海底热流长期观测系统中低功耗测温单元的设计与实现

曾　信，杨小秋*，杨　军，于传海，3，施小斌，丘学林

（1.中国科学院南海海洋研究所　中国科学院边缘海地质重点实验室，广东　广州　510301；2.上海海洋石油局第一海洋地质调查大队，上海　201208；3.中国科学院大学，北京　100049）

海底热流长期观测系统中低功耗测温单元的设计与实现

曾信1，杨小秋1*，杨军2，于传海1，3，施小斌1，丘学林1

（1.中国科学院南海海洋研究所中国科学院边缘海地质重点实验室，广东广州510301；2.上海海洋石油局第一海洋地质调查大队，上海201208；3.中国科学院大学，北京100049）

为满足在底水温度波动较大的海域进行海底热流原位长期观测的需求，研制了一种低功耗温度长期采集电路，并与钛合金耐压外壳集成为微型自容式测温单元，在室内和海上进行了一系列测试。室内测试结果表明：当测温电路进行连续采集时，其平均动态电流为2.1 mA；当电路不进行采集工作保持低功耗状态时，整个测温电路的电流消耗达到最低值，实测为4 μA，达到预期设计指标。通过将微型测温单元捆绑在海底地震仪上，在南海西沙和东沙海域成功进行了6个站位的海底原位底水温度长期观测测试，获取了最长约17 d的底水温度波动数据，验证了测量电路的稳定性和实用性。

海底热流；长期观测；低功耗；测温电路

大地热流是地球内部热过程在地表（或者海底）的直接显示，它不仅是了解地球热散失速率的关键数据，同时也是开展动力学研究与重建沉积盆地演化、油气与水合物资源潜力评价的基础数据［1-4］。海洋占据了地球表面约3/4面积，获取海底热流数据，是地热学研究中的关键环节。海底热流可以通过钻孔测温和海底热流探针测量得到。由于石油钻孔和大洋钻探钻孔分布区域有限，而海底热流探针便于船载，作业相对灵活，费用较低，且可根据实际科学问题和感兴趣海域进行详细的热流测量，因此是获取海洋热流数据的重要手段，在全球海域内得到了广泛应用，且目前大部分的海底热流数据都是利用海底热流探针测得［5-9］。

但某些海域的底水温度往往出现较大的波动（Bottem Water Temperature Variations，BWTV），导致海底表层沉积物温度也受到影响［10］。因此，在同一站位不同时间，通过海底热流探针获取的数据存在一定的波动，无法真正反映该站位的热状态，导致常规的海底热流探针作业在底水温度波动较大的海域很难获取可靠的海底热流数据。例如Hamamoto等在日本Nankai海槽投放了海底热流长期观测设备，成功获取了海底表层沉积物不同深度处近8个月的长期温度波动数据（图1a，该站位水深1 040 m），并通过长时间序列的的深度-温度-时间观测数据，基于傅里叶频谱分析［10-11］，从而消除周期性底水温度波动的影响，有效获取可靠的海底热流参数 （图1b）［12］。图1中CH1是最浅层的测温通道，CH7是最深的测温通道。

因此，在某些底水温度波动较大海域，非常有必要通过海底热流长期观测技术来获取海底表层不同深度沉积物温度的长期波动数据，并通过分析这些长时间序列的深度-温度-时间数据，消除周期性底水温度波动的影响，得到可靠的海底热流参数。

图1　NanKai海槽某站位沉积物不同深度的温度-时间剖面［12］

海底热流长期观测技术及其测量系统在水下主要依靠电池提供能量，且工作时间需长达1～2 a。普通海底热流微型测量单元的耐压舱体空间很小（直径22 mm，长200 mm），可以容纳的电池体积很小，因而提供的电量十分有限；同时，电路过大的功耗必然会引起部分器件发热，而温度的剧烈变化将引起芯片和电路的测量误差，导致测量精度降低。因此，长期观测系统的低功耗性能显得尤为重要。基于上述考虑，本文详细介绍了海底热流长期观测系统中测温单元的低功耗设计与实现。

1　低功耗设计的基本原则

在本文涉及的温度测量单元中，功率主要消耗在集成电路上。目前集成电路主要以CMOS器件为主［13］，从微观电路实现上看，CMOS器件组成的集成电路的功耗特性为：

从式（1）～式（2）可以看出，电路总功耗由静态功耗Pstatic和动态功耗Pdynamic组成。静态功耗主要来自器件的漏电流，是电路处于非工作状态时能维持的最低功耗；动态功耗是指电路进入工作状态后产生的功耗，它主要包括3个部分：由于逻辑跳变引起的电容充放电功耗、由于通路延时引起的竞争冒险功耗、由于电路瞬间导通引起的短路功耗。电路的总功耗是由不同种类的动态功耗和静态功耗构成的，它们共同存在且满足基尔霍夫电流定律［14］。一般动态功耗的大小是静态功耗的几十甚至上千倍，在连续工作的电路中，静态功耗基本可以忽略。但是在低频采样应用中，由于电路长时间处于低功耗休眠状态，所以静态功耗占据了很重要一部分能量损耗，同样需要重点考虑。

以下为一般测量电路低功耗设计的基本原则：

（1）提高系统电源转换效率，降低系统电源电压；

（2）在满足系统设计指标的情况下，尽可能简化电路，精简元器件数量；

（3）电路模块化的电源管理设计，由单片机进行分区、分时供电；

（4）选用低功耗元器件，或者集成度高、有休眠功能的元器件；

（5）满足功能前提下，为电路设计较低的驱动电流、时钟频率等；

（6）单片机的低功耗程序设计。

结合上述低功耗设计基本原则与海底热流数据采集的实际应用，下文将详细描述温度测量单元的低功耗设计及实现。

2　低功耗测温单元的设计与实现

2.1硬件框架

图2是海底热流长期观测系统中测温单元电路原理框图。电路主要分6个模块：单片机主导水下自容式或交互式工作，实现对海底沉积物温度和测温单元姿态的测量；测得的数据存储在存储模块，也可以通过通讯模块上传给上位机；单片机通过两线半双工通讯方式接受上位机的设置参数和命令，并反馈回测量数据；所有模块都由电源模块单独提供电源，并且每一路电源都可以在单片机控制下独立开启和关断，实现各模块电源的低功耗管理。

图2　温度测量单元电路原理框图

2.2具体设计

下面详细介绍各模块的低功耗设计：

（1）电源模块。普通电子元件的电气特性为电源电压越低（在合理范围内），其消耗的电流越低，因此为电路提供较低的电源电压有助于节约电能。综合考虑之后，电路采用3.0 V的工作电压，既满足了各器件的电源要求，又尽可能地保证了模拟信号的信噪比。

电池电压比工作电压高，出于降压和稳压的目的，需要选用电压转换器将电池提供的高电压降到3.0 V供电路使用。在选用线性电压转换器件时，高低电压转换过程中造成了电能损耗：

式中：PVDD为电压转换过程中的损耗功率；Vin为电源输入电压（电池输出电压）；Vout为电压转换器输出电压（本文中即3.0 V）；Iout为电路消耗的电流。为了降低该损耗PVDD，应当选用较低额定输出电压的电池。同时，电池体积相同的情况下，额定输出电压低的电池具有更大的容量，具有更长的使用寿命。本设计中选用了输出电压为3.7 V的锂离子电池。

使用降压型DC-DC转换器可以将电压转换效率控制在90%以上，但是DC-DC器件容易引入较大的输出纹波和高频噪声，不利于高精度、高分辨率测量，因此不予采用。本设计中选用低压差线性稳压（LDO）芯片MCP1700T-3002。该芯片为3.0 V输出，输出250 mA电流时最大输入-输出压差为175 mV，可以保证电池输出电压在大于3.175 V的范围内都可以工作。这种超低压差的特性可以使电池电量释放到一个很低的水平，保证电池的电量得到充分利用。同时，该芯片的典型静态电流低至1.6 μA，这对于工作时间长达1 a的测温单元而言，无疑可以节省大量的静态功耗。

（2）单片机控制核心。测温单元在工作过程中，单片机需要具备如下功能和外设资源：用于数据采集的同步串行通讯（SPI）、用于数据和命令传输的异步串行通讯（UART）、用于电池电压监测和姿态监测的模数转换器（AD）、用于精确延时的定时计数器（TIMER）、实时时钟（RTC）、用于外部中断输入和电源管理的多个I/O引脚、至少1 kByte的易失性随机存储器（RAM）。因此，需要选择集成度较高的单片机，同时要兼顾其低功耗性能。

本设计中选择的是STM8L151单片机。该芯片除了具备上述硬件功能外，还具有多种低功耗模式，其中停机模式（halt）仅消耗350 nA，带RTC唤醒的活跃停机模式（Active-halt）仅消耗电流1.3 μA。由于测温单元在海底工作时，绝大部分时间都处在休眠状态，因此这两种低功耗模式的应用可以极大的降低测温单元休眠时的静态功耗。

以单片机为例，电路中芯片的选型都是以满足性能要求为前提，尽可能选择功耗低的器件，下文不再赘述。

图3　温度与姿态测量电路原理图

（3）温度测量电路与姿态测量电路。如图3所示，为提高测温精度，选用低噪声基准电压源ADR380为铂电阻传感器Pt1000提供电流激励。在限流电阻R3的作用下，铂电阻工作电流约为0.2 mA，使输出的电压信号具有较高的信噪比并降低了电路功耗。温度测量电路中，由于铂电阻传感器与电路板一起封装在微型测温单元里面，传感器输出阻抗小，且由于金属外壳的屏蔽作用，信号不容易受到外界干扰，所以可以省去信号调理电路中常用的电压跟随器，传感器输出信号直接送入AD转换器，减少了IC的使用，降低了电路功耗。

姿态测量电路中，同样为了简化电路，充分利用单片机STM8L151内部自带多通道AD转换器的特点，选用模拟信号输出的姿态传感器HAAM-313B，并将三轴姿态信号x，y，z经过滤波后直接送入单片机内部AD中。

这些举措都在保证了测量精度的同时，简化了电路，降低了功耗。

（4）通讯电路。加工好的测温电路将装入不锈钢耐压舱体中，并通过耐压舱体的外壳与上位机实现串口通讯（见图4）。因为不锈钢外壳只能提供两个触点与电路板相连，所以电路板的通讯只能使用两根信号线实现串口通讯。这里我们充分利用了STM8单片机独特的硬件半双工串口功能（Half Duplex UART），直接将单片机的RX/TX引脚与电路GND分别连接到不锈钢金属外壳的两个触点上，通过编写与上位机对应的通讯协议，实现了两线制串口通讯。在本通讯电路中，由于不需要进行远距离和高速率通讯，所以不需要增加串口芯片进行通讯信号转换，直接使用单片机与单片机之间的UART通讯，省去了常用串口通讯电路引起的电能损耗，同时精简的电路板体积，使得耐压舱体中有更大的空间容纳电池。

图4　两线半双工串口通讯示意图

（5）存储电路。存储电路由两个存储器组成，如图5所示，一个是铁电存储器FM25V20，一个是FLASH型存储器W25Q256。铁电存储器（FRAM）是新一代存储介质，它将ROM的非易失性数据存储特性和RAM的无限次读写、高速读写等优势结合在一起，尤为重要的是它刷新了目前主流存储芯片的最低工作电流（读写操作时小于1 mA），唯一不足的地方是由于铁电技术还在发展中，单颗存储器的容量最大只有2 Mbit。因此，当电路的采样率不高，数据量较少时，使用它当存储器是最理想的选择。本设计中，测温单元一次要存储的数据包大小是12 Byte，按每秒钟采集一次的频率，连续采集一个月的数据量是1.29 MByte，此时，铁电存储器的存储空间就不够用了。因此电路中采用了FLASH型存储器W25Q256作为大容量存储器。该存储器是典型的FLASH型存储器，体积小容量大。W25Q256具有256 Mbit存储空间，按每秒钟一次的采样率，可以存储24个月的数据量，因此可以保存长时间测温获取的大容量数据。

在大容量数据采集的场合，直接将每一次采集得到的数据存入FLASH存储器显然是不明智的，这样不仅浪费了存储空间，而且在每一次上电、写入过程中造成了时间的浪费，间接造成了电能的浪费。最佳的存储方式是：单片机每次将采集的数据写入FRAM，直到FRAM快存满，此时单片机连续读出FRAM中的所有数据，通过直接存储器访问技术（DMA，单片机内部的一种高速数据转移方式）快速连续地写入FLASH存储器。此后，将FRAM清空，新采集的数据继续存到FRAM中，直到再次存满。这样，通过缩短数据写入FLASH的时间可以节省大量电能。

图5　存储电路原理图

（6）电路模块化的电源管理设计。虽然电路中的芯片都具有低功耗特性，有些芯片甚至有关断功能（比如AD7789在Shut-Down模式时只消耗电流1 μA），但在实际的海底热流长期观测中，电路绝大部分时间处在休眠模式，微小的静态电流长时间累加起来依然会造成不少的电能浪费。因此，为了最大限度的减小静态功耗，有必要实现电路模块化的电源管理，在单片机的控制下实现分区、分时供电。

如图6所示，电路中不同功能模块的电源都是独立的，在每一路电源中串接一个PNP型MOS管，实现每路电源可以在单片机I/O口的控制下被单独打开或关闭。MOS管具有功耗低、导通电阻小等优点，可以完美地充当小电流电路的上电开关。当电路处于休眠状态时，温度、姿态、存储电路的电源都可以被关闭，此时这几个电路基本上不消耗电流，实现了最低的静态功耗。当定时器提示采集时间到，单片机通过I/O口输出电平的变化控制MOS管导通，实现温度、姿态电路上电，采集完温度、姿态数据后，再将其电源关闭。此时打开存储电路的电源，将数据存入存储器后，再关闭存储电路的电源。电源模块的动态管理，可以最大限度地降低静态电流，特别是当电路比较复杂，功能模块比较多的时候优势特别明显。

图6　模块化电源管理框图

2.3软件设计

一般而言，硬件的设计决定了总功耗特别是静态功耗的下限，而软件的低功耗设计则可以提高动态功耗的利用效率，两者相结合，才能实现电路的最低功耗。

在本系统中，采用了如下软件设计举措，节约电能损耗：

（1）本测温单元是一个低速率的采样系统，电路大部分时间处于休眠状态，因此单片机采用休眠-中断唤醒-休眠的软件结构，充分利用了单片机的低功耗休眠模式和多种中断唤醒功能（如RTC唤醒、外部中断唤醒等），最大化地延长电路的休眠时间。

（2）单片机在工作过程中，要间歇性地使用其内部或者外部的资源，比如定时器、A/D转换器等，这些资源在使用完毕后及时关闭可以节省不必要的电流损耗。单片机内部的资源通过配置相关寄存器实现关闭；外部的器件通过释放其片选信号或者命令其进入休眠模式实现关闭，无法进入休眠的电路模块（比如温度测量模块中的外部参考电压芯片ADR381），则通过电源管理模块直接将整个温度测量模块的电源切断；

（3）单片机的时钟速率是跟功耗成正比的，当程序从单片机内部Flash开始运行时，供电电流的计算公式如下:

式中：Freq即CPU运行频率，上述公式表明CPU运行速率越快，消耗的电流越大。因此根据系统实际情况选择合适单片机的时钟速率，有助于降低功耗。综合考虑系统运行速度和功耗的关系，本系统选择2 MHz作为CPU主时钟，实测运行电流为0.7 mA，既满足了单片机进行复杂数学运算和高速数据传输的需求，又节省了电能。

（4）对于使用频率较高的子程序，直接将其代码融入主程序中，避免了主程序频繁跳转至子程序时造成的时间浪费，同样节约了能量。

3　测试及结果分析

测温单元电路在焊接、集成完成后（图7），对其进行了一系列室内测试与海试。

图7　测温电路与集成后的微型测温单元实物图

3.1电路功耗测试

对各主要元器件的耗电量进行分别测试时，通过在电源端串接一个电流表，可以测量到整个电路板总体电流。同时，每焊接一个元器件后读取并记录电流表的增加示数，新增的部分即为新焊接上的元器件所消耗的电流。表1显示了测温电路中各主要元器件的实测耗电量。从表中可以看出，各主要元器件的耗电量与器件数据表中描述的基本相符，保持了较低的电流消耗，符合预期设计指标。

电路板全部焊接完成后，对其进行整体耗电量测试。当测温单元进行连续采集时，其平均动态电流为2.1 mA，此时为电路板的最大耗电状态。当电路不进行采集工作时，温度与姿态模块、存储模块的电源被直接切断，单片机进入Active-halt低功耗模式，整个测温电路的电流消耗达到最低值，实测为4.0 μA。此时单片机需要通过内部运行的RTC定时器或者外部通讯中断来唤醒。

表1　主要芯片的实测耗电量（Vin=3.7 V）

3.2海底原位长期测试

由于微型测温单元质量轻，体积小，不会影响海底地震仪（OBS）的正常布放和回收，因此我们通过将微型测温单元捆绑在OBS上（图8b），借助OBS的自浮式作业进行海底原位底水温度长期观测试验，以检验测温电路的性能并获取相关海域的底水温度波动数据。分别于2013年和2014年在南海北部东沙、西沙等海域一共进行了12个站位的试验，并成功获取了其中6个站位的底水温度波动数据（图8a中红色圆圈所示）。表2列出了这6个站位的相关信息。

需要说明的是，2013年使用的微型测温单元为常规站位使用型，不具有低功耗功能，最长只能维持约40 h的工作时间，因此2013年的2个站位只获得了约40 h的底水温度波动数据。而2014年使用了经过低功耗改造后的新版微型测温单元，理论工作时间可达1 a以上，因OBS在海底最长只工作了17 d左右，因此新版微型测温单元也只获得了17 d的底水温度波动数据。

图8　（a）成功获取数据的站位分布图；（b）微型测温单元和OBS实物

图9（a）、（b）分别显示了SCS2013-OBS05、SCS2014-OBS30站位的底水温度-时间数据曲线。图中下方的红色曲线是温度变化曲线（对应左边Y轴），上方较粗的蓝色曲线是探针的姿态（倾角）变化曲线（对应右边Y轴）；横坐标X轴代表时间，两图中的X轴分别以s和d为主刻度。

在海试过程中，测温单元长期工作稳定，测温分辨率高（约1 mK），能很好地观测到底水温度微弱的波动。同时，试验证明经过低功耗改进后的微型测温单元，其工作时间长度已经远远大于之前的普通站位式微型测温单元。

通过对观测数据的解读可以得知：我国南海北部西沙海域底水温度存在较大波动，水深1 200 m左右的海底，其底水温度波动达到0.18℃（40 h内）；水深900 m左右的海底，其底水温度波动达到0.42℃（48 h内）；而东沙海域水深2 600～3 350 m的底水温度波动非常小（16～17 d内），温度波动在0.025～0.127℃范围内，并且如SCS2014-OBS30所展示的那样，深达2 815 m的海底底水温度波动具有以1 d为周期的高频分量。

图9　底水温度—时间数据曲线

由此可知，我国南海北部浅水区底水温度波动确实存在，但不同海域，其波动程度不尽相同。观测数据显示西沙海域波动较大，一个是因为其站位水深较浅，另外一个原因可能是沿着西沙海槽的强底流导致，这势必会对海底表层沉积物温度分布造成较大影响，从而导致传统的站位式测量无法获取可靠的海底地热参数；而东沙海域2 600 m以深的海域，其底水温度波动非常微弱，因此对海底表层沉积物地温分布的影响不大。这些观测数据不仅为我们今后选择海底热流长期观测站位提供了直接依据，同时也可用于评价之前利用海底热流探针获取的地热参数的可靠性。

4　结论

（1）测温电路经过室内测试，精确测得了其低功耗数据，达到了软硬件设计的预期；经过海底原位长期测试，证明测温电路工作稳定，数据质量良好，能很好地满足海底热流长期测量需求；

（2）获取的底水温度长期观测数据，反映了我国南海东北部部分海域的底水温度波动情况，具有进一步科学研究价值。

致谢：感谢2013和2014年度中国科学院南海海洋研究所“实验2号”科考船进行的国家自然科学基金委南海北部地球物理航次 （航次编号：NORC2013-08、NORC2014-08）的全体科考人员和船员，是他们的辛勤劳动和积极配合才使得海试工作得以安全、顺利完成。

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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

国家自然科学基金资助项目（41474065，41106086）；中国科学院科研装备研制项目资助（YZ201136）；中国科学院战略性先导科技专项子课题资助项目（XDA11040303）；国家海洋局海底科学重点实验开放基金资助项目（KLSG1502）

曾信（1987-），男，硕士，研究实习员，主要从事海底热流测量仪器开发。E-mail:zengxin@scsio.ac.cn

杨小秋（1981-），男，博士，副研究员，主要从事地热地质与热流探测原理研究及技术研发。E-mail:yxq2081@scsio.ac.cn