文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.166817
中文引用格式: 王琦宏,劉敬彪,安春雷,等. 冰芯直流電導率測定系統(tǒng)研制[J].電子技術應用,2017,43(8):69-72.
英文引用格式: Wang Qihong,Liu Jingbiao,An Chunlei,et al. The design of electrical conductivity measurement system of ice cores[J].Application of Electronic Technique,2017,43(8):69-72.
0 引言
極地冰芯具有豐富的研究價值,對冰芯的研究有多種設備和技術,其中冰芯直流電導率測量技術在冰芯年代劃分、判斷參考層位、冰芯火山活動記錄以及生物燃燒事件的研究中都具有重要的意義[1-2]。冰芯直流電導率測量技術最早由Hammer在1980年提出[3],并從GRIP項目開始,逐漸在冰芯鉆探項目中得到應用[4]。國際上具有代表性的冰芯電導率測量設備有如加拿大Icefield Instruments公司的HEU(Handheld ECM Unit)等。這些系統(tǒng)設備均是采用手持電極沿冰芯深度方向進行移動測量,這樣的測量方式使移動速度無法保持均勻,且易發(fā)生抖動、表面接觸不良的現(xiàn)象。電導率測量精度也有待提高。目前,國內還沒有研制出相應系統(tǒng)設備應用于極地科考。
為了克服以上系統(tǒng)的技術缺陷,本文研制了一種自動冰芯直流電導率測定儀,填補了國內的技術空白。系統(tǒng)采用耐低溫伺服電機控制方式實現(xiàn)自動測量,與上述設備相比,該系統(tǒng)排除了手持移動測試過程中的不確定因素,同時也節(jié)省了人力。系統(tǒng)采用高精度AD芯片,使測量精度大大提高。
1 系統(tǒng)總體結構
冰芯直流電導率測定系統(tǒng)包括了電子控制系統(tǒng)、上位機軟件系統(tǒng)和機械系統(tǒng)。電子控制系統(tǒng)包括數(shù)據采集系統(tǒng)和電機控制系統(tǒng)。數(shù)據采集系統(tǒng)用于實現(xiàn)對冰芯測量數(shù)據和傳感器數(shù)據的采集計算、存儲和傳輸功能。電機控制系統(tǒng)通過上位機指令和機械按鈕開關來控制電機的轉速和轉向。為保證電子控制系統(tǒng)在低溫環(huán)境中能夠正常工作,將其安裝在加熱機箱中。加熱機箱可通過加熱器和智能溫控儀實現(xiàn)對溫度的控制。上位機軟件系統(tǒng)用于實現(xiàn)冰芯測量數(shù)據的實時顯示和存儲,以及對整個系統(tǒng)的控制功能。機械結構用于對冰芯測量進行操作控制,包含專門設計的模塊部件。系統(tǒng)總體結構框圖如圖1所示。
系統(tǒng)工作方式:首先固定好待測冰芯,調整機械臂到測量起始端,使電極端部輕觸冰芯表面。在設置好合適的測量參數(shù)后上位機開啟測量按鈕,電機控制系統(tǒng)通過電機控制電極移動。在電極移動的同時,數(shù)據采集系統(tǒng)采集并計算冰芯電導率和傳感器的值。并將這些數(shù)據量封裝成數(shù)據幀通過串口發(fā)送給上位機。上位機軟件解析數(shù)據幀,在軟件界面上實時顯示這些數(shù)據量并保存在數(shù)據庫中。對冰芯進行多次連續(xù)測量可以提高數(shù)據的準確性[5]。
本文將主要對數(shù)據采集系統(tǒng)、電機控制系統(tǒng)和上位機軟件系統(tǒng)設計進行介紹。系統(tǒng)設計要求如下:
(1)電流測量精度達到0.1 μA(國際上冰芯電導率的精度以電流來表征),位移測量精度達到0.05 mm。
(2)使用伺服電機實現(xiàn)自動控制測量。
(3)人機交互界面實現(xiàn)測量數(shù)據的傳輸、顯示和存儲,以及系統(tǒng)控制功能。
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 數(shù)據采集系統(tǒng)電路設計
數(shù)據采集系統(tǒng)硬件設計如圖2所示,包括主控電路、高壓電源模塊電路、采集信號調理電路、位移采集電路、SD卡存儲電路等。
(1)主控電路。本系統(tǒng)選用基于ARM Cortex-M3的32位處理器芯片STM32F103VCT6,該芯片具有48 KB RAM,片上集成D/A數(shù)模轉換器、定時器支持編碼器模式和PWM波輸出等功能,具有功耗低、運行速度快、抗干擾能力強等優(yōu)點,滿足本設計的資源要求。
(2)高壓電源模塊。采用北京濱松公司生產的高壓電源模塊。單片機通過MOS管等外圍器件設計模擬開關電路來控制高壓模塊的電源輸入,以實現(xiàn)數(shù)據采集的開關功能。高壓模塊輸出電壓與輸入參考電壓成線性關系,采用單片機的D/A輸出并經過一階運放后作為參考電壓控制。
(3)采集信號調理模塊。用于對測量信號進行前期放大濾波等處理,以便于后續(xù)采集。具體如圖3所示。
由于高壓輸出最高有1 200 V,因此在電路中采用10 MΩ的高壓玻璃釉電阻作為限壓電阻。高壓電極接觸冰芯表面產生電流,在分壓電路中通過10 kΩ精密繞線電阻實現(xiàn)將電流轉換成電壓。為了防止電路中噪聲干擾,濾波電路采用二階低通有源濾波器,截止頻率設為1 kHz,增益為2。由于需要測量高壓電源輸出和電極接觸冰芯后的電壓輸出2路信號,放大濾波運放采用OPA2335芯片。之后通過ADS1240模數(shù)轉換器進行電壓采集,與微控制器通過I/O模擬SPI進行通信。
(4)位移采集電路。光柵尺采用光學玻璃為測量基準,短行程可以達到很高的精度。本系統(tǒng)使用德普EA5光柵尺。電路設計中將光柵尺輸出的RS422信號通過光耦隔離芯片轉化為單端信號,之后通過單片機I/O口接收。
(5)SD卡存儲電路。采用4 GB容量SD卡對測量數(shù)據進行存儲。
2.2 電機控制系統(tǒng)電路設計
電機控制系統(tǒng)也采用STM32單片機作為微控制器。按鈕控制開關、低溫接近開關傳感器與單片機I/O口相連,通過I/O口外部中斷方式提供相應的電機控制指令。電機控制方式為位置控制,即通過一路PWM波控制電機運行速度,一路方向電平控制電機運轉。因此,采用差分線路驅動芯片實現(xiàn)與電機驅動器以差分方式相連。電機控制系統(tǒng)硬件設計如圖4所示。
3 系統(tǒng)軟件設計
為保證系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性,軟件設計采用了RTX操作系統(tǒng)。
3.1 數(shù)據采集系統(tǒng)程序設計
數(shù)據采集程序一共8個線程,程序設計流程圖如圖5所示。
(1)系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)上電后,對I/O口、USART、DAC、定時器進行初始化設置。
(2)LED指示燈線程。LED用于指示數(shù)據采集板卡系統(tǒng)是否正常工作,并控制高壓電源的電壓輸出。
(3)溫度測量線程。根據溫度傳感器的通信協(xié)議,讀取并計算溫度值。
(4)位移測量線程。定時器配置為編碼器模式,根據輸入A、B相方波的超前和滯后關系來決定計數(shù)值的正負。并通過定時器溢出中斷記錄的脈沖數(shù)量來計算位移值。
(5)冰芯數(shù)據采集線程。單片機通過I/O模擬SPI總線與ADS1240芯片進行數(shù)據通信。每次讀取分壓電阻上的電壓值,并計算出電導率。電導率計算公式如下:
(6)數(shù)據存儲發(fā)送線程。將冰芯測量數(shù)據和其他傳感器數(shù)據整合封裝成數(shù)據幀。數(shù)據幀包含固定的格式,如圖6所示。
(7)數(shù)據接收處理線程。通過串口中斷接收上位機發(fā)送的指令數(shù)據幀,并存放在緩沖區(qū)中。線程對緩沖區(qū)中的數(shù)據進行數(shù)據幀格式校對解析,并執(zhí)行相應的操作。數(shù)據幀格式如圖7所示。
3.2 電機控制程序設計
電機控制程序一共有2個線程,分別為數(shù)據接收線程和方向控制線程。程序設計流程如圖8所示。
(1)系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)上電后,對I/O、USART、定時器進行初始化設置。
(2)數(shù)據接收線程。數(shù)據幀接收解析方式和數(shù)據采集系統(tǒng)程序中相同,根據指令置位相應的事件標志。
(3)方向控制線程。線程根據不同的事件標志置位來控制電機。
3.3 上位機軟件設計
上位機軟件界面主要包括圖形顯示區(qū)、狀態(tài)顯示區(qū)和指令操作區(qū)。圖形顯示區(qū)以二維曲線的方式實時顯示測量數(shù)據的變化。狀態(tài)顯示區(qū)用來顯示系統(tǒng)通信狀態(tài)。指令操作區(qū)用于實現(xiàn)對電導率采集系統(tǒng)的控制、電機速度和方向的控制以及數(shù)據庫的相關操作。人機交互界面如圖9所示。
4 系統(tǒng)調試與總結
本系統(tǒng)研制完成后進行了調試。采用長寬高為100 cm×10 cm×1 cm的冰塊來模擬冰芯進行試驗。在環(huán)境溫度為-2 ℃、測量電壓為1 000 V、電極間距為1 cm、電極端部面積1 mm2的測試條件下的部分測試數(shù)據如表1所示。電導率隨位移變化曲線如圖10所示。
經過反復試驗,并通過高精度數(shù)字源表和數(shù)字兆歐表等設備調試對比可知,本系統(tǒng)的電導率和位移測量值均達到設計要求。
參考文獻
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作者信息:
王琦宏1,劉敬彪1,安春雷2,史劍光1,于海濱1
(1.杭州電子科技大學 電子信息學院,浙江 杭州310018;2.中國極地研究中心,上海200136)