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(shù),，其中冰芯直流電導率測量技術(shù)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(shù)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(nèi)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(shù)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(nèi)的技術(shù)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(jié)構(gòu)

    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(jù)采集系統(tǒng)和電機控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于實現(xiàn)對冰芯測量數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)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(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(jù)的實時顯示和存儲,，以及對整個系統(tǒng)的控制功能,。機械結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

    系統(tǒng)工作方式：首先固定好待測冰芯，調(diào)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(jù)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(jù)量封裝成數(shù)據(jù)幀通過串口發(fā)送給上位機,。上位機軟件解析數(shù)據(jù)幀,，在軟件界面上實時顯示這些數(shù)據(jù)量并保存在數(shù)據(jù)庫中。對冰芯進行多次連續(xù)測量可以提高數(shù)據(jù)的準確性^[5]。

    本文將主要對數(shù)據(jù)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(jù)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(jù)采集系統(tǒng)電路設計

    數(shù)據(jù)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(diào)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(zhuǎn)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(chǎn)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(jù)采集的開關功能。高壓模塊輸出電壓與輸入?yún)⒖茧妷撼删€性關系,，采用單片機的D/A輸出并經(jīng)過一階運放后作為參考電壓控制,。

    (3)采集信號調(diào)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(chǎn)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(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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jù)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(zhuǎn)。因此,，采用差分線路驅(qū)動芯片實現(xiàn)與電機驅(qū)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(jù)采集系統(tǒng)程序設計

    數(shù)據(jù)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(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)溫度測量線程,。根據(jù)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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)存儲發(fā)送線程,。將冰芯測量數(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發(fā)送的指令數(shù)據(jù)幀,，并存放在緩沖區(qū)中,。線程對緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)幀格式校對解析，并執(zhí)行相應的操作,。數(shù)據(jù)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(jù)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(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)指令置位相應的事件標志,。

    (3)方向控制線程,。線程根據(jù)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(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(jù)庫的相關操作。人機交互界面如圖9所示,。

4 系統(tǒng)調(diào)試與總結(jié)

    本系統(tǒng)研制完成后進行了調(diào)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(jù)如表1所示,。電導率隨位移變化曲線如圖10所示,。

    經(jīng)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(diào)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）