0 引言

    极地冰芯具有丰富的研究价值，对冰芯的研究有多种设备和技术，其中冰芯直流电导率测量技术在冰芯年代划分、判断参考层位、冰芯火山活动记录以及生物燃烧事件的研究中都具有重要的意义^[1-2]。冰芯直流电导率测量技术最早由Hammer在1980年提出^[3]，并从GRIP项目开始，逐渐在冰芯钻探项目中得到应用^[4]。国际上具有代表性的冰芯电导率测量设备有如加拿大Icefield Instruments公司的HEU(Handheld ECM Unit)等。这些系统设备均是采用手持电极沿冰芯深度方向进行移动测量，这样的测量方式使移动速度无法保持均匀，且易发生抖动、表面接触不良的现象。电导率测量精度也有待提高。目前，国内还没有研制出相应系统设备应用于极地科考。

    为了克服以上系统的技术缺陷，本文研制了一种自动冰芯直流电导率测定仪，填补了国内的技术空白。系统采用耐低温伺服电机控制方式实现自动测量，与上述设备相比，该系统排除了手持移动测试过程中的不确定因素，同时也节省了人力。系统采用高精度AD芯片，使测量精度大大提高。

1 系统总体结构

    冰芯直流电导率测定系统包括了电子控制系统、上位机软件系统和机械系统。电子控制系统包括数据采集系统和电机控制系统。数据采集系统用于实现对冰芯测量数据和传感器数据的采集计算、存储和传输功能。电机控制系统通过上位机指令和机械按钮开关来控制电机的转速和转向。为保证电子控制系统在低温环境中能够正常工作，将其安装在加热机箱中。加热机箱可通过加热器和智能温控仪实现对温度的控制。上位机软件系统用于实现冰芯测量数据的实时显示和存储，以及对整个系统的控制功能。机械结构用于对冰芯测量进行操作控制，包含专门设计的模块部件。系统总体结构框图如图1所示。

    系统工作方式：首先固定好待测冰芯，调整机械臂到测量起始端，使电极端部轻触冰芯表面。在设置好合适的测量参数后上位机开启测量按钮，电机控制系统通过电机控制电极移动。在电极移动的同时，数据采集系统采集并计算冰芯电导率和传感器的值。并将这些数据量封装成数据帧通过串口发送给上位机。上位机软件解析数据帧，在软件界面上实时显示这些数据量并保存在数据库中。对冰芯进行多次连续测量可以提高数据的准确性^[5]。

    本文将主要对数据采集系统、电机控制系统和上位机软件系统设计进行介绍。系统设计要求如下：

    (1)电流测量精度达到0.1 μA(国际上冰芯电导率的精度以电流来表征)，位移测量精度达到0.05 mm。

    (2)使用伺服电机实现自动控制测量。

    (3)人机交互界面实现测量数据的传输、显示和存储，以及系统控制功能。

2 系统硬件设计

2.1 数据采集系统电路设计

    数据采集系统硬件设计如图2所示，包括主控电路、高压电源模块电路、采集信号调理电路、位移采集电路、SD卡存储电路等。

    (1)主控电路。本系统选用基于ARM Cortex-M3的32位处理器芯片STM32F103VCT6，该芯片具有48 KB RAM，片上集成D/A数模转换器、定时器支持编码器模式和PWM波输出等功能，具有功耗低、运行速度快、抗干扰能力强等优点，满足本设计的资源要求。

    (2)高压电源模块。采用北京滨松公司生产的高压电源模块。单片机通过MOS管等外围器件设计模拟开关电路来控制高压模块的电源输入，以实现数据采集的开关功能。高压模块输出电压与输入参考电压成线性关系，采用单片机的D/A输出并经过一阶运放后作为参考电压控制。

    (3)采集信号调理模块。用于对测量信号进行前期放大滤波等处理，以便于后续采集。具体如图3所示。

    由于高压输出最高有1 200 V，因此在电路中采用10 MΩ的高压玻璃釉电阻作为限压电阻。高压电极接触冰芯表面产生电流，在分压电路中通过10 kΩ精密绕线电阻实现将电流转换成电压。为了防止电路中噪声干扰，滤波电路采用二阶低通有源滤波器，截止频率设为1 kHz，增益为2。由于需要测量高压电源输出和电极接触冰芯后的电压输出2路信号，放大滤波运放采用OPA2335芯片。之后通过ADS1240模数转换器进行电压采集，与微控制器通过I/O模拟SPI进行通信。

    (4)位移采集电路。光栅尺采用光学玻璃为测量基准，短行程可以达到很高的精度。本系统使用德普EA5光栅尺。电路设计中将光栅尺输出的RS422信号通过光耦隔离芯片转化为单端信号，之后通过单片机I/O口接收。

    (5)SD卡存储电路。采用4 GB容量SD卡对测量数据进行存储。

2.2 电机控制系统电路设计

    电机控制系统也采用STM32单片机作为微控制器。按钮控制开关、低温接近开关传感器与单片机I/O口相连，通过I/O口外部中断方式提供相应的电机控制指令。电机控制方式为位置控制，即通过一路PWM波控制电机运行速度，一路方向电平控制电机运转。因此，采用差分线路驱动芯片实现与电机驱动器以差分方式相连。电机控制系统硬件设计如图4所示。

3 系统软件设计

    为保证系统的实时性、稳定性，软件设计采用了RTX操作系统。

3.1 数据采集系统程序设计

    数据采集程序一共8个线程，程序设计流程图如图5所示。

    (1)系统初始化。系统上电后，对I/O口、USART、DAC、定时器进行初始化设置。

    (2)LED指示灯线程。LED用于指示数据采集板卡系统是否正常工作，并控制高压电源的电压输出。

    (3)温度测量线程。根据温度传感器的通信协议，读取并计算温度值。

    (4)位移测量线程。定时器配置为编码器模式，根据输入A、B相方波的超前和滞后关系来决定计数值的正负。并通过定时器溢出中断记录的脉冲数量来计算位移值。 

    (5)冰芯数据采集线程。单片机通过I/O模拟SPI总线与ADS1240芯片进行数据通信。每次读取分压电阻上的电压值，并计算出电导率。电导率计算公式如下：

    (6)数据存储发送线程。将冰芯测量数据和其他传感器数据整合封装成数据帧。数据帧包含固定的格式，如图6所示。

    (7)数据接收处理线程。通过串口中断接收上位机发送的指令数据帧，并存放在缓冲区中。线程对缓冲区中的数据进行数据帧格式校对解析，并执行相应的操作。数据帧格式如图7所示。

3.2 电机控制程序设计

    电机控制程序一共有2个线程，分别为数据接收线程和方向控制线程。程序设计流程如图8所示。

    (1)系统初始化。系统上电后，对I/O、USART、定时器进行初始化设置。

    (2)数据接收线程。数据帧接收解析方式和数据采集系统程序中相同，根据指令置位相应的事件标志。

    (3)方向控制线程。线程根据不同的事件标志置位来控制电机。

3.3 上位机软件设计

    上位机软件界面主要包括图形显示区、状态显示区和指令操作区。图形显示区以二维曲线的方式实时显示测量数据的变化。状态显示区用来显示系统通信状态。指令操作区用于实现对电导率采集系统的控制、电机速度和方向的控制以及数据库的相关操作。人机交互界面如图9所示。

4 系统调试与总结

    本系统研制完成后进行了调试。采用长宽高为100 cm×10 cm×1 cm的冰块来模拟冰芯进行试验。在环境温度为-2 ℃、测量电压为1 000 V、电极间距为1 cm、电极端部面积1 mm²的测试条件下的部分测试数据如表1所示。电导率随位移变化曲线如图10所示。

    经过反复试验，并通过高精度数字源表和数字兆欧表等设备调试对比可知，本系统的电导率和位移测量值均达到设计要求。

参考文献

[1] 孙波，姚檀栋，康建成，等.极地冰芯固体直流导电特性检测(ECM)及环境意义[J].极地研究，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] 马天鸣，谢周清，李院生.极地冰芯电学性质及导电测量技术研究进展[J].地球科学进展，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，刘敬彪1，安春雷2，史剑光1，于海滨1

（1.杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州310018；2.中国极地研究中心，上海200136）