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，且易發生抖動、表面接觸不良的現象。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設備應用于極地科考。
為了克服以上系統的技術缺陷，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。系統采用耐低溫伺服電機控制方式實現自動測量，與上述設備相比，該系統排除了手持移動測試過程中的不確定因素，同時也節省了人力。系統采用高精度AD芯片，使測量精度大大提高。
1 系統總體結構
冰芯直流電導率測定系統包括了電子控制系統、上位機軟件系統和機械系統。電子控制系統包括數據采集系統和電機控制系統。數據采集系統用于實現對冰芯測量數據和傳感器數據的采集計算、存儲和傳輸功能。電機控制系統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在低溫環境中能夠正常工作，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對溫度的控制。上位機軟件系統用于實現冰芯測量數據的實時顯示和存儲，以及對整個系統的控制功能。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。系統總體結構框圖如圖1所示。
系統工作方式：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后上位機開啟測量按鈕，電機控制系統通過電機控制電極移動。在電極移動的同時，數據采集系統采集并計算冰芯電導率和傳感器的值。并將這些數據量封裝成數據幀通過串口發送給上位機。上位機軟件解析數據幀，在軟件界面上實時顯示這些數據量并保存在數據庫中。對冰芯進行多次連續測量可以提高數據的準確性[5]。
本文將主要對數據采集系統、電機控制系統和上位機軟件系統設計進行介紹。系統設計要求如下：
(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)使用伺服電機實現自動控制測量。
(3)人機交互界面實現測量數據的傳輸、顯示和存儲，以及系統控制功能。
2 系統硬件設計
2.1 數據采集系統電路設計
數據采集系統硬件設計如圖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，以實現數據采集的開關功能。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卡對測量數據進行存儲。
2.2 電機控制系統電路設計
電機控制系統也采用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與電機驅動器以差分方式相連。電機控制系統硬件設計如圖4所示。
3 系統軟件設計
為保證系統的實時性、穩定性，軟件設計采用了RTX操作系統。
3.1 數據采集系統程序設計
數據采集程序一共8個線程，程序設計流程圖如圖5所示。
(1)系統初始化。系統上電后，對I/O口、USART、DAC、定時器進行初始化設置。
(2)LED指示燈線程。LED用于指示數據采集板卡系統是否正常工作，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值的正負。并通過定時器溢出中斷記錄的脈沖數量來計算位移值。
(5)冰芯數據采集線程。單片機通過I/O模擬SPI總線與ADS1240芯片進行數據通信。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)數據存儲發送線程。將冰芯測量數據和其他傳感器數據整合封裝成數據幀。數據幀包含固定的格式，如圖6所示。
(7)數據接收處理線程。通過串口中斷接收上位機發送的指令數據幀，并存放在緩沖區中。線程對緩沖區中的數據進行數據幀格式校對解析，并執行相應的操作。數據幀格式如圖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)系統初始化。系統上電后，對I/O、USART、定時器進行初始化設置。
(2)數據接收線程。數據幀接收解析方式和數據采集系統程序中相同，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、狀態顯示區和指令操作區。圖形顯示區以二維曲線的方式實時顯示測量數據的變化。狀態顯示區用來顯示系統通信狀態。指令操作區用于實現對電導率采集系統的控制、電機速度和方向的控制以及數據庫的相關操作。人機交互界面如圖9所示。
4 系統調試與總結
本系統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，并通過高精度數字源表和數字兆歐表等設備調試對比可知，本系統的電導率和位移測量值均達到設計要求。
參考文獻
[1] 孫波，姚檀棟，康建成，等.極地冰芯固體直流導電特性檢測(ECM)及環境意義[J].極地研究，1998(3)：235-240.
[2] SOUNEY J M，TWICKLER M S，HARGREAVES G M，et al.Core handling and processing for the WAIS divide icecore project[J].Annals of Glaciology，2014，55(68)：15-26.
[3] HAMMER C U.Acidity of polar ice cores in relation to absolute dating, past volcanism, and radio-echoes[J].Journal of Glaciology，1980，25(93)：359-372.
[4] 馬天鳴，謝周清，李院生.極地冰芯電學性質及導電測量技術研究進展[J].地球科學進展，2016，31(2)：161-170.
[5] HAMMER C U.Initial direct current in the buildup of space charges and the acidity of ice cores[J].Journal of Physical Chemistry，1983，87(21)：4099-4103.
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）