曾　信，楊小秋*，楊　軍，于傳海，3，施小斌，丘學(xué)林

（1.中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所　中國(guó)科學(xué)院邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東　廣州　510301；2.上海海洋石油局第一海洋地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)，上海　201208；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京　100049）

海底熱流長(zhǎng)期觀測(cè)系統(tǒng)中低功耗測(cè)溫單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曾信1，楊小秋1*，楊軍2，于傳海1，3，施小斌1，丘學(xué)林1

（1.中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所中國(guó)科學(xué)院邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510301；2.上海海洋石油局第一海洋地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)，上海201208；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

為滿(mǎn)足在底水溫度波動(dòng)較大的海域進(jìn)行海底熱流原位長(zhǎng)期觀測(cè)的需求，研制了一種低功耗溫度長(zhǎng)期采集電路，并與鈦合金耐壓外殼集成為微型自容式測(cè)溫單元，在室內(nèi)和海上進(jìn)行了一系列測(cè)試。室內(nèi)測(cè)試結(jié)果表明：當(dāng)測(cè)溫電路進(jìn)行連續(xù)采集時(shí)，其平均動(dòng)態(tài)電流為2.1 mA；當(dāng)電路不進(jìn)行采集工作保持低功耗狀態(tài)時(shí)，整個(gè)測(cè)溫電路的電流消耗達(dá)到最低值，實(shí)測(cè)為4 μA，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)。通過(guò)將微型測(cè)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(jìn)行了6個(gè)站位的海底原位底水溫度長(zhǎng)期觀測(cè)測(cè)試，獲取了最長(zhǎng)約17 d的底水溫度波動(dòng)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了測(cè)量電路的穩(wěn)定性和實(shí)用性。

海底熱流；長(zhǎng)期觀測(cè)；低功耗；測(cè)溫電路

大地?zé)崃魇堑厍騼?nèi)部熱過(guò)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(guān)鍵數(shù)據(jù)，同時(shí)也是開(kāi)展動(dòng)力學(xué)研究與重建沉積盆地演化、油氣與水合物資源潛力評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［1-4］。海洋占據(jù)了地球表面約3/4面積，獲取海底熱流數(shù)據(jù)，是地?zé)釋W(xué)研究中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。海底熱流可以通過(guò)鉆孔測(cè)溫和海底熱流探針測(cè)量得到。由于石油鉆孔和大洋鉆探鉆孔分布區(qū)域有限，而海底熱流探針便于船載，作業(yè)相對(duì)靈活，費(fèi)用較低，且可根據(jù)實(shí)際科學(xué)問(wèn)題和感興趣海域進(jìn)行詳細(xì)的熱流測(cè)量，因此是獲取海洋熱流數(shù)據(jù)的重要手段，在全球海域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，且目前大部分的海底熱流數(shù)據(jù)都是利用海底熱流探針測(cè)得［5-9］。

但某些海域的底水溫度往往出現(xiàn)較大的波動(dòng)（Bottem Water Temperature Variations，BWTV），導(dǎo)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(shí)間，通過(guò)海底熱流探針獲取的數(shù)據(jù)存在一定的波動(dòng)，無(wú)法真正反映該站位的熱狀態(tài)，導(dǎo)致常規(guī)的海底熱流探針作業(yè)在底水溫度波動(dòng)較大的海域很難獲取可靠的海底熱流數(shù)據(jù)。例如Hamamoto等在日本Nankai海槽投放了海底熱流長(zhǎng)期觀測(cè)設(shè)備，成功獲取了海底表層沉積物不同深度處近8個(gè)月的長(zhǎng)期溫度波動(dòng)數(shù)據(jù)（圖1a，該站位水深1 040 m），并通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間序列的的深度-溫度-時(shí)間觀測(cè)數(shù)據(jù)，基于傅里葉頻譜分析［10-11］，從而消除周期性底水溫度波動(dòng)的影響，有效獲取可靠的海底熱流參數(shù) （圖1b）［12］。圖1中CH1是最淺層的測(cè)溫通道，CH7是最深的測(cè)溫通道。

因此，在某些底水溫度波動(dòng)較大海域，非常有必要通過(guò)海底熱流長(zhǎng)期觀測(cè)技術(shù)來(lái)獲取海底表層不同深度沉積物溫度的長(zhǎng)期波動(dòng)數(shù)據(jù)，并通過(guò)分析這些長(zhǎng)時(shí)間序列的深度-溫度-時(shí)間數(shù)據(jù)，消除周期性底水溫度波動(dòng)的影響，得到可靠的海底熱流參數(shù)。

圖1　NanKai海槽某站位沉積物不同深度的溫度-時(shí)間剖面［12］

海底熱流長(zhǎng)期觀測(cè)技術(shù)及其測(cè)量系統(tǒng)在水下主要依靠電池提供能量，且工作時(shí)間需長(zhǎng)達(dá)1～2 a。普通海底熱流微型測(cè)量單元的耐壓艙體空間很小（直徑22 mm，長(zhǎng)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(shí)，電路過(guò)大的功耗必然會(huì)引起部分器件發(fā)熱，而溫度的劇烈變化將引起芯片和電路的測(cè)量誤差，導(dǎo)致測(cè)量精度降低。因此，長(zhǎng)期觀測(cè)系統(tǒng)的低功耗性能顯得尤為重要?；谏鲜隹紤]，本文詳細(xì)介紹了海底熱流長(zhǎng)期觀測(cè)系統(tǒng)中測(cè)溫單元的低功耗設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1　低功耗設(shè)計(jì)的基本原則

在本文涉及的溫度測(cè)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(shí)現(xiàn)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(tài)功耗Pstatic和動(dòng)態(tài)功耗Pdynamic組成。靜態(tài)功耗主要來(lái)自器件的漏電流，是電路處于非工作狀態(tài)時(shí)能維持的最低功耗；動(dòng)態(tài)功耗是指電路進(jìn)入工作狀態(tài)后產(chǎn)生的功耗，它主要包括3個(gè)部分：由于邏輯跳變引起的電容充放電功耗、由于通路延時(shí)引起的競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)功耗、由于電路瞬間導(dǎo)通引起的短路功耗。電路的總功耗是由不同種類(lèi)的動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗構(gòu)成的，它們共同存在且滿(mǎn)足基爾霍夫電流定律［14］。一般動(dòng)態(tài)功耗的大小是靜態(tài)功耗的幾十甚至上千倍，在連續(xù)工作的電路中，靜態(tài)功耗基本可以忽略。但是在低頻采樣應(yīng)用中，由于電路長(zhǎng)時(shí)間處于低功耗休眠狀態(tài)，所以靜態(tài)功耗占據(jù)了很重要一部分能量損耗，同樣需要重點(diǎn)考慮。

以下為一般測(cè)量電路低功耗設(shè)計(jì)的基本原則：

（1）提高系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換效率，降低系統(tǒng)電源電壓；

（2）在滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的情況下，盡可能簡(jiǎn)化電路，精簡(jiǎn)元器件數(shù)量；

（3）電路模塊化的電源管理設(shè)計(jì)，由單片機(jī)進(jìn)行分區(qū)、分時(shí)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(mǎn)足功能前提下，為電路設(shè)計(jì)較低的驅(qū)動(dòng)電流、時(shí)鐘頻率等；

（6）單片機(jī)的低功耗程序設(shè)計(jì)。

結(jié)合上述低功耗設(shè)計(jì)基本原則與海底熱流數(shù)據(jù)采集的實(shí)際應(yīng)用，下文將詳細(xì)描述溫度測(cè)量單元的低功耗設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。

2　低功耗測(cè)溫單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1硬件框架

圖2是海底熱流長(zhǎng)期觀測(cè)系統(tǒng)中測(cè)溫單元電路原理框圖。電路主要分6個(gè)模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)主導(dǎo)水下自容式或交互式工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)海底沉積物溫度和測(cè)溫單元姿態(tài)的測(cè)量；測(cè)得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊，也可以通過(guò)通訊模塊上傳給上位機(jī)；單片機(jī)通過(guò)兩線半雙工通訊方式接受上位機(jī)的設(shè)置參數(shù)和命令，并反饋回測(cè)量數(shù)據(jù)；所有模塊都由電源模塊單獨(dú)提供電源，并且每一路電源都可以在單片機(jī)控制下獨(dú)立開(kāi)啟和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)各模塊電源的低功耗管理。

圖2　溫度測(cè)量單元電路原理框圖

2.2具體設(shè)計(jì)

下面詳細(xì)介紹各模塊的低功耗設(shè)計(jì)：

（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(nèi)），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(jié)約電能。綜合考慮之后，電路采用3.0 V的工作電壓，既滿(mǎn)足了各器件的電源要求，又盡可能地保證了模擬信號(hào)的信噪比。

電池電壓比工作電壓高，出于降壓和穩(wěn)壓的目的，需要選用電壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器件時(shí)，高低電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程中造成了電能損耗：

式中：PVDD為電壓轉(zhuǎn)換過(guò)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(zhuǎn)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(yīng)當(dāng)選用較低額定輸出電壓的電池。同時(shí)，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(zhǎng)的使用壽命。本設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換器可以將電壓轉(zhuǎn)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(cè)量，因此不予采用。本設(shè)計(jì)中選用低壓差線性穩(wěn)壓（LDO）芯片MCP1700T-3002。該芯片為3.0 V輸出，輸出250 mA電流時(shí)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(nèi)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(gè)很低的水平，保證電池的電量得到充分利用。同時(shí)，該芯片的典型靜態(tài)電流低至1.6 μA，這對(duì)于工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1 a的測(cè)溫單元而言，無(wú)疑可以節(jié)省大量的靜態(tài)功耗。

（2）單片機(jī)控制核心。測(cè)溫單元在工作過(guò)程中，單片機(jī)需要具備如下功能和外設(shè)資源：用于數(shù)據(jù)采集的同步串行通訊（SPI）、用于數(shù)據(jù)和命令傳輸?shù)漠惒酱型ㄓ崳║ART）、用于電池電壓監(jiān)測(cè)和姿態(tài)監(jiān)測(cè)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD）、用于精確延時(shí)的定時(shí)計(jì)數(shù)器（TIMER）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、用于外部中斷輸入和電源管理的多個(gè)I/O引腳、至少1 kByte的易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）。因此，需要選擇集成度較高的單片機(jī)，同時(shí)要兼顧其低功耗性能。

本設(shè)計(jì)中選擇的是STM8L151單片機(jī)。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(jī)模式（halt）僅消耗350 nA，帶RTC喚醒的活躍停機(jī)模式（Active-halt）僅消耗電流1.3 μA。由于測(cè)溫單元在海底工作時(shí)，絕大部分時(shí)間都處在休眠狀態(tài)，因此這兩種低功耗模式的應(yīng)用可以極大的降低測(cè)溫單元休眠時(shí)的靜態(tài)功耗。

以單片機(jī)為例，電路中芯片的選型都是以滿(mǎn)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(tài)測(cè)量電路原理圖

（3）溫度測(cè)量電路與姿態(tài)測(cè)量電路。如圖3所示，為提高測(cè)溫精度，選用低噪聲基準(zhǔn)電壓源ADR380為鉑電阻傳感器Pt1000提供電流激勵(lì)。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(hào)具有較高的信噪比并降低了電路功耗。溫度測(cè)量電路中，由于鉑電阻傳感器與電路板一起封裝在微型測(cè)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(hào)不容易受到外界干擾，所以可以省去信號(hào)調(diào)理電路中常用的電壓跟隨器，傳感器輸出信號(hào)直接送入AD轉(zhuǎn)換器，減少了IC的使用，降低了電路功耗。

姿態(tài)測(cè)量電路中，同樣為了簡(jiǎn)化電路，充分利用單片機(jī)STM8L151內(nèi)部自帶多通道AD轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)，選用模擬信號(hào)輸出的姿態(tài)傳感器HAAM-313B，并將三軸姿態(tài)信號(hào)x，y，z經(jīng)過(guò)濾波后直接送入單片機(jī)內(nèi)部AD中。

這些舉措都在保證了測(cè)量精度的同時(shí)，簡(jiǎn)化了電路，降低了功耗。

（4）通訊電路。加工好的測(cè)溫電路將裝入不銹鋼耐壓艙體中，并通過(guò)耐壓艙體的外殼與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)串口通訊（見(jiàn)圖4）。因?yàn)椴讳P鋼外殼只能提供兩個(gè)觸點(diǎn)與電路板相連，所以電路板的通訊只能使用兩根信號(hào)線實(shí)現(xiàn)串口通訊。這里我們充分利用了STM8單片機(jī)獨(dú)特的硬件半雙工串口功能（Half Duplex UART），直接將單片機(jī)的RX/TX引腳與電路GND分別連接到不銹鋼金屬外殼的兩個(gè)觸點(diǎn)上，通過(guò)編寫(xiě)與上位機(jī)對(duì)應(yīng)的通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了兩線制串口通訊。在本通訊電路中，由于不需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離和高速率通訊，所以不需要增加串口芯片進(jìn)行通訊信號(hào)轉(zhuǎn)換，直接使用單片機(jī)與單片機(jī)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(shí)精簡(jiǎn)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(chǔ)電路。存儲(chǔ)電路由兩個(gè)存儲(chǔ)器組成，如圖5所示，一個(gè)是鐵電存儲(chǔ)器FM25V20，一個(gè)是FLASH型存儲(chǔ)器W25Q256。鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）是新一代存儲(chǔ)介質(zhì)，它將ROM的非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)特性和RAM的無(wú)限次讀寫(xiě)、高速讀寫(xiě)等優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起，尤為重要的是它刷新了目前主流存儲(chǔ)芯片的最低工作電流（讀寫(xiě)操作時(shí)小于1 mA），唯一不足的地方是由于鐵電技術(shù)還在發(fā)展中，單顆存儲(chǔ)器的容量最大只有2 Mbit。因此，當(dāng)電路的采樣率不高，數(shù)據(jù)量較少時(shí)，使用它當(dāng)存儲(chǔ)器是最理想的選擇。本設(shè)計(jì)中，測(cè)溫單元一次要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包大小是12 Byte，按每秒鐘采集一次的頻率，連續(xù)采集一個(gè)月的數(shù)據(jù)量是1.29 MByte，此時(shí)，鐵電存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間就不夠用了。因此電路中采用了FLASH型存儲(chǔ)器W25Q256作為大容量存儲(chǔ)器。該存儲(chǔ)器是典型的FLASH型存儲(chǔ)器，體積小容量大。W25Q256具有256 Mbit存儲(chǔ)空間，按每秒鐘一次的采樣率，可以存儲(chǔ)24個(gè)月的數(shù)據(jù)量，因此可以保存長(zhǎng)時(shí)間測(cè)溫獲取的大容量數(shù)據(jù)。

在大容量數(shù)據(jù)采集的場(chǎng)合，直接將每一次采集得到的數(shù)據(jù)存入FLASH存儲(chǔ)器顯然是不明智的，這樣不僅浪費(fèi)了存儲(chǔ)空間，而且在每一次上電、寫(xiě)入過(guò)程中造成了時(shí)間的浪費(fèi)，間接造成了電能的浪費(fèi)。最佳的存儲(chǔ)方式是：?jiǎn)纹瑱C(jī)每次將采集的數(shù)據(jù)寫(xiě)入FRAM，直到FRAM快存滿(mǎn)，此時(shí)單片機(jī)連續(xù)讀出FRAM中的所有數(shù)據(jù)，通過(guò)直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)技術(shù)（DMA，單片機(jī)內(nèi)部的一種高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移方式）快速連續(xù)地寫(xiě)入FLASH存儲(chǔ)器。此后，將FRAM清空，新采集的數(shù)據(jù)繼續(xù)存到FRAM中，直到再次存滿(mǎn)。這樣，通過(guò)縮短數(shù)據(jù)寫(xiě)入FLASH的時(shí)間可以節(jié)省大量電能。

圖5　存儲(chǔ)電路原理圖

（6）電路模塊化的電源管理設(shè)計(jì)。雖然電路中的芯片都具有低功耗特性，有些芯片甚至有關(guān)斷功能（比如AD7789在Shut-Down模式時(shí)只消耗電流1 μA），但在實(shí)際的海底熱流長(zhǎng)期觀測(cè)中，電路絕大部分時(shí)間處在休眠模式，微小的靜態(tài)電流長(zhǎng)時(shí)間累加起來(lái)依然會(huì)造成不少的電能浪費(fèi)。因此，為了最大限度的減小靜態(tài)功耗，有必要實(shí)現(xiàn)電路模塊化的電源管理，在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)分區(qū)、分時(shí)供電。

如圖6所示，電路中不同功能模塊的電源都是獨(dú)立的，在每一路電源中串接一個(gè)PNP型MOS管，實(shí)現(xiàn)每路電源可以在單片機(jī)I/O口的控制下被單獨(dú)打開(kāi)或關(guān)閉。MOS管具有功耗低、導(dǎo)通電阻小等優(yōu)點(diǎn)，可以完美地充當(dāng)小電流電路的上電開(kāi)關(guān)。當(dāng)電路處于休眠狀態(tài)時(shí)，溫度、姿態(tài)、存儲(chǔ)電路的電源都可以被關(guān)閉，此時(shí)這幾個(gè)電路基本上不消耗電流，實(shí)現(xiàn)了最低的靜態(tài)功耗。當(dāng)定時(shí)器提示采集時(shí)間到，單片機(jī)通過(guò)I/O口輸出電平的變化控制MOS管導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)溫度、姿態(tài)電路上電，采集完溫度、姿態(tài)數(shù)據(jù)后，再將其電源關(guān)閉。此時(shí)打開(kāi)存儲(chǔ)電路的電源，將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器后，再關(guān)閉存儲(chǔ)電路的電源。電源模塊的動(dòng)態(tài)管理，可以最大限度地降低靜態(tài)電流，特別是當(dāng)電路比較復(fù)雜，功能模塊比較多的時(shí)候優(yōu)勢(shì)特別明顯。

圖6　模塊化電源管理框圖

2.3軟件設(shè)計(jì)

一般而言，硬件的設(shè)計(jì)決定了總功耗特別是靜態(tài)功耗的下限，而軟件的低功耗設(shè)計(jì)則可以提高動(dòng)態(tài)功耗的利用效率，兩者相結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)電路的最低功耗。

在本系統(tǒng)中，采用了如下軟件設(shè)計(jì)舉措，節(jié)約電能損耗：

（1）本測(cè)溫單元是一個(gè)低速率的采樣系統(tǒng)，電路大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，因此單片機(jī)采用休眠-中斷喚醒-休眠的軟件結(jié)構(gòu)，充分利用了單片機(jī)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(zhǎng)電路的休眠時(shí)間。

（2）單片機(jī)在工作過(guò)程中，要間歇性地使用其內(nèi)部或者外部的資源，比如定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換器等，這些資源在使用完畢后及時(shí)關(guān)閉可以節(jié)省不必要的電流損耗。單片機(jī)內(nèi)部的資源通過(guò)配置相關(guān)寄存器實(shí)現(xiàn)關(guān)閉；外部的器件通過(guò)釋放其片選信號(hào)或者命令其進(jìn)入休眠模式實(shí)現(xiàn)關(guān)閉，無(wú)法進(jìn)入休眠的電路模塊（比如溫度測(cè)量模塊中的外部參考電壓芯片ADR381），則通過(guò)電源管理模塊直接將整個(gè)溫度測(cè)量模塊的電源切斷；

（3）單片機(jī)的時(shí)鐘速率是跟功耗成正比的，當(dāng)程序從單片機(jī)內(nèi)部Flash開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，供電電流的計(jì)算公式如下:

式中：Freq即CPU運(yùn)行頻率，上述公式表明CPU運(yùn)行速率越快，消耗的電流越大。因此根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況選擇合適單片機(jī)的時(shí)鐘速率，有助于降低功耗。綜合考慮系統(tǒng)運(yùn)行速度和功耗的關(guān)系，本系統(tǒng)選擇2 MHz作為CPU主時(shí)鐘，實(shí)測(cè)運(yùn)行電流為0.7 mA，既滿(mǎn)足了單片機(jī)進(jìn)行復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，又?jié)省了電能。

（4）對(duì)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(zhuǎn)至子程序時(shí)造成的時(shí)間浪費(fèi)，同樣節(jié)約了能量。

3　測(cè)試及結(jié)果分析

測(cè)溫單元電路在焊接、集成完成后（圖7），對(duì)其進(jìn)行了一系列室內(nèi)測(cè)試與海試。

圖7　測(cè)溫電路與集成后的微型測(cè)溫單元實(shí)物圖

3.1電路功耗測(cè)試

對(duì)各主要元器件的耗電量進(jìn)行分別測(cè)試時(shí)，通過(guò)在電源端串接一個(gè)電流表，可以測(cè)量到整個(gè)電路板總體電流。同時(shí)，每焊接一個(gè)元器件后讀取并記錄電流表的增加示數(shù)，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(cè)溫電路中各主要元器件的實(shí)測(cè)耗電量。從表中可以看出，各主要元器件的耗電量與器件數(shù)據(jù)表中描述的基本相符，保持了較低的電流消耗，符合預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)。

電路板全部焊接完成后，對(duì)其進(jìn)行整體耗電量測(cè)試。當(dāng)測(cè)溫單元進(jìn)行連續(xù)采集時(shí)，其平均動(dòng)態(tài)電流為2.1 mA，此時(shí)為電路板的最大耗電狀態(tài)。當(dāng)電路不進(jìn)行采集工作時(shí)，溫度與姿態(tài)模塊、存儲(chǔ)模塊的電源被直接切斷，單片機(jī)進(jìn)入Active-halt低功耗模式，整個(gè)測(cè)溫電路的電流消耗達(dá)到最低值，實(shí)測(cè)為4.0 μA。此時(shí)單片機(jī)需要通過(guò)內(nèi)部運(yùn)行的RTC定時(shí)器或者外部通訊中斷來(lái)喚醒。

表1　主要芯片的實(shí)測(cè)耗電量（Vin=3.7 V）

3.2海底原位長(zhǎng)期測(cè)試

由于微型測(cè)溫單元質(zhì)量輕，體積小，不會(huì)影響海底地震儀（OBS）的正常布放和回收，因此我們通過(guò)將微型測(cè)溫單元捆綁在OBS上（圖8b），借助OBS的自浮式作業(yè)進(jìn)行海底原位底水溫度長(zhǎng)期觀測(cè)試驗(yàn)，以檢驗(yàn)測(cè)溫電路的性能并獲取相關(guān)海域的底水溫度波動(dòng)數(shù)據(jù)。分別于2013年和2014年在南海北部東沙、西沙等海域一共進(jìn)行了12個(gè)站位的試驗(yàn)，并成功獲取了其中6個(gè)站位的底水溫度波動(dòng)數(shù)據(jù)（圖8a中紅色圓圈所示）。表2列出了這6個(gè)站位的相關(guān)信息。

需要說(shuō)明的是，2013年使用的微型測(cè)溫單元為常規(guī)站位使用型，不具有低功耗功能，最長(zhǎng)只能維持約40 h的工作時(shí)間，因此2013年的2個(gè)站位只獲得了約40 h的底水溫度波動(dòng)數(shù)據(jù)。而2014年使用了經(jīng)過(guò)低功耗改造后的新版微型測(cè)溫單元，理論工作時(shí)間可達(dá)1 a以上，因OBS在海底最長(zhǎng)只工作了17 d左右，因此新版微型測(cè)溫單元也只獲得了17 d的底水溫度波動(dòng)數(shù)據(jù)。

圖8?。╝）成功獲取數(shù)據(jù)的站位分布圖；（b）微型測(cè)溫單元和OBS實(shí)物

圖9（a）、（b）分別顯示了SCS2013-OBS05、SCS2014-OBS30站位的底水溫度-時(shí)間數(shù)據(jù)曲線。圖中下方的紅色曲線是溫度變化曲線（對(duì)應(yīng)左邊Y軸），上方較粗的藍(lán)色曲線是探針的姿態(tài)（傾角）變化曲線（對(duì)應(yīng)右邊Y軸）；橫坐標(biāo)X軸代表時(shí)間，兩圖中的X軸分別以s和d為主刻度。

在海試過(guò)程中，測(cè)溫單元長(zhǎng)期工作穩(wěn)定，測(cè)溫分辨率高（約1 mK），能很好地觀測(cè)到底水溫度微弱的波動(dòng)。同時(shí)，試驗(yàn)證明經(jīng)過(guò)低功耗改進(jìn)后的微型測(cè)溫單元，其工作時(shí)間長(zhǎng)度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于之前的普通站位式微型測(cè)溫單元。

通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的解讀可以得知：我國(guó)南海北部西沙海域底水溫度存在較大波動(dòng)，水深1 200 m左右的海底，其底水溫度波動(dòng)達(dá)到0.18℃（40 h內(nèi)）；水深900 m左右的海底，其底水溫度波動(dòng)達(dá)到0.42℃（48 h內(nèi)）；而東沙海域水深2 600～3 350 m的底水溫度波動(dòng)非常?。?6～17 d內(nèi)），溫度波動(dòng)在0.025～0.127℃范圍內(nèi)，并且如SCS2014-OBS30所展示的那樣，深達(dá)2 815 m的海底底水溫度波動(dòng)具有以1 d為周期的高頻分量。

圖9　底水溫度—時(shí)間數(shù)據(jù)曲線

由此可知，我國(guó)南海北部淺水區(qū)底水溫度波動(dòng)確實(shí)存在，但不同海域，其波動(dòng)程度不盡相同。觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示西沙海域波動(dòng)較大，一個(gè)是因?yàn)槠湔疚凰钶^淺，另外一個(gè)原因可能是沿著西沙海槽的強(qiáng)底流導(dǎo)致，這勢(shì)必會(huì)對(duì)海底表層沉積物溫度分布造成較大影響，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)的站位式測(cè)量無(wú)法獲取可靠的海底地?zé)釁?shù)；而東沙海域2 600 m以深的海域，其底水溫度波動(dòng)非常微弱，因此對(duì)海底表層沉積物地溫分布的影響不大。這些觀測(cè)數(shù)據(jù)不僅為我們今后選擇海底熱流長(zhǎng)期觀測(cè)站位提供了直接依據(jù)，同時(shí)也可用于評(píng)價(jià)之前利用海底熱流探針獲取的地?zé)釁?shù)的可靠性。

4　結(jié)論

（1）測(cè)溫電路經(jīng)過(guò)室內(nèi)測(cè)試，精確測(cè)得了其低功耗數(shù)據(jù)，達(dá)到了軟硬件設(shè)計(jì)的預(yù)期；經(jīng)過(guò)海底原位長(zhǎng)期測(cè)試，證明測(cè)溫電路工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，能很好地滿(mǎn)足海底熱流長(zhǎng)期測(cè)量需求；

（2）獲取的底水溫度長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)，反映了我國(guó)南海東北部部分海域的底水溫度波動(dòng)情況，具有進(jìn)一步科學(xué)研究?jī)r(jià)值。

致謝：感謝2013和2014年度中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所“實(shí)驗(yàn)2號(hào)”科考船進(jìn)行的國(guó)家自然科學(xué)基金委南海北部地球物理航次 （航次編號(hào)：NORC2013-08、NORC2014-08）的全體科考人員和船員，是他們的辛勤勞動(dòng)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41474065，41106086）；中國(guó)科學(xué)院科研裝備研制項(xiàng)目資助（YZ201136）；中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)子課題資助項(xiàng)目（XDA11040303）；國(guó)家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)開(kāi)放基金資助項(xiàng)目（KLSG1502）

曾信（1987-），男，碩士，研究實(shí)習(xí)員，主要從事海底熱流測(cè)量?jī)x器開(kāi)發(fā)。E-mail:zengxin@scsio.ac.cn

楊小秋（1981-），男，博士，副研究員，主要從事地?zé)岬刭|(zhì)與熱流探測(cè)原理研究及技術(shù)研發(fā)。E-mail:yxq2081@scsio.ac.cn