（机械电子工程专业论文）深海传感器自校正系统的控制研究.pdf

摘要 利用深海传感器对海底热液环境的观测可以为海洋资源的勘探工作提供重要 依据。在当前资源紧缺的形势下，应用本课题中的深海自校正传感器系统对海洋 环境进行探测，对海洋资源开发工作意义重大。本课题中的深海传感器是观测深 海环境下热液物理及化学特性的观测系统，自校正功能的实现是本深海传感器的 重要特性。 深海传感器自校正系统应用了自校正的控制策略。系统在工作过程中，按照 设置的自校正控制流程执行各个具体工作状态，包括待测对象的采样、数据采集、 传感器电极的冲洗、传感器的自标定( 包括标准液和海水的冲洗标定两个环节) ， 这样就成功解决了传感器长期工作后系统的信号感知元件零点漂移的问题，提高 了传感器系统的准确性和健壮性。系统在实现自校正功能的同时还可以将系统的 工作状态信息实时记录，存储在系统集成的f l a s h 存储器中，等待系统工作结束 处于离线状态时，可以为测量对象的科学分析工作提供重要参照基准。 本文首先研究了传感器自校正系统的功能需求和系统机理，制定了系统总体 方案和完整工作流程，然后进行了基于c 语言的自校正系统下位机软件设计。在 自上而下的结构下进行了各个模块的设计，包括自校正系统时序控制模块，实时 时钟模块，通信模块，通信数据传输的c r c 循环冗余校验模块和f l a s h 数据存 储模块等。为了在系统调试和现场工作时能够进行实时监控和数据分析，课题工 作中还进行了深海传感器自校正系统控制平台人机界面的设计，这部分实现了人 机界面中通信测试模块，工作模式模块，实时时钟模块，泵阀状态模块，时序参 数模块和实时显示模块等模块的功能，并且控制平台界面友好，操作简单。最后 进行了传感器自校正系统联调试验，通过详细的试验数据得到了深海传感器自校 正系统能够正常工作的结论。 本文实现了传感器在深海等特殊环境下工作的自校正功能，而且系统是建立 在m s p 4 3 0 低功耗单片机的基础之上，为测控系统研究和传感器系统向智能化发 展提供了实现方法和方向。 关键词自校正传感器深海m s p 4 3 0 单片机c r c 校验通信 a b s t r a c t o b s e r v a t i o na n dm e a s u r e m e n tf o rt h eh y & o t h e r m a lf l u i di nd e e ps e ab ys e a s e n s o r sc a ng i v ev e r yi m p o r t a n tr e f e r e n c ei ne x p l o r a t i o no f o c e a n i cr e s o u r c e s d u et o t h el a c ko f r e s o u r c ei nt h ew o r l do f t o d a y , i ti sv e r yi m p o r t a n tt oe x p l o r em a r i n e r e s o u r c e s ，i nw h i c ht h es e l f - c a l i b r a t i o nd e 印s e as e n s o r sm a yp l a yv e r yi m p o r t a n tr o l e t h e d e e ps e a s e n s o r i n t h i s p r o j e c t i s a k i n d o f s y s t e m t o m e a s u r e t h e p h y s i c a l a n d c h e m i c a lp a r a m e t e r so f t h eh y d r o t h e r m a lf l u i di nd e 印s e a , w h o s eg r e a tf e a t u r ei s s e l f - c a l i b r a t i o nf u n c t i o n t h es e l f - c a l i b r a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yw a sa p p l i e di nt h i sd e e ps e as e n s o rs y s t e m d u r i n gt h ew o r k i n gp r o c e s s ，t h es e n s o rs y s t e mc a nc o m p l e t ee v e r yw o r k i n gs t e pg u i d e d b yt h ep r e s e tp r o g r a m t h ew o r k i n gs t e p si n c l u d e ：s a m p l i n go f a n a l y t i c a lt a r g e t , d a t a a c q u i s i t i o n , r i n s ef o rp o l e ，a n ds e l f - c a l i b r a t i o no f t h es e n s o r ( c o m p o s e do f s t a n d a r d b u f f e rc a l i b r a t i o na n ds e aw a t e rc a l i b r a t i o n ) w i t ht h i sm e t h o dw es u c c e s s f u t l ys o l v e d t h ed i f f i c u l t yo f r e f e r e n c ep o i n td r i f td u r i n gi t sl o n gt i m ew o r k i n gp e r i o d f i n a l l yt h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea c c u r a c ya n dr o b u s t n e s so f t h es y s t e mw e r ei m p r o v e dg r e a t l y t h i ss y s t e mc a ni m p l e m e n tt h es e l f - c a l i b r a t i o nf u n c t i o na u t o m a t i c a l l ya n da l s or e c o r d t h ea l lt h ei n f o r m a t i o nd u r i n gr e a l - t i m ew o r k i n gc o n d i t i o ni n t of l a s hm e m o r y a u t o m a t i c a l l y b a s e do na l lt h ei n f o r m a t i o n , i tc a np r o v i d ec o m p l e t er e f e r e n c ef o r a n a l y s i so f t h eh y & o t h e r m a lf l u i dw h e nt h es e n s o ri so f f l i n e t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s t l yd e f m e dt h ef u n c t i o n so f t h i ss y s t e ma n dc l a r i f i e ds y s t e m p r i n c i p l eo f s e l f - c a l i b r a t i o ns g n s o rs y s t e m t h ew h o l ep l a na n df l o w c h a r to f t h es t u d y w a sp r e s e n t e d i nt h es t u d y , w ed e v e l o p e dt h es o t t w a r eu s e di nt h es y s t e mb yc l a n g u a g e t h es o f t ：w a r ei n c l u d e ：t i m i n gc o n t r o lm o d u l e ，r e a l - t i m ec l o c km o d u l e ， c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，t h em o d u l ef o rd a t at r a n s m i s s i o nc y c l i cr e d u n d a n c yc h e c l t h em o d u l eo f f l a s hm e m o r ys t o m g e f u r t h e r , t h eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c es o f t w a r ef o r t h ec o n t r o ls y s t e mw a sd e v e l o p e d f i n a l l y , s o m ee x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e da n dt h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h i ss e l f - c a l i b r a t i o ns y s t e mf o rd e e ps e as e n s o rc o u l dw o r kv e r y w e l l t h i ss t u d yh a si m p l e m e n t e dt h es e l f - c a l i b r a t i o nf u n c t i o nf o rs e n s o rw h i c h w o r k s u n d e rt h ec o n d i t i o no f d e 印s e ao rs o m ee x t r e m ee n v i r o n m e n t t h es y s t e mi sb u i l to n t h eb a s i so f t h el o w - p o w e rm s p4 3 0m i c r o c o n t r o l l e r t h i ss t u d yw i t hs e l f - c a l i b r a t i o n n f u n c t i o np r o v i d e sa ne f f e c t i v em e t h o da n dd i r e c t i o nf o r t h er e s e a r c ho f c o n 灯o ls y s t e m a n di n t e l l i g e n ts e n s o rs y s t e m k e yw o r d s ：s e l f - c a l i b r a t i o n ，s e n s o r , d e e p s e a ，m s p 4 3 0m c u ，c r c ，c o m m u n i c m i o n i i ! 学号呈! ：里鱼1 2 三 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 糊姗魏f l 聋，建1 引蝴胎7 年二月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎鎏盘兰有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： f 】未建1 刊 翩签名砖研枷 签字日期：加7 年二月，日 签字日期：知7 年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：美l 司f 罗核诧乞( 纠，衙巨z 司电话： 通讯地址： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论弟一早三石t 匕 当今社会，随着社会经济和科学技术的不断发展，人类面临人1 3 膨胀，资源 紧缺的形势越来越严峻，资源问题已经成为影响我们工业发展的瓶颈。“重返海洋” 已经成为人类解决这些问题的重要出路之一【i i ，对海洋的积极探索将能够为新能 源和人类的生存环境可持续发展等问题提供有效解决方案，所以现代海洋技术是必 不可少的手段。近年来，随着电子、机电和计算机科学的发展，海洋地球物理探测 技术取得了长足的进步，仪器灵敏度和探测精度不断提高，海洋地球物理探测技 术在近海工程中得到了新的应用，取得了一些成功的经验。 人类用科学方法进行海洋科学考察已有1 0 0 余年的历史，而大规模、系统地 对世界海洋进行考察则仅有3 0 年左右。现代海洋探测着重于海洋资源的应用和开 发，探测食油资源的储量、分布和利用前景，监测海洋环境的变化过程及其规律。 在海洋探测技术中，包括在海洋表面进行调查的科学考察船、自动浮标站，在水 下进行探测的各种潜水器，以及在空中进行监测的飞机、卫星等。 探索海底的主要手段是海洋地质调查，即利用地质、地球物理和地球化学等 多种综合手段探测和查明海底地形、地质构造、沉积物、岩石和矿产资源分布状 况。海洋地质调查与陆地地质调查不同的是，它必须借助海洋地质调查船来进行 工作。 图1 12 0 0 5 年我国科学家首次环球大洋科考起航 在“8 6 3 ”计划的推动下，我国在合成孔径成像声纳、高精度c t d 部面仪和定 标检测设备的研制和定标检测设备的研制和近海环境自动监测技术方面等重大技 术上取得突破性进展，并已进入世界先进水平行列。通过建立海洋环境立体监测 浙江大学硕士学位论文 系统技术及示范系统促进了上海等城市区域性社会经济的发展，并为建立我国整 个管辖海域的海洋环境立体监测和信息服务系统奠定坚实的技术基础。在仅仅4 年多的时间里，我国沿海周边地区已经在全球海洋观测系统框架下，初步建立起 了从航天、航空、海监船体监测体系，从整体上提高我国海洋环境观测监测和预 测预报能力。中国科学家在2 0 0 5 年1 2 月1 7 日在印度洋找到热液硫化物矿石样本， ( 如图1 1 ，图1 2 ) 这标志着中国科学家实现了首次印度洋之行的最大心愿。“大 洋一号”远赴印度洋的主要目的就是要获取热液硫化物和热液生物样本，并争取发 现新的热液异常区，为今后印度洋热液硫化物资源调查积累基础资料。 图1 2 中国科学家首次在印度洋找到热液硫化物 所谓海洋原位化学探测技术，是指利用化学传感器或化学分析器直接在海洋中 样品采集点对样品进行分析的技术。这些传感器或分析器通常以系留浮标( 或系留 潜标) 、海底三角架、水下自治机器人( a t r o 和远程操纵潜水器( r o y ) 等为承载 体，信号通过无线或有线系统进行实时传送。化学传感器或化学分析器是海洋原位 探测系统中的核心技术，近年来其发展主要表现在电化学、光纤化学和湿法化学分 析等三个领域。在材料科学和信息科学的带动下，当今海洋原位化学探测技术得到 了飞速发展。目前，为原位化学探测所研制的传感器和分析器可以监测海水中的溶 解气体、各种离子、微量金属元素、营养盐和有机物等一批化学物质。 在海洋资源研究开发l l 的资源勘探中，勘探方法有直接方法和间接方法。目 前，对深海热液及其扩散流探测的方法主要有三种【3 】：一是实地观察，二是获取 样品，三是原位探测。实地观察是为直接探测，一般借助于运载工具，水下照相 机，水下电视等方法对海底热液喷发、沉积以及其周围的生命形式等进行直接的 观察和分析。这种方式往往不能用来发现异常。采样是利用精度较高的仪器来探 测海底的环境状况，如水声探测1 4 1 、地球化学探测等，采样就要考虑保真，即要 求对采集的样品有保压、保温以及样品无污染等要求。采样分析由于分析数据不 浙江大学硕士学位论文 具有实时性，同时受外在条件的影响非常大容易引起实验数据的失真，所以传统 的采样方法难以胜任现代深海科学研究的要求p 】。 和以往资源探测中常用的采样分析方法相比，海洋原位探测技术是对传统海 洋学研究方法的一次重大突破。深海自校正传感器的使用最大限度地减少了环境 变化所引起的样品成分改变，使得深海环境的实时、原位和长期自动观测成为可 能1 6 。原位探测就是实地在线测量，它对人们所关心的测量对象在海底直接进行 测量，并将测得的数据保存下来，拿到地面的是测得的数据。这种方式能有效解 决离线采样分析不能完全反映真实状况的问题。 原位观测技术正越来越多的应用在海洋研究上。将自校正传感器经过封装由 载人深潜器带到深海去观测热液及热液扩散流的环境的技术已经得到多次成功的 应用。深海自校正传感器即是在这种背景下产生的一种应用于深海的携带化学物 理传感器的实现长期定点的原位观测系统。 1 2 虚拟仪器在原位观测中的应用 测试仪器作为科学技术发展中特别是原位观测必不可少的组成部分，对科学 水平的发展和海洋资源的勘探技术发展起到了很大的推动作用。 l a b v i e w 是l a b o r a t o r yv h - t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h 的简称【7 j ，即 实验室虚拟仪器工程平台，是目前应用范围最广、功能最为强大的虚拟仪器开发 平台。在一般的数据管理、科学计算等方面，在【丑b v i e w 环境下也可以开发出优 秀的应用程序。但是l a b v i e w 最大的优势还在于测控系统的开发。因为它不仅提 供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代的高级信号分析工具，而且 l a b v i e w 程序还非常容易和各种数据采集硬件集成，可以和多种主流的工业现场 总线通讯以及大多数通用标准的实时数据库链接。l 抽e w 已经成为测量与自动 化解决方案的实际工业标准。基于l a b v i e w 的虚拟仪器技术在汽车、航空航天、 半导体、通讯、机械工程、生物医疗、地质勘探、铁路交通等诸多领域都有着广 泛的应用。 l a b v i e w 是一个面向最终用户的工具l s 】。它可以增强我们构建自己的科学和 工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使它进行原 理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。所以在本课题 中也用l a b v i e w 实现上位机的设计，深海传感器自校正系统的人机界面程序的功 能包括系统测试、实时工作状态显示和数据分析。可以在开发阶段为系统调试提 供一个方便的工具；在进行探测工作时监控其工作情况：在工作完成后对数据进 行分析。为深海传感器自校正系统的人机晃面程序开发提供有力的工具，提高了 开发效率。 1 3 深海传感器的国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 深海传感器是为了观测深海环境下热液物理及化学特性的具有自校正自维护 功能的智能原位探测系统。传感器和计算机或微处理器的结合体叫作智能传感器。 智能传感器的功能如下：( 1 ) 自补偿能力。( 2 ) 自校准功能。( 3 ) 自诊断功能。( 4 ) 数值 处理功能。( 5 ) g g r 甸通信功能。( 6 ) 信息存储和记忆功能。( 7 ) 数字量输出功能。随着 科学技术的发展，智能传感器的功能将逐步增强，它将利用人工神经网、人工智 能、信息处理技术，使传感器具有更高级的智能，具有分析、判断、自适应、自 学习的功能，可以完成图像识别、特征检测、多维检测等复杂任务。国外在深海 传感器方面的研究和应用已经比较广泛了。2 0 0 6 年七月，美国通用电气公司研发 了一种名为s m a r t s c a n 是深海探测方面的工具1 舛，它是一种全新的外形为阶梯轴的 在线深海检测工具，这种工具可以帮助探测操作员达到先前难以达到的海面领域， s m a r t s c a n 将会帮助操作员在深海探测的同时保证他们的重要能源补给和保护深 海极态环境的生态系统。 图1 3 深海探测的s m a r ts c a n 工具 蒙特雷海湾研究所在凯克基金资助下将一些灵敏的地震传感器装入一只直径 1 8 英尺的铸造钛球( 1 0 j ，将其沉入海底。该装置可对太平洋7 8 0 0 英尺以上的表面 噪声进行记录。它可以记录到许多地质现象，如数千海里外的印尼地震。这一装 置的封装主要由5 级钛( t i 6 4 ) 夕b 壳构成，这样可以使仪表免于海水侵蚀、危险的 微生物和深海压力的挤压。0 3 英尺厚的外壳是铸造的、并经过热静等压处理。铸 造钛球可承受严酷的深海工作条件。如盐水侵蚀、微生物侵害以及每平方英寸高 达数千磅的超高压力。 美国喷气推进实验所研制了一种m c d u v e 南极圈工具q ，它是一种电池供 电的手持操作工具，m c d u v e 南极圈工具使得美国喷气推进实验所个科学家能够 4 深海里面的岩石上的科学数据。 图1 4 美国喷气推进实验所研制的m c d u v e 南极圈工具 所以深海热液活动和极端生态系统是当前深海研究的热点和突破口【1 2 j i l 3 】。国 外很多发达国家最近在洋中脊热液的原位观测领域取得了重要进展1 4 】【1 朝。这对深 海资源开发有非常重要的意义。 1 3 2 国内研究现状 我国既是一个大陆国家，也是一个海洋国家，所临海域包括渤海、黄河、东海、 南海及台湾以东和以南海区。在这些海域中蕴藏着丰富的油气、矿物和生物资源。 为了维护我国海洋主权和权益以及开发海洋资源，我国必须大力发展海洋探测技 术。 由于加强了和国外技术发达国家的合作，最近我国的深海探测技术也得到了 飞速的发展。美国的阿尔文( a l v i n ) 号载人深潜器是非常著名的用于深海探测的 载人深潜器，在利用a l v i n 号探测热液口时，为了保障a l v i n 号的绝对安全，科学 家们提出了使用非接触式信号传输装置进行潜器内外信号传输的方案【l6 】。目前， a l v i n 号在采样器、化学传感器、温度检测等方面，都采用电磁耦合技术进行信号 传输，如图l - 5 所示。我国的浙江大学多次与阿尔文号载人深潜器进行了合作， 将浙江大学自主研发的电磁耦合非接触式信号传输技术和低功耗原位数据采集系 统应用了在深海科学考察中，取得了很大的成功，推进了中国海洋探测技术的发 展。 5 图1 5a i v i n 载人潜水器上的作业工具及l c l 传输系统 2 0 0 4 年5 月，美国明尼苏达大学、伍兹霍尔海洋研究所和中国浙江大学的2 3 位科学家，乘坐美国“亚特兰蒂斯侮洋考察船，驶入北纬9 度、西经1 0 4 度海域 进行“洋中脊热液原位化学检测传感器系统研究”，浙大兼职教授、美国明尼苏达 大学高级研究员丁抗博士，3 次乘坐世界最先进的载人深潜器“阿尔文”号，下潜到 2 5 0 0 米深处的东太平洋底。浙江大学博士生导师杨灿军将和美国明尼苏达大学合 作研制成功的三套深海低功耗原位数据采集器带到美国a t l a n t i s 号科学考察船 上，参加了美国国家自然科学基金委组织的a t l l 7 航次的海试。三套采集器分别 由美国a l v i n 潜水器带入深海2 5 0 0 米处，对热液及其周边地区进行了较长时间的 长期观测。 图1 6 三套研制成功的深海低功耗原位数据采集器 其中，蓝色采集器和黄色采集器被放置在热液口附近的区域进行了长时间的 定点探测，并获得了非常宝贵的数据，这是国际上首次对热液周围的生物区进行 了长达1 2 天的连续观测结果。红色采集器被放置在热液口上进行了较长过时间探 测( 如图1 7 所示) ，也获得了宝贵数据，从数据的处理结果看，所研制的传感器 信号处理与集成封装机构具有良好性能。传感器采集的温度、氢气、硫化物和p h 6 浙江大学硕士学位论文 值等都十分成功，与美国同行的传感器得到的信息相差无几。在“黑烟囱口”的温 度记录中，传感器显示了5 天的最高温度一直保持在约3 4 0 c 。这些数据是我国对 热液研究的宝贵资料。 图1 7 放置在热液口和热液口附近生物区的数据采集器 由上可知，我国的海洋探测技术也得到了飞速的发展，在海洋探测中的化学 传感器技术、信号处理技术等可直接用于我国正在研发的7 0 0 0 米载人潜水器的作 业系统。 1 4 深海传感器自校正系统的研究目标及内容 1 4 1 深海传感器自校正系统的研究目标 本课题中的深海传感器自校正系统主要是强调将传感器与具有复杂功能的有 源器件及电路集成，实现对感知信号的放大和模数转换，从而使之由被动的无源 器件变为控制系统或者仪器机敏的，灵巧的神经末梢，并且进一步扩展到具有自 我诊断，校正补偿和自维护等功能。 因此本课题的具体目标是研制出一套可长期定点工作于热液口或附近生物区 环境下的，包括化学传感器自校正自维护系统的智能原位探测系统。 深海传感器自校正系统是一种应用于深海环境的携带化学物理传感器的实现 长期定点的原位观测系统。目的是为了实现对深海异常环境进行长期定点的原位 观测，测量海底由于环境变化引起的化学、物理量的变化，并能够将大量的传感 器数据存储到自校正系统的存储设备中，这些数据可以供科学工作者作进一步的 分析，从而实现对这些海洋异常环境进行长时间的科学研究，为开发海洋资源找 到准确有效的突破口。 要在深海传感器的长期定点的原位观测，就必须克服化学传感器在无维护条 件下的使用寿命限制。深海传感器自校正系统使用泵阀流控元件搭建化学传感器 7 浙江大学硕士学位论文 的自维护系统，并随系统携带维护化学传感器长期工作所必需的标准液，在化学 传感器p h 电极的性能下降到测量精度要求以下之前，启动传感器自校正程序对 传感器进行重新标定，恢复化学传感器的性能，从而实现了深海传感器在的长期 观测的目的。 本深海传感器自校正系统课题中主要设计指标和要求如下： 系统工作时间：2 0 天左右； 系统环境温度：0 3 0 c ( 第二期考虑高温热液环境) ； 供电方式：自带电池组，l o 节4 5 0 0 m a h 的电池串联，然后7 组并联，共7 0 节电池； 探测对象：熟液p h 值； 两路前向数据通道：一路探测p h 值；一路采用热敏电阻探测温度； 与潜器通讯方式：i c l ( 电磁耦合) 1 1 7 1 ； 所以使最终研制出的深海白校正传感器具有智能化、功耗低、可扩展，精确 度高等优点。 1 4 2 深海传感器自校正系统的研究内容 在本课题中，海深海传感器自校正系统主要和以前的方案的不同和改进之处 在于： ( 1 ) 考虑到系统数据采集稳定准确性等因素，数据采集控制部分采用本课 题组已经过多次海试技术较为成熟的d a t a l o g g e r 原位数据采集系统，这样 使得观测得到的数据的准确性得到了保证。 ( 2 ) 另外由于深海传感器自校正系统所需要的电能是自带电池组方式，电 能十分宝贵有限，由于前期方案所采用的存储设备是s d 卡，但经过实验， 发现s d 卡功耗很大，存在大大缩短传感器系统使用寿命的风险，综合考 虑系统的存储要求和低功耗稳定性，所以在本深海传感器自校正系统中存 贮芯片采用4 m b y t e 的f l a s h 存储器a t 4 5 d b 3 2 1 b 。 ( 3 ) 在传感器自校正系统的最关键的控制软件程序设计部分，由于汇编语 言是非结构化的语言，含有大量的跳转及变址，这种结构的缺陷使得汇编 语言程序难以读懂，难以维护，也不能移植。而c 语言的结构化，模块 化克服了汇编程序难读和难维护的缺点，c 语言又具有汇编语言的功能优 点，且具有很好的可移植性，这样对深海自校正传感器的后期的完善优化 非常有益。考虑到系统的继承性和模块化，软件程序设计部分采用了c 语言进行编写。 8 浙江大学硕士学位论文 经过完整的方案改进之后，系统中的技术就都比较成熟了，大大提高了深海 深海传感器自校正系统的可靠性和健壮性。 要设计深海传感器自校正系统，首先必须了解深海传感器自校正系统的原理。 并根据原理设计工作流程，确定控制方式。要在深海传感器自校正系统的原理及 工作流程的基础上设计，其调试也要以能否实现其工作流程为最主要指标。在该 课题中主要开展的研究工作和技术如下： ( 1 ) 深海传感器自校正系统的机理研究。了解深海传感器自校正系统在深 海高压环境下是如何实现自校正的原位观测工作，制定了深海传感器自校正 系统详细的时序控制和工作过程，深入研究了深海传感器自校正系统低功耗 设计的原理，深海传感器自校正系统中的m o d b u s 通信协议原理，从而为深 海自校正传感器控制系统的设计打下理论基础。 ( 2 ) 深海传感器自校正系统的关键技术和内容是c 语言的下位机控制程序 设计。软件程序设计部分采用了c 语言进行编写。首先从分析自校正系统的 功能原理图入手，制定了满足系统工作需求的下位机软件总体方案。然后在 自上而下的结构下进行了各个模块的设计，包括自校正系统时序控制模块， 实时时钟模块，通信模块和f l a s h 数据存储模块等。其中通信模块是整个 上下位机系统的重点，所以又深入研究了通信传输数据的c r c 循环冗余校 验算法、通信协议的制定和上下位机通信的算法具体实现。通过以上的软件 设计工作，传感器系统实现了自校正功能，最终将工作状态的时间信息存储 到自校正系统白带的f l a s h 存储器中，为热液的进一步研究工作提供了宝贵 的数据。在软件程序的设计过程中一直遵循着低功耗和模块化的原则，从而 提高了深海传感器系统的可靠性和完善性。 ( 3 ) 课题工作的另一重点是深海传感器自校正系统控制平台人机界面的设 计。控制平台人机界面的总体规划和设计实现了系统开发时在p c 上对系 统参数测试，实时工作状态显示和数据分析，并为深海自校正传感器系统由 载人深潜器携带到深海工作时候提供操作界面。这部分的主要工作内容有实 现了人机界面中通信测试模块，工作模式模块，实时时钟模块，泵阀状态模 块，时序参数模块和实时显示模块等模块的功能，并保证了深海传感器自校 正系统控制平台人机界面的实用性，健壮性和高效性。 ( 4 ) 在上面工作的基础上，本课题最终对深海传感器自校正系统进行了试 验研究。下位机中的关键算法和模块的试验有c r c 循环冗余校验算法验证 试验和f l a s h 数据存储试验，上位机部分主要有系统实时时钟试验，上下 位机通信试验，在前面试验的基础上，最终进行了传感器自校正系统联调试 验，通过详细的试验数据得到了本课题中深海传感器自校正系统能够正常工 9 浙江大学硕士学位论文 作的结论。 1 5 本章小结 本章首先介绍了人类开发海洋资源的重要意义和必要性，从而引出了海洋探 测技术的重要应用和实现方法，从深海传感器的国内外研究现状出发，确定课题 的研究目的是研制出对海洋热液进行探测的深海自校正传感器，并给出一期设计 的主要技术指标。然后分析了这套深海传感器自校正系统的研究内容，即确定系 统的实现和改进方案及整个深海传感器自校正系统的工作流程和程序设计，并简 单介绍了具体的几个部分工作内容，详细内容将在后续章节中阐述。 l o 浙江大学硕士学位论文 第二章深海传感器自校正系统的机理研究 2 1 引言 在本课题中，为了保证设计好自校正深海传感器，除了深入研究深海极端环 境对传感器系统提出的严格技术要求外，还必须充分研究在深海环境下传感器工 作时有可能遇到的每种特殊情况，选择多种方案进行分析比较，所以在我们完整 考虑之后，在系统设计中才能做到有的放矢，设计出最完善的技术方案，经过该 项居中美专家组的讨论，我们确定了深海传感器最终完整的自校正方案，此外还 制定了该方案在软件实现中的详细工作流程图。只有将这些总体方案的前期工作 做好才能指导后续的所有细节工作。另外，在软件功能实现的时候，还必须掌握 深海传感器自校正系统低功耗设计的原理，深海传感器自校正系统中的m o d b u s 通信协议原理，系统低功耗设计的原理是整个系统设计的原则和核心，深海传感 器自校正系统中的m o d b u s 通信协议原理是系统上下位机通信的理论基础，从而 保证了该自校正系统可以为数据采集模块提高准确可靠的时间基准。只有了解了 这些原理和工作流程，才能在系统调试和工作的时候保证传感器系统的正常工作， 同时提高深海自校正传感器系统的智能化和可靠性。 2 2 深海传感器自校正系统工作原理 本课题中的深海自校正传感器系统工作时，系统主要有两路控制系统，一路 是d a t a l o g g e r ( 深海低功耗原位数据采集系统) 上电后即开始一直持续工作，其将 化学传感器和温度传感器对深海环境的热液进行长期探测，探测的p h 值和温度值 数据存储在d a t a l o g g e r 的数据存储器上。另一路系统为传感器自校正系统，该路 系统上电后工作，即开始按时序运行程序设定的各个工作状态，如采样、数据采 集、冲洗、标定( 包括b u f f e r 和海水冲洗标定) ，从而实现了深海传感器系统的在 线校正功能。并且同时将白校正系统每个工作状态的开始和结束时间记录下来， 存储在自校正系统的f l a s h 存储器上。这样等传感器系统在深海的观测工作结束 后，系统回收到岸上以后，可以同时读出d a t a l o g g e r 和传感器自校正系统的存储 器内部的数据，自校正系统读出的数据采集的工作状态的开始和结束时间，将此 时间段和d a t a l o g g e r 对应的时间段对照进行研究，这样就可以为科学家分析热液 特性提供重要的时间基准，实现了深海传感器探测的准确性和可靠性。 浙江大学硕士学位论文 在本课题项目中，深海传感器自校正系统的电极重新标定部分是一个涉及到 多个交叉学科的难点，该系统中主要要对深海热液的p h 值和温度两个量进行测 量。p h 值不仅是溶液化学中重要的检测指标，也是认识自然环境和地质作用的重 要参数。能在深海极端环境下正常工作的全固态电化学传感器对海底热液的勘察 与研究具有重要的意义。p h 传感器有很多类型，而其中的金属金属氧化物p h 电 极具有全金属结构，而且其兼有较好的韧性和刚性，体积小巧，维护简单，较之 其他电极更适合用于极端环境下p h 的在线检测和长期监测1 8 1 1 1 9 1 1 2 0 1 。我们为了对 深海热液的p h 值化学量进行测量，经过比较最终选择了熔融过氧化钠( v a 2 0 2 ) 氧化法制备打l r 0 2p h 电极犯1 1 2 2 l ，在实验中也取得了良好的性能。在深海环境工 作时，p h 电极工作一段时间后，其参考点会发生漂移，所测数据已经有所失真， 所以在自校正系统的软件部分设定了经过几次采样之后，便自动对电极进行重新 标定，用存储在系统的标准液b u f f e r 对电极进行标定，再用海水对电极冲洗标定， 通过对比参照b u f f e r 的p h 值和海水的p h 值，便可以完成了电极标定，使化学传 感器恢复正常的工作能力。这样实现自校正功能的传感器系统可以实现深海热液 的长期原位观测。 为了实现传感器系统的自校正功能，系统需要有的工作状态：采样抽取热液、 数据采集、海水冲洗、传感器自校正系统进行标定( 包括标准液冲洗标定和海水 冲洗标定) 。其总体工作状态流程图如下： 浙江大学硕士学位论文 图2 1 深海传感器自校正系统的工作状态流程图 深海传感器自校正系统由潜器放入到深海环境热液口附近后，首先进入采样 抽取热液状态，深海传感器系统开始工作，用待测热液更新到传感器腔内。抽取 热液完毕，系统的泵停机，对电极腔的扩散流按指定的探测量( 如p h 值) 进行测量， 进行数据采集，数据采集结束后进入海水冲洗工作状态，用距离待测热液较远处 的洁净海水冲洗电极，以减少生物和矿物干扰，保证电极测量的准确性。 前面的采样抽取热液，数据采集和海水冲洗可以按照软件设置固定次数循环 工作几次之后，电极中的化学传感器因达到使用次数开始逐渐失效，参考点发生 漂移，所测数据已经有所失真，所以这时系统进入对电极进行重新标定工作状态， 根据电极的化学原理，传感器自校正系统进行一次标定需要两个环节，包括标准 液冲洗标定和海水冲洗标定。开始进入b u f f e r 冲洗标定，用存储在系统的标准液 b u f f e r 对电极进行标定，然后进入海水冲洗标定阶段，测得海水的p h 值，与b u f f e r 的p h 值进行对比参考标定。经过上述工作状态可以完成了电极标定，使化学传 感器恢复正常的工作能力。完成标定之后，一轮循环结束，系统变可以重新返回 浙江大学硕士学位论文 到最初的工作状态，继续进行采样等工作状态，这样实现自校正功能的传感器系 统的连续长期观测工作。 深海传感器自校正系统的工作原理图如下图所示。 传感器腔 j l 鲤鱼l 由 广南 图2 2 深海传感器自校正系统的工作原理图 传感器腔内主要由化学电极对待测热液进行测量。阀1 是待测热液到传感器 腔的进口阀；阀2 是清洗电极所用海水的进口阀；阀3 是标准液b u f f e r 的进口阀； 阀4 是海水的排放阀；阀5 是传感器腔内热液测量后的废液排放阀；阀6 和阀7 是配合泵进行工作的阀。泵是将待测热液、清洗海水或标准液b u f f e r 抽到传感器 腔的增压泵。根据活塞的运动方向，该泵工作时有两个状态：“呼”和“吸”。“呼” 状态时活塞将容腔内的液体从出口推出，“吸”状态时活塞将进口外液体从进口吸 进。泵与阀6 和阀7 是配合工作的。 深海传感器自校正系统的工作状态对应泵阀通断表如下： 表2 1 深海传感器自校正系统的工作状态对应泵阀通断表 工作状态号码工作状态含义 阀1阀2阀3阀4阀5泵 s t e p 0 上电到工作等待时问 s t e p l 开始采样抽取热液 开 开开 s t e p 2 数据采集测量热液p h 值 s t e p 3 抽取海水进行冲洗开开 开 s t e p 4 抽取b u f f e r 用于标定开开开 s t e p 5 停机测量b u f f e r 的p h 值 s t e p 6 抽取海水用于标定开开开 s t e p 7 测量海水p h 完成标定 1 4 浙江大学硕士学位论文 深海传感器自校正系统开始工作时，工作状态及对应具体泵阀通断如下： s t e p 0 ：上电到正式工作有一段等待时间，这时是为了保证各个程序初始化工 作就绪，这个时候所有的泵阀都停止工作。 s t e p l ：首先进入采样抽取热液状态，深海传感器系统开始工作，这时阀1 ， 阀4 和泵打开开始工作，抽取待测热液到传感器腔内。 s t e p 2 ：抽取热液完毕，进入数据采集测量热液p h 值的工作状态，这个时候 所有的泵阀都停止工作，由d a t a l o g g e r ( 深海低功耗原位数据采集系统) 对传感器 腔内的热液按指定的探测量( 如p h 值，温度) 进行测量，进行数据采集。 s t e p 3 ：数据采集结束后进入海水冲洗工作状态，这个时候阀2 ，阀4 和泵打 开开始工作，用距离待测热液较远处的洁净海水冲洗电极，以减少生物和矿物干 扰，保证电极测量的准确性。 s t e p 4 ：前面的采样抽取热液，数据采集和海水冲洗可以按照设置次数循环工 作几次之后，电极便需要重新标定，进入抽取b u f f e r 用于标定工作状态，这个时 候阀3 ，阀5 和泵打开开始工作，将标准液b u f f e r 更新到传感器腔内。 s t e p 5 ：进入停机测量b u f f e r 的p h 值的工作状态，在此工作状态下，所有的 泵阀都停止工作，由电极开始测量标准液的p h 值，完成传感器标定的第一个环节。 s t e p 6 ：进入抽取海水用于标定工作状态，这个时候阀2 ，阀4 和泵打开开始 工作，将海水更新到传感器腔内。准备用于测量海水的p h 值，从而给标定过程中 测量标准液b u f f e r 的p h 值提供参考点。需要注意的是：该工作状态虽然和s t e p 3 实现的流控元件动作是一样的，都是打开阀2 ，阀4 和泵，但是实现的功能和目的 不同。 s t e p 7 ：最后进入测量海水的p h 值完成标定工作状态，在此工作状态下，所 有的泵阀都停止工作，由电极开始测量传感器腔内海水的p h 值，完成传感器标定 的第二个环节，测量后，通过对比海水和标准液b u f f e r 的p h 值，即可以重新制定 测量参考标准，解决了电极参考点漂移的问题，完成了深海传感器的自校正过程。 结束后各个工作状态又可以重新循环进行。 2 3 深海传感器自校正系统详细工作流程 通过上一节研究了深海自校正传感器的完整方案和系统原理，结合本课题中 的控制程序设计细节，规划了深海传感器自校正系统程序设计中的详细工作流程。 默认设置一次标定 中采样次最为2 放 图2 3 深海传感器白校正系统的详细工作流程 传感器系统开始工作后，等待新一轮的采样时间，时间到了即开始采样，采 浙江大学硕士学位论文 样时间达到后，然后开始对热液扩散流p h 值和温度的数据采集，采集时间达到后， 开始用海水冲洗电极，冲洗时间达到后，便开始判断是否达到规定的采样次数， 没有达到规定的采样次数的话即返回到等待新一轮采样时间前继续执行，如果达 到规定的采样次数的话则表示需要标定，抽取标准液b u f f e r 进行冲洗电极，当冲 洗时间达到后，便对标准液b u f f e r 的p h 值进行测量标定，经过测量一段时间达到 之后，开始抽取海水冲洗电极，海水冲洗电极时间达到后，便对海水的p h 值进行 测量标定，获得标定的参考值，当对海水测量标定时间达到之后，便完成了标定， 系统的工作状态又返回到等待新一轮采样时间处执行，综上所述，深海传感器在 执行各步工作状态的同时实现了自校正功能。 2 4 基于低功耗原理的深海传感器自校正系统设计 由于深海传感器自校正系统是采用子带电池组的供电方式，所以为了保证系 统的长期有效的探测工作能够