朱明亮,曹志敏,張曉東,董振芳,于新生

(1.海底科學與探測技術教育部重點實驗室,中國海洋大學 海洋地球科學學院,山東 青島 266100; 2.國家海洋局 第一海洋研究所,山東 青島 266100)

隨著人類對海洋研究與開發(fā)的不斷深入,迫切需要獲取連續(xù)的水下現(xiàn)場綜合參數(shù)的時空變化信息,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對全球氣候變化和環(huán)境所產生的影響。原位化學探測技術可以對海水中的同價氣體、各種離子、微量金屬元素、營養(yǎng)鹽及有機物質等化學物質進行實時檢測,是獲取海洋化學變化源頭信息的重要手段[1]。傳統(tǒng)的電極式海洋化學傳感探頭雖然具有體積小、響應速度快等優(yōu)點,但是由于海水環(huán)境的復雜性,其在水下應用過程中存在著敏感膜材料易老化、壽命短、觀測指標單一等問題[1-2],影響了水下化學物質變化過程的長期觀測資料獲取。在成熟的實驗分析儀器設備基礎上進行改進,發(fā)揮其綜合測量能力強、靈敏度高及原位自我校準等特點,可以提高水下原位探測功能的多樣性和精度,比如利用改進的流動注射分析技術可以進行水下多種營養(yǎng)鹽及金屬離子的檢測[3]、利用拉曼光譜分析技術實現(xiàn)水下溶解氣體濃度變化的定量觀測等[4]。

流動注射分析是通過把一定體積的樣品注入到以一定流速流動的載體中,在流經反應器時得到混合,混合液體經過檢測池時通過對特征峰形信號檢測實現(xiàn)樣品的定量在線測量技術。流動注射分析技術的特點是效率高(檢測樣品的速度可達 100～200樣/h)、重復性好、靈敏度高; 同時由于流動注射系統(tǒng)具有微流量特征,有效地減少了反應所需要的反應試劑盒中標準溶液的體積,便于用于水下化學物質成分的長期原位監(jiān)測,近年來已被美國、英國、法國等國家成功地用于深海水下化學參數(shù)的檢測[5-7]。目前國外報道的水下原位流動注射化學分析儀采用光敏接收二極管或光電倍增管作為光強檢測器件,存在著接收端結構復雜、不便于儀器檢測指標拓展等缺陷。近年來快速發(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度變化信息,具有良好的測量范圍拓展性。寬光譜接收儀采用兩維陣列電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)記錄波強及波形信息,具有其他檢測器件無法比擬的接收信息量大、質量輕、靈敏度好、分辨率高等特點。但是基于圖像傳感器的水下化學分析儀器每次測量的像素數(shù)據(jù)量大,并且連接的外部設備也較多,因此控制和采集系統(tǒng)結構設計較為復雜。基于低功耗單片機的水下儀器設計主要用于系統(tǒng)的并行口、串行口、定時、計數(shù)和中斷的控制應用,如采用單片機進行水下原位化學分析儀的控制及數(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PC計算機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,在標準的90 mm×96 mm 面積上集成了PC計算機的各種功能,它既具備了PC計算機的通用型、可擴展性,又滿足了野外等特殊應用環(huán)境對體積、質量、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PC計算機開發(fā)的應用程序移植到嵌入式系統(tǒng)中,從而為進行高效、低成本的應用樣機研發(fā)提供了良好的開發(fā)平臺。隨著低功耗微處理器技術的不斷發(fā)展,PC-104嵌入式系統(tǒng)已成功地用于水下圖像實時采集[8]、水下自治機器人(AUV)的復雜控制[9]、以及海水溶解氣體檢測的水下質譜儀等設備中[10]。

本文針對基于寬光譜儀的水下原位化學分析儀的控制及采集需求,研制了基于PC-104嵌入式平臺的水下原位流動注射分析儀器的數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng),在操作性能穩(wěn)定的 Windows XPCE平臺上開發(fā)了應用軟件,實現(xiàn)了流動注射分析過程的載流驅動、進樣控制及CCD光譜圖像采集等功能,為多參數(shù)水下原位化學分析儀提供了功能強大的控制與采集平臺。

1 水下原位流動注射分析系統(tǒng)結構

所設計的水下原位流動注射分析儀根據(jù)不同化學物質檢測的需求,需要對隔膜泵和切換閥進行有序的控制,使得海水和相關試劑按照預定的流速和順序在混合盤管進行混合,混合均勻的液體流經檢測池時利用光譜儀檢測相關波長的峰形變化,然后對特征峰形數(shù)據(jù)進行存儲,利用相關參數(shù)對檢測數(shù)據(jù)進行修正后獲取海水中化學物質的濃度,其工作流程如圖1所示。一般測量單個化學指標需要2～3種化學試劑,因此若要實現(xiàn)海水中等指標的測量,需要在完成十幾個泵和閥門的控制同時,還要采集大信息量的兩維 CCD 靶面輸出像素數(shù)據(jù),采用單片機無疑會增加系統(tǒng)的硬件和軟件實施難度,因此本設計采用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模塊結構是為滿足嵌入式應用的特殊要求而優(yōu)化的簡化計算機系統(tǒng),緊湊型的 ISA(PC,PC/AT)總線結構提供了機械和電氣規(guī)范,其總線結構的 104個信號線分布在兩個總線連接器上,所以稱這種總線結構為“PC104”。雖然其信號定義和PC/AT基本一致,但電氣和機械規(guī)范卻完全不同,是一種優(yōu)化的、小型、堆棧式結構的嵌入式控制系統(tǒng)。PC-104標準模塊的機械尺寸為3.8英寸長、3.6英寸寬(96 mm×90 mm),由于采用堆棧式結構,具有良好的抗震性。

本設計采用研華公司PCM3355產品,其在標準PC-104尺寸上集成了計算機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)、內存插槽、IDE硬盤接口、鍵盤、鼠標接口、顯示器接口、平板顯示器接口、看門狗定時/計數(shù)器、USB接口、打印機接口、網(wǎng)卡接口、以及CF卡插槽和 PC104總線擴展插槽等。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的ISA總線相同。硬件平臺工作溫度范圍為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)。

為實現(xiàn)對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數(shù)據(jù)傳遞速度; 利用PC-104模塊上集成的CF卡存儲系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù),當儀器回收到甲板可以通過PC-104的以太網(wǎng)接口實現(xiàn)與計算機的通訊與數(shù)據(jù)傳輸。所集成的水下流動注射分析儀的控制與采集單元樣機如圖2所示。

圖2 流動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)功能實現(xiàn)與應用

基于PC-104模塊的水下原位流動注射分析儀采用嵌入式 Windows XPCE操作系統(tǒng),使用標準的C++語言進行開發(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)顯示窗口和光譜實時顯示窗口等。所開發(fā)的人機操作界面簡潔,各項功能一目了然,便于操作。在實施水下檢測任務前,通過主界面可對實驗參數(shù)進行設置。

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個數(shù)字信號輸入及16個數(shù)字信號輸出通道(User's Manual for PCM-3730,Advantech Co.,Ltd.,2010,www.advantech.com.cn)。根據(jù)流動注射分析儀所控制電磁閥數(shù)量的需要,用戶可選用數(shù)字信號輸出端的 0～7位作為電磁閥的控制端口,各項任務的電磁閥的時序參數(shù)設置如圖 5所示,一旦設置完畢,設置的參數(shù)會被自動保存。在編程過程中調用PC-104驅動庫函數(shù),根據(jù)所設置的通道控制順序通過I/O線控制繼電器,實現(xiàn)對電磁閥與泵時序工作狀態(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的驅動庫函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和存儲。由于USB4000光譜儀的輸出是全波長像素信息,針對不同的檢測對象需要提取不同波長的峰形信息,為此專門設置了檢測范圍參數(shù)選項,如圖6所示,用戶可根據(jù)不同的檢測對象分別進行光譜波段、波長間隔和積分時間等參數(shù)設置,進行選擇性采集和存儲; 同時為便于光譜波形變化精細結構的觀察,可對波形信號進行不同級別的放大顯示。

圖6 光譜儀相關參數(shù)設置界面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)的實時顯示和數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)的實時顯示通過波段設定按鈕可以對需要顯示的波段進行設置,可以按波長顯示,也可以按時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。

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

2.3 網(wǎng)絡通信與數(shù)據(jù)上傳模塊

水下原位流動注射分析儀在完成測量任務后,其觀測數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)線端口與計算機進行通信,將數(shù)據(jù)上傳到計算機硬盤中。本設計采用開源控制軟件 VNC(virtual network computing)實現(xiàn)對 PC104系統(tǒng)進行實時監(jiān)控和編輯的遠程控制。控制采集程序中使用 CopyFile函數(shù)實現(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、支持多任務和實時操作系統(tǒng)的特點,開發(fā)了基于PC-104模塊的水下原位流動注射化學分析儀數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng),驗證了PC-104模塊的控制及實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)采集的可行性。由于PC-104模塊基于PC機通用技術,結構緊湊、可以采用標準編程語言實現(xiàn)應用程序快速開發(fā),簡化了結構復雜的水下化學分析儀器設計與實施過程,提高了水下儀器系統(tǒng)開發(fā)效率。

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