朱明亮,曹志敏,張曉東,董振芳,于新生

(1.海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院,山東 青島 266100; 2.國(guó)家海洋局 第一海洋研究所,山東 青島 266100)

隨著人類對(duì)海洋研究與開發(fā)的不斷深入,迫切需要獲取連續(xù)的水下現(xiàn)場(chǎng)綜合參數(shù)的時(shí)空變化信息,比如研究海底天然氣水合物在海水酸化中所起的作用以及熱液活動(dòng)對(duì)全球氣候變化和環(huán)境所產(chǎn)生的影響。原位化學(xué)探測(cè)技術(shù)可以對(duì)海水中的同價(jià)氣體、各種離子、微量金屬元素、營(yíng)養(yǎng)鹽及有機(jī)物質(zhì)等化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),是獲取海洋化學(xué)變化源頭信息的重要手段[1]。傳統(tǒng)的電極式海洋化學(xué)傳感探頭雖然具有體積小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),但是由于海水環(huán)境的復(fù)雜性,其在水下應(yīng)用過(guò)程中存在著敏感膜材料易老化、壽命短、觀測(cè)指標(biāo)單一等問(wèn)題[1-2],影響了水下化學(xué)物質(zhì)變化過(guò)程的長(zhǎng)期觀測(cè)資料獲取。在成熟的實(shí)驗(yàn)分析儀器設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),發(fā)揮其綜合測(cè)量能力強(qiáng)、靈敏度高及原位自我校準(zhǔn)等特點(diǎn),可以提高水下原位探測(cè)功能的多樣性和精度,比如利用改進(jìn)的流動(dòng)注射分析技術(shù)可以進(jìn)行水下多種營(yíng)養(yǎng)鹽及金屬離子的檢測(cè)[3]、利用拉曼光譜分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)水下溶解氣體濃度變化的定量觀測(cè)等[4]。

流動(dòng)注射分析是通過(guò)把一定體積的樣品注入到以一定流速流動(dòng)的載體中,在流經(jīng)反應(yīng)器時(shí)得到混合,混合液體經(jīng)過(guò)檢測(cè)池時(shí)通過(guò)對(duì)特征峰形信號(hào)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)樣品的定量在線測(cè)量技術(shù)。流動(dòng)注射分析技術(shù)的特點(diǎn)是效率高(檢測(cè)樣品的速度可達(dá) 100～200樣/h)、重復(fù)性好、靈敏度高; 同時(shí)由于流動(dòng)注射系統(tǒng)具有微流量特征,有效地減少了反應(yīng)所需要的反應(yīng)試劑盒中標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積,便于用于水下化學(xué)物質(zhì)成分的長(zhǎng)期原位監(jiān)測(cè),近年來(lái)已被美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等國(guó)家成功地用于深海水下化學(xué)參數(shù)的檢測(cè)[5-7]。目前國(guó)外報(bào)道的水下原位流動(dòng)注射化學(xué)分析儀采用光敏接收二極管或光電倍增管作為光強(qiáng)檢測(cè)器件,存在著接收端結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不便于儀器檢測(cè)指標(biāo)拓展等缺陷。近年來(lái)快速發(fā)展的小型寬光譜接收儀可以一次性記錄紫外到紅外的光譜強(qiáng)度變化信息,具有良好的測(cè)量范圍拓展性。寬光譜接收儀采用兩維陣列電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)記錄波強(qiáng)及波形信息,具有其他檢測(cè)器件無(wú)法比擬的接收信息量大、質(zhì)量輕、靈敏度好、分辨率高等特點(diǎn)。但是基于圖像傳感器的水下化學(xué)分析儀器每次測(cè)量的像素?cái)?shù)據(jù)量大,并且連接的外部設(shè)備也較多,因此控制和采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。基于低功耗單片機(jī)的水下儀器設(shè)計(jì)主要用于系統(tǒng)的并行口、串行口、定時(shí)、計(jì)數(shù)和中斷的控制應(yīng)用,如采用單片機(jī)進(jìn)行水下原位化學(xué)分析儀的控制及數(shù)據(jù)處理開發(fā),需要較大的開發(fā)和測(cè)試投入,增加儀器的研發(fā)成本和開發(fā)周期。

新興的PC-104嵌入式系統(tǒng)是針對(duì)PC計(jì)算機(jī)體積及功耗不足而開發(fā)的嵌入式模塊。該模塊采用低功耗CPU芯片,在標(biāo)準(zhǔn)的90 mm×96 mm 面積上集成了PC計(jì)算機(jī)的各種功能,它既具備了PC計(jì)算機(jī)的通用型、可擴(kuò)展性,又滿足了野外等特殊應(yīng)用環(huán)境對(duì)體積、質(zhì)量、功耗和抗震性的要求; 在軟件方面,PC-104嵌入式系統(tǒng)為商業(yè)版的嵌入式 Windows XPCE及開源Linux等眾多操作系統(tǒng)都提供良好的支持,可以直接把針對(duì)PC計(jì)算機(jī)開發(fā)的應(yīng)用程序移植到嵌入式系統(tǒng)中,從而為進(jìn)行高效、低成本的應(yīng)用樣機(jī)研發(fā)提供了良好的開發(fā)平臺(tái)。隨著低功耗微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展,PC-104嵌入式系統(tǒng)已成功地用于水下圖像實(shí)時(shí)采集[8]、水下自治機(jī)器人(AUV)的復(fù)雜控制[9]、以及海水溶解氣體檢測(cè)的水下質(zhì)譜儀等設(shè)備中[10]。

本文針對(duì)基于寬光譜儀的水下原位化學(xué)分析儀的控制及采集需求,研制了基于PC-104嵌入式平臺(tái)的水下原位流動(dòng)注射分析儀器的數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng),在操作性能穩(wěn)定的 Windows XPCE平臺(tái)上開發(fā)了應(yīng)用軟件,實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)注射分析過(guò)程的載流驅(qū)動(dòng)、進(jìn)樣控制及CCD光譜圖像采集等功能,為多參數(shù)水下原位化學(xué)分析儀提供了功能強(qiáng)大的控制與采集平臺(tái)。

1 水下原位流動(dòng)注射分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的水下原位流動(dòng)注射分析儀根據(jù)不同化學(xué)物質(zhì)檢測(cè)的需求,需要對(duì)隔膜泵和切換閥進(jìn)行有序的控制,使得海水和相關(guān)試劑按照預(yù)定的流速和順序在混合盤管進(jìn)行混合,混合均勻的液體流經(jīng)檢測(cè)池時(shí)利用光譜儀檢測(cè)相關(guān)波長(zhǎng)的峰形變化,然后對(duì)特征峰形數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),利用相關(guān)參數(shù)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后獲取海水中化學(xué)物質(zhì)的濃度,其工作流程如圖1所示。一般測(cè)量單個(gè)化學(xué)指標(biāo)需要2～3種化學(xué)試劑,因此若要實(shí)現(xiàn)海水中等指標(biāo)的測(cè)量,需要在完成十幾個(gè)泵和閥門的控制同時(shí),還要采集大信息量的兩維 CCD 靶面輸出像素?cái)?shù)據(jù),采用單片機(jī)無(wú)疑會(huì)增加系統(tǒng)的硬件和軟件實(shí)施難度,因此本設(shè)計(jì)采用PC-104模塊作為主控制器,利用PC-104總線作為系統(tǒng)拓展接口。

圖1 水下原位流動(dòng)注射分析儀工作流程示意圖Fig.1 The schematic diagram of in situ underwater flow injection analyzer

PC-104模塊結(jié)構(gòu)是為滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求而優(yōu)化的簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)系統(tǒng),緊湊型的 ISA(PC,PC/AT)總線結(jié)構(gòu)提供了機(jī)械和電氣規(guī)范,其總線結(jié)構(gòu)的 104個(gè)信號(hào)線分布在兩個(gè)總線連接器上,所以稱這種總線結(jié)構(gòu)為“PC104”。雖然其信號(hào)定義和PC/AT基本一致,但電氣和機(jī)械規(guī)范卻完全不同,是一種優(yōu)化的、小型、堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式控制系統(tǒng)。PC-104標(biāo)準(zhǔn)模塊的機(jī)械尺寸為3.8英寸長(zhǎng)、3.6英寸寬(96 mm×90 mm),由于采用堆棧式結(jié)構(gòu),具有良好的抗震性。

本設(shè)計(jì)采用研華公司PCM3355產(chǎn)品,其在標(biāo)準(zhǔn)PC-104尺寸上集成了計(jì)算機(jī)所必備的各種功能的低功耗嵌入式模塊,譬如串行接口(RS232,RS422/485)、內(nèi)存插槽、IDE硬盤接口、鍵盤、鼠標(biāo)接口、顯示器接口、平板顯示器接口、看門狗定時(shí)/計(jì)數(shù)器、USB接口、打印機(jī)接口、網(wǎng)卡接口、以及CF卡插槽和 PC104總線擴(kuò)展插槽等。PCM3355模塊的 CPU采用AMD公司的低功耗AMD LX800/LX600 芯片,主頻為500 MHz,功耗6 W到9 W。PC104總線的各個(gè)接口地址和定義,如串行口數(shù)據(jù)和狀態(tài)寄存器、中斷和入口地址、DMA等操作方式完全與微機(jī)的ISA總線相同。硬件平臺(tái)工作溫度范圍為0 ～ 60 ℃,滿足水下工作環(huán)境的要求(User's Manual for PCM-3355,Advantech Co.,Ltd.,2010,www.advantech.com.cn)。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)多通道電磁閥和泵的控制,采用基于PC104總線的32位可讀寫數(shù)字I/O模塊(PCM3730)作為外設(shè)控制單元,利用USB(Universal Serial Bus)總線作為PC-104模塊與光譜儀的數(shù)據(jù)通信接口,以提高光譜儀海量像素?cái)?shù)據(jù)傳遞速度; 利用PC-104模塊上集成的CF卡存儲(chǔ)系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù),當(dāng)儀器回收到甲板可以通過(guò)PC-104的以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通訊與數(shù)據(jù)傳輸。所集成的水下流動(dòng)注射分析儀的控制與采集單元樣機(jī)如圖2所示。

圖2 流動(dòng)注射分析儀的控制與采集單元Fig.2 The control and acquisition unit of flow injection analyzer

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

基于PC-104模塊的水下原位流動(dòng)注射分析儀采用嵌入式 Windows XPCE操作系統(tǒng),使用標(biāo)準(zhǔn)的C++語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)編程。系統(tǒng)控制和采集的流程如圖3所示,軟件程序主要由電磁閥與泵控制、數(shù)據(jù)采集與處理、網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)上傳功能模塊組成。

控制采集程序的主界面如圖 4所示,包括控制窗口、狀態(tài)顯示窗口和光譜實(shí)時(shí)顯示窗口等。所開發(fā)的人機(jī)操作界面簡(jiǎn)潔,各項(xiàng)功能一目了然,便于操作。在實(shí)施水下檢測(cè)任務(wù)前,通過(guò)主界面可對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

2.1 電磁閥與泵控制模塊

控制模塊采用研華公司的PCM3730作為I/O控制器實(shí)現(xiàn)電磁閥與泵控制。PCM3730是32信道隔離數(shù)字I/O模塊,可提供16個(gè)數(shù)字信號(hào)輸入及16個(gè)數(shù)字信號(hào)輸出通道(User's Manual for PCM-3730,Advantech Co.,Ltd.,2010,www.advantech.com.cn)。根據(jù)流動(dòng)注射分析儀所控制電磁閥數(shù)量的需要,用戶可選用數(shù)字信號(hào)輸出端的 0～7位作為電磁閥的控制端口,各項(xiàng)任務(wù)的電磁閥的時(shí)序參數(shù)設(shè)置如圖 5所示,一旦設(shè)置完畢,設(shè)置的參數(shù)會(huì)被自動(dòng)保存。在編程過(guò)程中調(diào)用PC-104驅(qū)動(dòng)庫(kù)函數(shù),根據(jù)所設(shè)置的通道控制順序通過(guò)I/O線控制繼電器,實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥與泵時(shí)序工作狀態(tài)的控制。

圖3 控制和采集程序的總流程圖Fig.3 The flow chart of control and acquisition program

圖4 水下流動(dòng)注射分析儀控制采集程序主界面Fig.4 The main interface of control and acquisition system of in situ flow injection analyzer

圖5 電磁閥參數(shù)設(shè)置界面Fig.5 The interface for setting parameters of solenoid valves

2.2 峰形數(shù)據(jù)采集與處理模塊

光譜儀選取 Ocean Optics公司的微型光纖光譜儀USB4000,采用USB數(shù)據(jù)總線與PCM3355集成,利用 USB4000的驅(qū)動(dòng)庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)。由于USB4000光譜儀的輸出是全波長(zhǎng)像素信息,針對(duì)不同的檢測(cè)對(duì)象需要提取不同波長(zhǎng)的峰形信息,為此專門設(shè)置了檢測(cè)范圍參數(shù)選項(xiàng),如圖6所示,用戶可根據(jù)不同的檢測(cè)對(duì)象分別進(jìn)行光譜波段、波長(zhǎng)間隔和積分時(shí)間等參數(shù)設(shè)置,進(jìn)行選擇性采集和存儲(chǔ); 同時(shí)為便于光譜波形變化精細(xì)結(jié)構(gòu)的觀察,可對(duì)波形信號(hào)進(jìn)行不同級(jí)別的放大顯示。

圖6 光譜儀相關(guān)參數(shù)設(shè)置界面Fig.6 The interface for setting parameters of spectrometer

數(shù)據(jù)采集與處理功能主要包括數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示通過(guò)波段設(shè)定按鈕可以對(duì)需要顯示的波段進(jìn)行設(shè)置,可以按波長(zhǎng)顯示,也可以按時(shí)間顯示波段的平均值,如圖7所示。光譜波段的數(shù)據(jù)記錄以文本格式存儲(chǔ)。

圖7 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示界面Fig.7 The interface for displaying real-time data

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)上傳模塊

水下原位流動(dòng)注射分析儀在完成測(cè)量任務(wù)后,其觀測(cè)數(shù)據(jù)可以通過(guò)網(wǎng)線端口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信,將數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)硬盤中。本設(shè)計(jì)采用開源控制軟件 VNC(virtual network computing)實(shí)現(xiàn)對(duì) PC104系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和編輯的遠(yuǎn)程控制?？刂撇杉绦蛑惺褂?CopyFile函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳功能,上傳數(shù)據(jù)操作界面如圖 8所示,可以根據(jù)需要選定要上傳的數(shù)據(jù)文件和新文件的保存目錄,上傳成功后會(huì)出現(xiàn)上傳成功的提示窗口。

圖8 數(shù)據(jù)上傳界面Fig.8 The interface for uploading data

3 結(jié)論

本文利用 PC-104嵌入式系統(tǒng)的高性能處理器,硬件資源豐富、支持多任務(wù)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn),開發(fā)了基于PC-104模塊的水下原位流動(dòng)注射化學(xué)分析儀數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng),驗(yàn)證了PC-104模塊的控制及實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)采集的可行性。由于PC-104模塊基于PC機(jī)通用技術(shù),結(jié)構(gòu)緊湊、可以采用標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序快速開發(fā),簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的水下化學(xué)分析儀器設(shè)計(jì)與實(shí)施過(guò)程,提高了水下儀器系統(tǒng)開發(fā)效率。

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