近幾十年，我國(guó)加大了對(duì)海洋科考和探測(cè)的力度,。經(jīng)探測(cè)發(fā)現(xiàn),，我國(guó)大陸架淺海海底埋藏著豐富的石油、天然氣以及煤,、硫,、磷等礦產(chǎn)資源。在多數(shù)海盆中,，廣泛分布著深海錳結(jié)核等可利用金屬礦產(chǎn)資源[1],。深海鉆機(jī)是大洋深海地質(zhì)探測(cè)的重要工具之一，它可以探取海底數(shù)十米以下的地質(zhì)樣品,，為科學(xué)家了解海底地質(zhì)構(gòu)造提供第一手資料,。但是深海鉆機(jī)的使用現(xiàn)狀并不理想。一方面,，深海的惡劣環(huán)境給深海鉆機(jī)的使用帶來(lái)了不便,；另一方面，鉆機(jī)一般會(huì)被下放到海底4 000 m～5 000 m的地方作業(yè),，甲板操控人員根據(jù)深海攝像頭傳回來(lái)的視頻對(duì)海底鉆機(jī)進(jìn)行控制,，是典型的開環(huán)控制[2]，鉆取成功率較低,。從海底傳輸上來(lái)的監(jiān)控視頻質(zhì)量不是很好,，再加上鉆機(jī)鉆進(jìn)程序繁瑣，一次作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)十個(gè)小時(shí),，操作人員壓力大,。監(jiān)控視頻從海底傳輸?shù)郊装灞O(jiān)控系統(tǒng)，傳輸距離遠(yuǎn),，延時(shí)較為明顯,。如果遇到誤操作或其他偶然事件,，則無(wú)法及時(shí)停止操作，會(huì)對(duì)鉆機(jī)本身造成很大的損害,。本文介紹的基于STM32的檢測(cè)系統(tǒng)可以減少,，甚至避免這些意外事件的發(fā)生，降低操作人員的工作壓力,。

1 系統(tǒng)的工作原理概述
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    深海鉆機(jī)閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。本文主要闡述由檢測(cè)板以及各個(gè)傳感器組成的檢測(cè)系統(tǒng)，它主要完成對(duì)鉆機(jī)運(yùn)行狀況,、動(dòng)作完成情況的檢測(cè),，并向鉆機(jī)主控系統(tǒng)和甲板監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋鉆機(jī)狀態(tài)信息。

1.2 深海鉆機(jī)閉環(huán)檢測(cè)
    閉環(huán)控制系統(tǒng)是指輸出量直接或者間接地反饋到輸入端,，形成閉環(huán)參與的系統(tǒng)[3],。鉆機(jī)閉環(huán)操作原理簡(jiǎn)圖如圖2所示。實(shí)現(xiàn)深海鉆機(jī)的閉環(huán)控制一般需要有三個(gè)循環(huán)步驟：(1)鉆機(jī)主控系統(tǒng)根據(jù)命令按步驟執(zhí)行分解動(dòng)作,；(2)將分解動(dòng)作的執(zhí)行結(jié)果反饋到鉆機(jī)主控系統(tǒng)和甲板監(jiān)控系統(tǒng),；(3)鉆機(jī)主控系統(tǒng)根據(jù)反饋的結(jié)果做出相應(yīng)的調(diào)整或者是進(jìn)行下一步分解動(dòng)作。本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)主要完成步驟(2),。檢測(cè)系統(tǒng)向鉆機(jī)主控系統(tǒng)的輸出結(jié)果會(huì)間接地影響到檢測(cè)系統(tǒng)采集端的輸入量,，這就形成了對(duì)鉆機(jī)系統(tǒng)的閉環(huán)檢測(cè)。

    首先,檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)鉆機(jī)動(dòng)作進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)?，F(xiàn)在深海鉆機(jī)的動(dòng)作主要是靠液壓桿的伸縮來(lái)完成,，鉆機(jī)主控系統(tǒng)通過控制液壓閥的開、關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓桿的伸縮[2],。檢測(cè)系統(tǒng)主要通過檢測(cè)液壓桿中的油壓力大小并結(jié)合外部數(shù)字傳感器的狀態(tài)來(lái)判定液壓桿動(dòng)作完成情況,。例如，如果液壓桿中油壓增大但是明顯小于系統(tǒng)壓力且外部數(shù)字傳感器沒有信號(hào),，則說(shuō)明液壓桿開始伸縮但是還沒有完成動(dòng)作；如果液壓桿壓力接近系統(tǒng)壓力,，而且外部數(shù)字傳感器有信號(hào),，則說(shuō)明液壓桿已經(jīng)到位。
    其次,，檢測(cè)系統(tǒng)把采集信息反饋到鉆機(jī)主控系統(tǒng)和甲板監(jiān)控系統(tǒng),。因?yàn)殂@機(jī)主控系統(tǒng)內(nèi)部采用CAN總線通信協(xié)議，為了便于與鉆機(jī)主控系統(tǒng)通信,，檢測(cè)系統(tǒng)與鉆機(jī)主控系統(tǒng)之間也采用CAN總線協(xié)議,。檢測(cè)系統(tǒng)與甲板監(jiān)控系統(tǒng)間使用串口協(xié)議，但由于串口傳輸距離有限,，所以需要使用光纖作為傳輸中繼,。水下光端機(jī)先將串口信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),，然后混合光纜將信號(hào)傳輸?shù)郊装灞O(jiān)控系統(tǒng)，甲板監(jiān)控系統(tǒng)再使用光端機(jī)將光信號(hào)還原為串口信號(hào)進(jìn)行分析,。
2 系統(tǒng)硬件描述
2.1 系統(tǒng)主板
    考慮到本系統(tǒng)要設(shè)計(jì)很多模擬量采集口和很多數(shù)字采集量,，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主板的微處理器選擇了ST公司生產(chǎn)的STM32F103VCT6。這款單片機(jī)具有高達(dá)72 MHz的主頻,，內(nèi)置256 KB的Flash,，多路ADC，具有18 MHz的I/O翻轉(zhuǎn)速度[4],，可以滿足檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行速度,、多路模擬量和數(shù)字量采集的要求。這款單片機(jī)還內(nèi)設(shè)有CAN,、USART通信接口,，可以讓檢測(cè)系統(tǒng)與鉆機(jī)主控系統(tǒng)和甲板監(jiān)控系統(tǒng)的通信更加容易實(shí)現(xiàn)。具體的檢測(cè)系統(tǒng)主板構(gòu)架圖如圖3所示,。

2.3 系統(tǒng)應(yīng)急控制
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)了4路24 V/2 A的應(yīng)急控制繼電器,，MCU通過自身的I/O口控制驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器開和關(guān)。如果鉆機(jī)在運(yùn)行過程中發(fā)生意外事件,，比如外部突然電壓不穩(wěn)定,、突發(fā)的姿態(tài)變化、主控系統(tǒng)操作邏輯錯(cuò)誤等狀況,，檢測(cè)系統(tǒng)可以立即控制這4路繼電器采取應(yīng)急措施,，比如切斷系統(tǒng)供電、給鉆機(jī)油壓系統(tǒng)卸荷等,。這些應(yīng)急動(dòng)作是發(fā)生在檢測(cè)系統(tǒng)向鉆機(jī)主控系統(tǒng)和甲板監(jiān)控系統(tǒng)反饋信息之前,，從而在第一時(shí)間避免對(duì)整個(gè)鉆機(jī)系統(tǒng)造成不必要的損害。
3 系統(tǒng)軟件描述
3.1 檢測(cè)系統(tǒng)主板程序流程
    主程序流程圖如圖5所示,。主程序的設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)步驟：

    (1)開始及系統(tǒng)初始化,；
    (2)循環(huán)查詢發(fā)送標(biāo)志位是否置位，如果置位則收集各個(gè)采集模塊信息,；
    (3)判斷采集信息并發(fā)送,；
    (4)安全機(jī)制和響應(yīng)上位機(jī)命令。
    系統(tǒng)上電后,，立即進(jìn)行系統(tǒng)的初始化,。這一步驟非常重要，單片機(jī)初始化系統(tǒng)時(shí)鐘,、定時(shí)器以及各個(gè)外設(shè)等,。初始化完成后，進(jìn)入while循環(huán),。定時(shí)器每隔500 ms就會(huì)觸發(fā)中斷并置位發(fā)送標(biāo)志位,，當(dāng)系統(tǒng)查詢到發(fā)送標(biāo)志位置位時(shí),，就會(huì)采集、計(jì)算各個(gè)傳感器的信息,。如果系統(tǒng)判斷各個(gè)傳感器的信息是在預(yù)定范圍內(nèi),，則通過串口和CAN總線分別向甲板監(jiān)控系統(tǒng)和鉆機(jī)主控系統(tǒng)反饋信息，否則就是鉆機(jī)發(fā)生意外事件,，觸發(fā)緊急安全機(jī)制,。判斷結(jié)束后清空發(fā)送標(biāo)志位，至此一次發(fā)送完成,。
3.2 通信協(xié)議
    檢測(cè)系統(tǒng)向甲板監(jiān)控系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)時(shí),，是以幀數(shù)據(jù)的格式發(fā)送。幀格式具體如圖6,。

    圖中“@$”是幀頭,，“55*”是幀尾，各個(gè)數(shù)據(jù)間用“,，”隔開,。AD1～AD10分別代表MCU采集的10個(gè)通道的AD值，繼電器幀和數(shù)字1,、2幀分別以位的形式表示現(xiàn)在繼電器的狀態(tài)和數(shù)字傳感器的狀態(tài),，例如繼電器幀如果為0x03，轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制就是0011,，這表示第一,、第二個(gè)繼電器閉合，第三,、第四繼電器打開,。
    由于CAN協(xié)議一幀數(shù)據(jù)最大為8 B，不能滿足數(shù)據(jù)長(zhǎng)度要求,，所以軟件上使用CAN數(shù)據(jù)幀中的DATA0作為數(shù)據(jù)發(fā)送的擴(kuò)展幀,，數(shù)據(jù)格式具體如表1。

      Data0的0x01,、0x02,、0x03分別代表數(shù)據(jù)的第一、二,、三幀。把3幀數(shù)據(jù)整合起來(lái),，才是完整的一組數(shù)據(jù),。由于CAN傳輸?shù)拿恳粋€(gè)數(shù)據(jù)都是8 bit，而AD采樣值為16 bit,，系統(tǒng)軟件上采用兩個(gè)CAN數(shù)據(jù)表示一個(gè)AD值,，即第一幀的Data1,、Data2表示AD3的值(AD1與AD2不反饋給鉆機(jī)主控系統(tǒng))，以此類推,。第三幀的Data3和Data4表示轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù),，Data5、Data6,、Data7分別表示繼電器狀態(tài)和數(shù)字1,、2的值。
4 測(cè)試結(jié)果
4.1 通信穩(wěn)定性測(cè)試及結(jié)果
      測(cè)試時(shí)搭建起整個(gè)鉆機(jī)系統(tǒng),，設(shè)置PC上位機(jī)軟件串口為COM1,，通信速率為9 600 b/s，無(wú)奇偶校驗(yàn)位,，8 bit數(shù)據(jù)位,，1 bit停止位。鉆機(jī)主控系統(tǒng)的CAN收發(fā)模塊ID設(shè)置為0x100,，檢測(cè)系統(tǒng)的CAN收發(fā)模塊ID設(shè)置為0x200,，無(wú)擴(kuò)展ID。系統(tǒng)上電,，上位機(jī)可以順利地收到檢測(cè)系統(tǒng)反饋信息后,，用串口調(diào)試助手和USB-CAN助手截獲通信信息進(jìn)行通信穩(wěn)定性測(cè)試，統(tǒng)計(jì)一分鐘內(nèi)串口和CAN的通信次數(shù),、丟包數(shù)和亂碼幀數(shù)量,，結(jié)果如表2所示。

4.2 檢測(cè)系統(tǒng)功能測(cè)試及結(jié)果
    測(cè)試流程如下：
    (1)通信安全機(jī)制測(cè)試
    系統(tǒng)運(yùn)行正常后,，將檢測(cè)系統(tǒng)與PC機(jī)之間的串口連接線斷開,，3 s后檢測(cè)到系統(tǒng)主板自動(dòng)復(fù)位(軟件設(shè)置為3 s)，證明軟件安全機(jī)制有效,。
    (2)系統(tǒng)應(yīng)急功能測(cè)試
    系統(tǒng)運(yùn)行正常后,，慢慢調(diào)高供電電壓，當(dāng)供電電壓超過300 V時(shí)（程序設(shè)置300 V為門限電壓）,，檢測(cè)板繼電器打開,，鉆機(jī)卸荷，證明應(yīng)急功能有效,。
    (3)進(jìn)行各個(gè)模塊采集功能測(cè)試
    在調(diào)試模擬傳感器和數(shù)字傳感器正常后,，進(jìn)行鉆機(jī)閉環(huán)操作模擬。上位機(jī)發(fā)出一個(gè)指令進(jìn)行“取管”組合動(dòng)作,。
    試驗(yàn)中觀察到主控系統(tǒng)首先進(jìn)行組合動(dòng)作中的第一個(gè)“擺臂”動(dòng)作,。檢測(cè)系統(tǒng)反饋機(jī)械臂到位信號(hào)后，鉆機(jī)主控板自動(dòng)進(jìn)行“夾緊機(jī)械手”動(dòng)作,。當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)反饋“機(jī)械手”夾緊信號(hào)后,，主控系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行“回臂”動(dòng)作,；當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)反饋到位信號(hào)后，一套組合動(dòng)作完成,。鉆機(jī)主控系統(tǒng)執(zhí)行動(dòng)作時(shí),，PC上位機(jī)可以實(shí)時(shí)地反應(yīng)當(dāng)前鉆機(jī)機(jī)械臂的狀態(tài)。系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)小時(shí)時(shí),，統(tǒng)計(jì)操作次數(shù)和動(dòng)作執(zhí)行情況,，如表3所示。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以證明：
    (1)檢測(cè)系統(tǒng)與主板間的CAN通信穩(wěn)定可靠,，與甲板監(jiān)控系統(tǒng)串口通信穩(wěn)定,，誤碼率在可接受范圍內(nèi)。
    (2)檢測(cè)系統(tǒng)可以檢測(cè)到鉆機(jī)外部運(yùn)行環(huán)境穩(wěn)定情況,，當(dāng)發(fā)送意外事件時(shí),，可以及時(shí)地采取應(yīng)急措施，成功避免因?yàn)榘l(fā)生意外事件而對(duì)整個(gè)鉆機(jī)系統(tǒng)造成的損害,。
    (3)檢測(cè)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確,、實(shí)時(shí)地檢測(cè)鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并反饋給鉆機(jī)主控系統(tǒng)和甲板監(jiān)控系統(tǒng),，能輔助鉆機(jī)主控系統(tǒng)完成組合動(dòng)作,，檢測(cè)到鉆機(jī)執(zhí)行操作過程中的邏輯錯(cuò)誤，并能成功避免誤操作,，這是深海鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制必不可少的一部分,。
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