0 引言

    極地冰芯具有豐富的研究?jī)r(jià)值，對(duì)冰芯的研究有多種設(shè)備和技術(shù)，其中冰芯直流電導(dǎo)率測(cè)量技術(shù)在冰芯年代劃分、判斷參考層位、冰芯火山活動(dòng)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(dǎo)率測(cè)量技術(shù)最早由Hammer在1980年提出^[3]，并從GRIP項(xiàng)目開始，逐漸在冰芯鉆探項(xiàng)目中得到應(yīng)用^[4]。國際上具有代表性的冰芯電導(dǎo)率測(cè)量設(shè)備有如加拿大Icefield Instruments公司的HEU(Handheld ECM Unit)等。這些系統(tǒng)設(shè)備均是采用手持電極沿冰芯深度方向進(jìn)行移動(dòng)測(cè)量，這樣的測(cè)量方式使移動(dòng)速度無法保持均勻，且易發(fā)生抖動(dòng)、表面接觸不良的現(xiàn)象。電導(dǎo)率測(cè)量精度也有待提高。目前，國內(nèi)還沒有研制出相應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)用于極地科考。

    為了克服以上系統(tǒng)的技術(shù)缺陷，本文研制了一種自動(dòng)冰芯直流電導(dǎo)率測(cè)定儀，填補(bǔ)了國內(nèi)的技術(shù)空白。系統(tǒng)采用耐低溫伺服電機(jī)控制方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，與上述設(shè)備相比，該系統(tǒng)排除了手持移動(dòng)測(cè)試過程中的不確定因素，同時(shí)也節(jié)省了人力。系統(tǒng)采用高精度AD芯片，使測(cè)量精度大大提高。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

    冰芯直流電導(dǎo)率測(cè)定系統(tǒng)包括了電子控制系統(tǒng)、上位機(jī)軟件系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)。電子控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和電機(jī)控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)冰芯測(cè)量數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)的采集計(jì)算、存儲(chǔ)和傳輸功能。電機(jī)控制系統(tǒng)通過上位機(jī)指令和機(jī)械按鈕開關(guān)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)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(jī)箱中。加熱機(jī)箱可通過加熱器和智能溫控儀實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。上位機(jī)軟件系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)冰芯測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，以及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制功能。機(jī)械結(jié)構(gòu)用于對(duì)冰芯測(cè)量進(jìn)行操作控制，包含專門設(shè)計(jì)的模塊部件。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    系統(tǒng)工作方式：首先固定好待測(cè)冰芯，調(diào)整機(jī)械臂到測(cè)量起始端，使電極端部輕觸冰芯表面。在設(shè)置好合適的測(cè)量參數(shù)后上位機(jī)開啟測(cè)量按鈕，電機(jī)控制系統(tǒng)通過電機(jī)控制電極移動(dòng)。在電極移動(dòng)的同時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集并計(jì)算冰芯電導(dǎo)率和傳感器的值。并將這些數(shù)據(jù)量封裝成數(shù)據(jù)幀通過串口發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)軟件解析數(shù)據(jù)幀，在軟件界面上實(shí)時(shí)顯示這些數(shù)據(jù)量并保存在數(shù)據(jù)庫中。對(duì)冰芯進(jìn)行多次連續(xù)測(cè)量可以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性^[5]。

    本文將主要對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)和上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求如下：

    (1)電流測(cè)量精度達(dá)到0.1 μA(國際上冰芯電導(dǎo)率的精度以電流來表征)，位移測(cè)量精度達(dá)到0.05 mm。

    (2)使用伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制測(cè)量。

    (3)人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸、顯示和存儲(chǔ)，以及系統(tǒng)控制功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示，包括主控電路、高壓電源模塊電路、采集信號(hào)調(diào)理電路、位移采集電路、SD卡存儲(chǔ)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(zhuǎn)換器、定時(shí)器支持編碼器模式和PWM波輸出等功能，具有功耗低、運(yùn)行速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，滿足本設(shè)計(jì)的資源要求。

    (2)高壓電源模塊。采用北京濱松公司生產(chǎn)的高壓電源模塊。單片機(jī)通過MOS管等外圍器件設(shè)計(jì)模擬開關(guān)電路來控制高壓模塊的電源輸入，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的開關(guān)功能。高壓模塊輸出電壓與輸入?yún)⒖茧妷撼删€性關(guān)系，采用單片機(jī)的D/A輸出并經(jīng)過一階運(yùn)放后作為參考電壓控制。

    (3)采集信號(hào)調(diào)理模塊。用于對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)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(chǎn)生電流，在分壓電路中通過10 kΩ精密繞線電阻實(shí)現(xiàn)將電流轉(zhuǎn)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(shè)為1 kHz，增益為2。由于需要測(cè)量高壓電源輸出和電極接觸冰芯后的電壓輸出2路信號(hào)，放大濾波運(yùn)放采用OPA2335芯片。之后通過ADS1240模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電壓采集，與微控制器通過I/O模擬SPI進(jìn)行通信。

    (4)位移采集電路。光柵尺采用光學(xué)玻璃為測(cè)量基準(zhǔn)，短行程可以達(dá)到很高的精度。本系統(tǒng)使用德普EA5光柵尺。電路設(shè)計(jì)中將光柵尺輸出的RS422信號(hào)通過光耦隔離芯片轉(zhuǎn)化為單端信號(hào)，之后通過單片機(jī)I/O口接收。

    (5)SD卡存儲(chǔ)電路。采用4 GB容量SD卡對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

2.2 電機(jī)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

    電機(jī)控制系統(tǒng)也采用STM32單片機(jī)作為微控制器。按鈕控制開關(guān)、低溫接近開關(guān)傳感器與單片機(jī)I/O口相連，通過I/O口外部中斷方式提供相應(yīng)的電機(jī)控制指令。電機(jī)控制方式為位置控制，即通過一路PWM波控制電機(jī)運(yùn)行速度，一路方向電平控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，采用差分線路驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以差分方式相連。電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    為保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性，軟件設(shè)計(jì)采用了RTX操作系統(tǒng)。

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

    數(shù)據(jù)采集程序一共8個(gè)線程，程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

    (1)系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)上電后，對(duì)I/O口、USART、DAC、定時(shí)器進(jìn)行初始化設(shè)置。

    (2)LED指示燈線程。LED用于指示數(shù)據(jù)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(cè)量線程。根據(jù)溫度傳感器的通信協(xié)議，讀取并計(jì)算溫度值。

    (4)位移測(cè)量線程。定時(shí)器配置為編碼器模式，根據(jù)輸入A、B相方波的超前和滯后關(guān)系來決定計(jì)數(shù)值的正負(fù)。并通過定時(shí)器溢出中斷記錄的脈沖數(shù)量來計(jì)算位移值。 

    (5)冰芯數(shù)據(jù)采集線程。單片機(jī)通過I/O模擬SPI總線與ADS1240芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。每次讀取分壓電阻上的電壓值，并計(jì)算出電導(dǎo)率。電導(dǎo)率計(jì)算公式如下：

    (6)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)發(fā)送線程。將冰芯測(cè)量數(shù)據(jù)和其他傳感器數(shù)據(jù)整合封裝成數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀包含固定的格式，如圖6所示。

    (7)數(shù)據(jù)接收處理線程。通過串口中斷接收上位機(jī)發(fā)送的指令數(shù)據(jù)幀，并存放在緩沖區(qū)中。線程對(duì)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)幀格式校對(duì)解析，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。數(shù)據(jù)幀格式如圖7所示。

3.2 電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

    電機(jī)控制程序一共有2個(gè)線程，分別為數(shù)據(jù)接收線程和方向控制線程。程序設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

    (1)系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)上電后，對(duì)I/O、USART、定時(shí)器進(jìn)行初始化設(shè)置。

    (2)數(shù)據(jù)接收線程。數(shù)據(jù)幀接收解析方式和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序中相同，根據(jù)指令置位相應(yīng)的事件標(biāo)志。

    (3)方向控制線程。線程根據(jù)不同的事件標(biāo)志置位來控制電機(jī)。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    上位機(jī)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(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)對(duì)電導(dǎo)率采集系統(tǒng)的控制、電機(jī)速度和方向的控制以及數(shù)據(jù)庫的相關(guān)操作。人機(jī)交互界面如圖9所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試與總結(jié)

    本系統(tǒng)研制完成后進(jìn)行了調(diào)試。采用長(zhǎng)寬高為100 cm×10 cm×1 cm的冰塊來模擬冰芯進(jìn)行試驗(yàn)。在環(huán)境溫度為-2 ℃、測(cè)量電壓為1 000 V、電極間距為1 cm、電極端部面積1 mm²的測(cè)試條件下的部分測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。電導(dǎo)率隨位移變化曲線如圖10所示。

    經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，并通過高精度數(shù)字源表和數(shù)字兆歐表等設(shè)備調(diào)試對(duì)比可知，本系統(tǒng)的電導(dǎo)率和位移測(cè)量值均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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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(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州310018；2.中國極地研究中心，上海200136）