中斷來喚醒。

表1　主要芯片的實測耗電量（Vin=3.7 V）

3.2海底原位長期測試

由于微型測溫單元質量輕，體積小，不會影響海底地震儀（OBS）的正常布放和回收，因此我們通過將微型測溫單元捆綁在OBS上（圖8b），借助OBS的自浮式作業進行海底原位底水溫度長期觀測試驗，以檢驗測溫電路的性能并獲取相關海域的底水溫度波動數據。分別于2013年和2014年在南海北部東沙、西沙等海域一共進行了12個站位的試驗，并成功獲取了其中6個站位的底水溫度波動數據（圖8a中紅色圓圈所示）。表2列出了這6個站位的相關信息。

需要說明的是，2013年使用的微型測溫單元為常規站位使用型，不具有低功耗功能，最長只能維持約40 h的工作時間，因此2013年的2個站位只獲得了約40 h的底水溫度波動數據。而2014年使用了經過低功耗改造后的新版微型測溫單元，理論工作時間可達1 a以上，因OBS在海底最長只工作了17 d左右，因此新版微型測溫單元也只獲得了17 d的底水溫度波動數據。

圖8　（a）成功獲取數據的站位分布圖；（b）微型測溫單元和OBS實物

圖9（a）、（b）分別顯示了SCS2013-OBS05、SCS2014-OBS30站位的底水溫度-時間數據曲線。圖中下方的紅色曲線是溫度變化曲線（對應左邊Y軸），上方較粗的藍色曲線是探針的姿態（傾角）變化曲線（對應右邊Y軸）；橫坐標X軸代表時間，兩圖中的X軸分別以s和d為主刻度。

在海試過程中，測溫單元長期工作穩定，測溫分辨率高（約1 mK），能很好地觀測到底水溫度微弱的波動。同時，試驗證明經過低功耗改進后的微型測溫單元，其工作時間長度已經遠遠大于之前的普通站位式微型測溫單元。

通過對觀測數據的解讀可以得知：我國南海北部西沙海域底水溫度存在較大波動，水深1 200 m左右的海底，其底水溫度波動達到0.18℃（40 h內）；水深900 m左右的海底，其底水溫度波動達到0.42℃（48 h內）；而東沙海域水深2 600～3 350 m的底水溫度波動非常小（16～17 d內），溫度波動在0.025～0.127℃范圍內，并且如SCS2014-OBS30所展示的那樣，深達2 815 m的海底底水溫度波動具有以1 d為周期的高頻分量。

圖9　底水溫度—時間數據曲線

由此可知，我國南海北部淺水區底水溫度波動確實存在，但不同海域，其波動程度不盡相同。觀測數據顯示西沙海域波動較大，一個是因為其站位水深較淺，另外一個原因可能是沿著西沙海槽的強底流導致，這勢必會對海底表層沉積物溫度分布造成較大影響，從而導致傳統的站位式測量無法獲取可靠的海底地熱參數；而東沙海域2 600 m以深的海域，其底水溫度波動非常微弱，因此對海底表層沉積物地溫分布的影響不大。這些觀測數據不僅為我們今后選擇海底熱流長期觀測站位提供了直接依據，同時也可用于評價之前利用海底熱流探針獲取的地熱參數的可靠性。

4　結論

（1）測溫電路經過室內測試，精確測得了其低功耗數據，達到了軟硬件設計的預期；經過海底原位長期測試，證明測溫電路工作穩定，數據質量良好，能很好地滿足海底熱流長期測量需求；

（2）獲取的底水溫度長期觀測數據，反映了我國南海東北部部分海域的底水溫度波動情況，具有進一步科學研究價值。

致謝：感謝2013和2014年度中國科學院南海海洋研究所“實驗2號”科考船進行的國家自然科學基金委南海北部地球物理航次 （航次編號：NORC2013-08、NORC2014-08）的全體科考人員和船員，是他們的辛勤勞動和積極配合才使得海試工作得以安全、順利完成。

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Design and Implementation of the Low-Power Temperature Measuring Circuit for Long-term Heat Flow Observation

ZENG Xin1，YANG Xiao-qiu1，YANG Jun2，YU Chuan-hai1，3，SHI Xiao-bin1，QIU Xue-lin1
1.CAS Key Laboratory of Marginal Sea Geology，South China Sea Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510301，Guangdong Province，China；
2.First Marine Geological Survey Brigade，Shanghai Offshore Petroleum Administration，Shanghai 201208，China；
3.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

To meet the needs of in-situ long-term observation on seafloor heat flow in sea areas with obvious water temperature variation，a kind of low-power and long-term temperature measuring circuit is designed and then integrated with titanium alloy pressure-resistance shell to form a micro self-contained temperature measuring probe，which has undergone a series of laboratory and sea tests.The results from laboratory tests show that when the circuit conducts continuous acquisition，the average dynamic current is 2.1 mA；and when the circuit stops working and keeps in low power consumption state，the whole circuit only expends 4 μA current，reaching expected design requirements.Meanwhile，in-situ long-term observation on water temperature is successfully carried out for 6 sites in the Xisha and Dongsha Areas in the South China Sea by bundling the temperature measuring probe to the seafloor seismometer.The variation data of water temperature are obtained with the longest period of 17 d，so as to validate the stability and practicability of the low-power temperature measuring circuit.

seafloor heat flow；long-term observation；low power consumption；temperature measuring circuit

P716

A

1003-2029（2016）02-0001-08

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.001

2015-12-24

國家自然科學基金資助項目（41474065，41106086）；中國科學院科研裝備研制項目資助（YZ201136）；中國科學院戰略性先導科技專項子課題資助項目（XDA11040303）；國家海洋局海底科學重點實驗開放基金資助項目（KLSG1502）

曾信（1987-），男，碩士，研究實習員，主要從事海底熱流測量儀器開發。E-mail:zengxin@scsio.ac.cn

楊小秋（1981-），男，博士，副研究員，主要從事地熱地質與熱流探測原理研究及技術研發。E-mail:yxq2081@scsio.ac.cn