0 引言

    熱水鉆是一種聯(lián)合融雪箱、鍋爐,、加壓泵等設(shè)備將冰雪變?yōu)楦邏荷淞鲝奶囟▏娮靸?nèi)噴射出來融化和沖擊冰雪層的冰架鉆進(jìn)設(shè)備，熱水鉆探對于在南極更深入地研究冰架底部凍融過程,、冰架底部附著冰的特性,、冰蓋和冰架物質(zhì)平衡等多方面具有重要意義^[1-2]。國際上已經(jīng)在南極進(jìn)行過實(shí)際鉆探且具有代表性的熱水鉆分別是英國南極調(diào)查局“埃爾斯沃斯冰下湖項(xiàng)目（Subglacial Lake Ellsworth Project,，SLEP）”中用到的“無污染熱水鉆（Clean Hot Water Drills,，CHWD^[3]）”和美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校“惠蘭斯冰下湖鉆探研究項(xiàng)目（Whillans Ice Stream Subglacial Access Research Drilling Project,，WISSARD^[4]）”中用到的CHWD,。SLEP的CHWD雖然已經(jīng)能夠進(jìn)行實(shí)際鉆探，但由于其測控系統(tǒng)的不可靠性最終導(dǎo)致SLEP宣告失??；WISSARD的CHWD在南極成功鉆透了800 m厚的冰架并獲取了冰下湖沉積物樣品，但該項(xiàng)目的核心測控技術(shù)完全對外封閉,。為填補(bǔ)我國在南極冰架熱水鉆進(jìn)技術(shù)研究方面的空白,，本文研制了一套冰架熱水鉆鉆頭測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)將與中國極地研究中心研制的熱水鉆鉆頭以及冰面其他設(shè)備協(xié)同合作,，實(shí)現(xiàn)對隨鉆參數(shù)的采集和高壓水流噴射方向的控制,。熱水鉆實(shí)際應(yīng)用示意圖如圖1所示。

    考慮到南極的低溫以及鉆頭正常工作時(shí)的外圍環(huán)境,，對測控系統(tǒng)提出的要求如下：

    （1）工作溫度范圍：-30 ℃~80 ℃,；

    （2）可靠通信距離：2 500 m；

    （3）最大工作深度：2 000 m,。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)框架

    根據(jù)系統(tǒng)各部分工作時(shí)所處位置不同,，可將系統(tǒng)簡單分為冰面遠(yuǎn)程測控中心和隨鉆測控系統(tǒng)兩部分，系統(tǒng)整體框架如圖2所示。冰面遠(yuǎn)程測控中心由發(fā)電機(jī),、高壓直流電源,、工控機(jī)、工業(yè)級光電隔離型RS232-RS485轉(zhuǎn)換器和絞車組成,；隨鉆測控系統(tǒng)由裝有嵌入式測控電路板的測控艙,、裝有聲學(xué)信號處理器的處理艙、裝有電磁閥的水流換向艙和多種外圍傳感器組成,。

1.2 系統(tǒng)工作原理

    冰面遠(yuǎn)程測控中心與隨鉆測控系統(tǒng)通過盤繞在絞車上的高強(qiáng)度軟管進(jìn)行連接,，該軟管為2 500 m長的水電復(fù)合纜，其中水管部分用于將冰面的高壓熱水送至鉆頭,，電纜部分可用于冰面遠(yuǎn)程控制中心和隨鉆測控系統(tǒng)之間的供電與通信,。

    測控系統(tǒng)的電力均由發(fā)電機(jī)提供，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電送到高壓直流電源,，高壓直流電通過水電復(fù)合纜傳輸?shù)姐@頭的嵌入式測控艙中,，然后即可通過電源處理電路給隨鉆測控系統(tǒng)中各傳感器、電路板和電磁閥提供電能,。待隨鉆嵌入式系統(tǒng)開始工作后,，隨鉆參數(shù)即可被嵌入式測控系統(tǒng)捕獲，這些參數(shù)經(jīng)MCU處理后,，以通信幀的形式被發(fā)送到水電復(fù)合纜上,，位于冰面控制中心的上位機(jī)軟件在收到通信幀后，對通信幀進(jìn)行處理,，隨鉆參數(shù)即可被遠(yuǎn)程顯示在工控機(jī)上,。同時(shí)，根據(jù)需求上位機(jī)軟件也可將控制令發(fā)送至隨鉆測控系統(tǒng),，即可達(dá)到對高壓水流方向的控制,。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    隨鉆系統(tǒng)硬件是以MCU核心電路為基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)的嵌入式測控電路，如圖3所示,。該測控電路主要包括6路12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,、2路數(shù)字開關(guān)控制量、2路RS232通信接口電路以及1路RS485通信接口電路,。在這6路12位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中有3路用于溫度測量,，2路用于壓力測量，1路用于位移測量,， 3個(gè)溫度傳感器分別用于測量鉆頭頂部,、中部和底部的溫度，2路壓力傳感器用來測量鉆頭內(nèi)部和外部的水壓,，位移傳感器被用來判斷鉆頭是否觸底,。為了便于設(shè)計(jì)且使系統(tǒng)電路具有高的接口可替換性,，這6個(gè)傳感器均選型為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4 mA~20 mA型電流傳感器，電流信號經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換電路處理后變?yōu)閷?yīng)的壓力信號即可被MCU內(nèi)部的ADC處理,。系統(tǒng)中的2路數(shù)字開關(guān)控制量用于控制鉆頭中的2個(gè)水路切換電磁閥的開合,。由于電磁閥負(fù)載是一個(gè)強(qiáng)的感性負(fù)載^[5]，因此在繼電器驅(qū)動(dòng)電路中特地加入了EMC濾波器件和由二極管和功率電阻組成的放電回路,。聲學(xué)孔徑傳感器獲取鉆頭在0°,、120°、240° 3個(gè)方向到冰壁的距離,，并以RS232通信的方式將這3個(gè)孔徑數(shù)據(jù)傳給主控MCU,。三軸姿態(tài)傳感模塊是板載的，在電路上也是以RS232的方式將姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給主控MCU,。RS485通信電路用于將主控MCU處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至冰面測控中心,。考慮整個(gè)系統(tǒng)的上述需求以及系統(tǒng)的工作溫度,，這里MCU采用ST公司的STM32F103RCT7單片機(jī),，該單片機(jī)體積小巧、外設(shè)豐富,，且能夠可靠工作于-40 ℃~105 ℃,。

    水電復(fù)合纜傳輸來的300 V直流電先經(jīng)過由Victor公司生產(chǎn)的Mini型高集成度DC-DC隔離降壓模塊輸出24 V，然后再經(jīng)由電源管理電路輸出12 V,、5 V、3.3 V和2.5 V供各芯片或器件使用,。如圖4所示,，水電復(fù)合纜中的電纜有8根，為了使得在供電和通信上更加可靠,，系統(tǒng)將1,、2號纜定義為RS485的A線，將3,、4號纜定義為RS485的B線,，同理將5、6號纜和7,、8號纜分別定義,，定義300 V電源輸出的正極和地。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)軟件包括工控機(jī)內(nèi)用的上位機(jī)程序和隨鉆嵌入式下位機(jī)程序,，其中上位機(jī)程序使用Microsoft Visual Studio 2013進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試,，下位機(jī)程序使用Keil進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試。

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    上位機(jī)程序主要用于隨鉆參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)字化顯示,，以及給隨鉆測控電路發(fā)送心跳信號和控制命令,。軟件開始工作后先對軟件中用到的圖形化控件和通信串口進(jìn)行初始化配置,，然后一直工作于隨鉆數(shù)據(jù)幀的實(shí)時(shí)接收、解析和顯示過程中,。上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀如圖5所示,“含義字母”段中‘C’,、‘S’、‘H’分別代表關(guān)電磁閥,、開電磁閥和心跳信號,，“含義數(shù)字”段中‘1’、‘2’分別對應(yīng)編號為1或2的電磁閥,，而‘0’則用于發(fā)送心跳幀,。

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    嵌入式下位機(jī)程序設(shè)計(jì)可以分為以下4個(gè)步驟：

    (1)系統(tǒng)初始化。待系統(tǒng)上電后,，對MCU系統(tǒng)時(shí)鐘,、I/O口、USART,、ADC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行初始化配置,。

    (2)傳感器數(shù)據(jù)獲取。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中會(huì)通過ADC采樣電路,、RS232通信電路等不停地獲取隨鉆各傳感器的數(shù)據(jù),。

    (3)數(shù)據(jù)處理和發(fā)送。系統(tǒng)將各傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，然后將這些數(shù)據(jù)和MCU控制繼電器所用I/O口的電平狀態(tài)以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送給上位機(jī),。上行數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容定義如圖6所示。

    (4)接收下行數(shù)據(jù)幀,。系統(tǒng)工作過程中一旦接收到下行數(shù)據(jù)幀,，將會(huì)立刻對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

    下位機(jī)軟件工作流程如圖7所示,。

4 調(diào)試

    本系統(tǒng)最大工作深度為2 000 m,，在該深度處外部水壓達(dá)到了20 MPa，因此專門給鉆頭測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種耐高壓抗腐蝕的鈦合金密封艙,，經(jīng)測試該艙體能夠在25 MPa壓力下完好無損并保證密封性,，艙體內(nèi)部電路與外部傳感器采用水密電纜進(jìn)行連接。

    為確保通信電纜能夠滿足上下位機(jī)的通信需求,，本文對項(xiàng)目中用到的2 500 m水電復(fù)合纜進(jìn)行了實(shí)地測試,，萬用表測量結(jié)果顯示該復(fù)合纜中單根電纜阻抗為36 Ω，在通信測試中將串口設(shè)置為：波特率9 600,，數(shù)據(jù)位8 bit,，無奇偶校驗(yàn)，停止位1 bit,，在測試中發(fā)送端每100 ms發(fā)送一幀數(shù)據(jù),，測試端可以正確無誤地每隔100 ms接收到一幀數(shù)據(jù),。經(jīng)多次測試，該復(fù)合纜滿足項(xiàng)目要求,。

    打壓試驗(yàn)和通信測試完成后,，在實(shí)驗(yàn)室對該套測控系統(tǒng)進(jìn)行了高低溫試驗(yàn)。高溫測試過程為：讓裝有測控系統(tǒng)的密封艙工作在高低溫試驗(yàn)柜內(nèi),，溫度從常溫升至51 ℃,，并保持此溫度10 min，然后升至80 ℃,，連續(xù)工作2小時(shí),；低溫測試方法為：溫度從常溫降到-20 ℃，并保持此溫度10 min,，然后降到-30 ℃,，連續(xù)工作1小時(shí)后，對系統(tǒng)斷電10 min,，再次上電,，繼續(xù)工作1小時(shí)。在整個(gè)測試過程中,，通過上位機(jī)觀察測控系統(tǒng)返回的數(shù)據(jù)是否正常,。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠可靠工作于-30 ℃~80 ℃之間,，其中低溫測試中斷電10 min再次上電工作1小時(shí)的目的是為了模擬南極工作情景,，確保系統(tǒng)能夠在低溫條件下正常啟動(dòng)。

    最后,，將測控系統(tǒng)安裝于鉆頭之上,，在車間對整套系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合調(diào)試，聯(lián)調(diào)過程再次驗(yàn)證了該套系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性,。

5 總結(jié)

    本文通過實(shí)驗(yàn)室與車間的多種測試方法對系統(tǒng)的實(shí)用性與可靠性進(jìn)行了全面的驗(yàn)證。本文中極地冰架熱水鉆鉆頭測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的要求,，實(shí)現(xiàn)了在極地極端條件下對鉆頭相關(guān)參數(shù)的采集與回傳,，并能夠使用上位機(jī)軟件對鉆頭射流方向進(jìn)行控制。此外,，該測控在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留了一些傳感器的接口,，以便于系統(tǒng)在后續(xù)應(yīng)用中的擴(kuò)展和升級。

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作者信息：

周巧娣,，同  懿，余小非

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院,，浙江 杭州310018）