PC-104模块在水下原位化学分析仪器中的应用

朱明亮,曹志敏,张晓东,董振芳,于新生

(1.海底科学与探测技术教育部重点实验室,中国海洋大学 海洋地球科学学院,山东 青岛 266100; 2.国家海洋局 第一海洋研究所,山东 青岛 266100)

随着人类对海洋研究与开发的不断深入,迫切需要获取连续的水下现场综合参数的时空变化信息,比如研究海底天然气水合物在海水酸化中所起的作用以及热液活动对全球气候变化和环境所产生的影响。原位化学探测技术可以对海水中的同价气体、各种离子、微量金属元素、营养盐及有机物质等化学物质进行实时检测,是获取海洋化学变化源头信息的重要手段[1]。传统的电极式海洋化学传感探头虽然具有体积小、响应速度快等优点,但是由于海水环境的复杂性,其在水下应用过程中存在着敏感膜材料易老化、寿命短、观测指标单一等问题[1-2],影响了水下化学物质变化过程的长期观测资料获取。在成熟的实验分析仪器设备基础上进行改进,发挥其综合测量能力强、灵敏度高及原位自我校准等特点,可以提高水下原位探测功能的多样性和精度,比如利用改进的流动注射分析技术可以进行水下多种营养盐及金属离子的检测[3]、利用拉曼光谱分析技术实现水下溶解气体浓度变化的定量观测等[4]。

流动注射分析是通过把一定体积的样品注入到以一定流速流动的载体中,在流经反应器时得到混合,混合液体经过检测池时通过对特征峰形信号检测实现样品的定量在线测量技术。流动注射分析技术的特点是效率高(检测样品的速度可达 100∼200样/h)、重复性好、灵敏度高; 同时由于流动注射系统具有微流量特征,有效地减少了反应所需要的反应试剂盒中标准溶液的体积,便于用于水下化学物质成分的长期原位监测,近年来已被美国、英国、法国等国家成功地用于深海水下化学参数的检测[5-7]。目前国外报道的水下原位流动注射化学分析仪采用光敏接收二极管或光电倍增管作为光强检测器件,存在着接收端结构复杂、不便于仪器检测指标拓展等缺陷。近年来快速发展的小型宽光谱接收仪可以一次性记录紫外到红外的光谱强度变化信息,具有良好的测量范围拓展性。宽光谱接收仪采用两维阵列电荷耦合器件(charge coupled device,CCD)记录波强及波形信息,具有其他检测器件无法比拟的接收信息量大、质量轻、灵敏度好、分辨率高等特点。但是基于图像传感器的水下化学分析仪器每次测量的像素数据量大,并且连接的外部设备也较多,因此控制和采集系统结构设计较为复杂。基于低功耗单片机的水下仪器设计主要用于系统的并行口、串行口、定时、计数和中断的控制应用,如采用单片机进行水下原位化学分析仪的控制及数据处理开发,需要较大的开发和测试投入,增加仪器的研发成本和开发周期。

新兴的PC-104嵌入式系统是针对PC计算机体积及功耗不足而开发的嵌入式模块。该模块采用低功耗CPU芯片,在标准的90 mm×96 mm 面积上集成了PC计算机的各种功能,它既具备了PC计算机的通用型、可扩展性,又满足了野外等特殊应用环境对体积、质量、功耗和抗震性的要求; 在软件方面,PC-104嵌入式系统为商业版的嵌入式 Windows XPCE及开源Linux等众多操作系统都提供良好的支持,可以直接把针对PC计算机开发的应用程序移植到嵌入式系统中,从而为进行高效、低成本的应用样机研发提供了良好的开发平台。随着低功耗微处理器技术的不断发展,PC-104嵌入式系统已成功地用于水下图像实时采集[8]、水下自治机器人(AUV)的复杂控制[9]、以及海水溶解气体检测的水下质谱仪等设备中[10]。

本文针对基于宽光谱仪的水下原位化学分析仪的控制及采集需求,研制了基于PC-104嵌入式平台的水下原位流动注射分析仪器的数据采集及控制系统,在操作性能稳定的 Windows XPCE平台上开发了应用软件,实现了流动注射分析过程的载流驱动、进样控制及CCD光谱图像采集等功能,为多参数水下原位化学分析仪提供了功能强大的控制与采集平台。

1 水下原位流动注射分析系统结构

所设计的水下原位流动注射分析仪根据不同化学物质检测的需求,需要对隔膜泵和切换阀进行有序的控制,使得海水和相关试剂按照预定的流速和顺序在混合盘管进行混合,混合均匀的液体流经检测池时利用光谱仪检测相关波长的峰形变化,然后对特征峰形数据进行存储,利用相关参数对检测数据进行修正后获取海水中化学物质的浓度,其工作流程如图1所示。一般测量单个化学指标需要2∼3种化学试剂,因此若要实现海水中等指标的测量,需要在完成十几个泵和阀门的控制同时,还要采集大信息量的两维 CCD 靶面输出像素数据,采用单片机无疑会增加系统的硬件和软件实施难度,因此本设计采用PC-104模块作为主控制器,利用PC-104总线作为系统拓展接口。

图1 水下原位流动注射分析仪工作流程示意图Fig.1 The schematic diagram of in situ underwater flow injection analyzer

PC-104模块结构是为满足嵌入式应用的特殊要求而优化的简化计算机系统,紧凑型的 ISA(PC,PC/AT)总线结构提供了机械和电气规范,其总线结构的 104个信号线分布在两个总线连接器上,所以称这种总线结构为“PC104”。虽然其信号定义和PC/AT基本一致,但电气和机械规范却完全不同,是一种优化的、小型、堆栈式结构的嵌入式控制系统。PC-104标准模块的机械尺寸为3.8英寸长、3.6英寸宽(96 mm×90 mm),由于采用堆栈式结构,具有良好的抗震性。

本设计采用研华公司PCM3355产品,其在标准PC-104尺寸上集成了计算机所必备的各种功能的低功耗嵌入式模块,譬如串行接口(RS232,RS422/485)、内存插槽、IDE硬盘接口、键盘、鼠标接口、显示器接口、平板显示器接口、看门狗定时/计数器、USB接口、打印机接口、网卡接口、以及CF卡插槽和 PC104总线扩展插槽等。PCM3355模块的 CPU采用AMD公司的低功耗AMD LX800/LX600 芯片,主频为500 MHz,功耗6 W到9 W。PC104总线的各个接口地址和定义,如串行口数据和状态寄存器、中断和入口地址、DMA等操作方式完全与微机的ISA总线相同。硬件平台工作温度范围为0 ∼ 60 ℃,满足水下工作环境的要求(User's Manual for PCM-3355,Advantech Co.,Ltd.,2010,www.advantech.com.cn)。

为实现对多通道电磁阀和泵的控制,采用基于PC104总线的32位可读写数字I/O模块(PCM3730)作为外设控制单元,利用USB(Universal Serial Bus)总线作为PC-104模块与光谱仪的数据通信接口,以提高光谱仪海量像素数据传递速度; 利用PC-104模块上集成的CF卡存储系统的测量数据,当仪器回收到甲板可以通过PC-104的以太网接口实现与计算机的通讯与数据传输。所集成的水下流动注射分析仪的控制与采集单元样机如图2所示。

图2 流动注射分析仪的控制与采集单元Fig.2 The control and acquisition unit of flow injection analyzer

2 系统功能实现与应用

基于PC-104模块的水下原位流动注射分析仪采用嵌入式 Windows XPCE操作系统,使用标准的C++语言进行开发编程。系统控制和采集的流程如图3所示,软件程序主要由电磁阀与泵控制、数据采集与处理、网络通信与数据上传功能模块组成。

控制采集程序的主界面如图 4所示,包括控制窗口、状态显示窗口和光谱实时显示窗口等。所开发的人机操作界面简洁,各项功能一目了然,便于操作。在实施水下检测任务前,通过主界面可对实验参数进行设置。

2.1 电磁阀与泵控制模块

控制模块采用研华公司的PCM3730作为I/O控制器实现电磁阀与泵控制。PCM3730是32信道隔离数字I/O模块,可提供16个数字信号输入及16个数字信号输出通道(User's Manual for PCM-3730,Advantech Co.,Ltd.,2010,www.advantech.com.cn)。根据流动注射分析仪所控制电磁阀数量的需要,用户可选用数字信号输出端的 0～7位作为电磁阀的控制端口,各项任务的电磁阀的时序参数设置如图 5所示,一旦设置完毕,设置的参数会被自动保存。在编程过程中调用PC-104驱动库函数,根据所设置的通道控制顺序通过I/O线控制继电器,实现对电磁阀与泵时序工作状态的控制。

图3 控制和采集程序的总流程图Fig.3 The flow chart of control and acquisition program

图4 水下流动注射分析仪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

图5 电磁阀参数设置界面Fig.5 The interface for setting parameters of solenoid valves

2.2 峰形数据采集与处理模块

光谱仪选取 Ocean Optics公司的微型光纤光谱仪USB4000,采用USB数据总线与PCM3355集成,利用 USB4000的驱动库函数实现数据的显示和存储。由于USB4000光谱仪的输出是全波长像素信息,针对不同的检测对象需要提取不同波长的峰形信息,为此专门设置了检测范围参数选项,如图6所示,用户可根据不同的检测对象分别进行光谱波段、波长间隔和积分时间等参数设置,进行选择性采集和存储; 同时为便于光谱波形变化精细结构的观察,可对波形信号进行不同级别的放大显示。

图6 光谱仪相关参数设置界面Fig.6 The interface for setting parameters of spectrometer

数据采集与处理功能主要包括数据的实时显示和数据存储。数据的实时显示通过波段设定按钮可以对需要显示的波段进行设置,可以按波长显示,也可以按时间显示波段的平均值,如图7所示。光谱波段的数据记录以文本格式存储。

图7 数据实时显示界面Fig.7 The interface for displaying real-time data

2.3 网络通信与数据上传模块

水下原位流动注射分析仪在完成测量任务后,其观测数据可以通过网线端口与计算机进行通信,将数据上传到计算机硬盘中。本设计采用开源控制软件 VNC(virtual network computing)实现对 PC104系统进行实时监控和编辑的远程控制。控制采集程序中使用 CopyFile函数实现数据的上传功能,上传数据操作界面如图 8所示,可以根据需要选定要上传的数据文件和新文件的保存目录,上传成功后会出现上传成功的提示窗口。

图8 数据上传界面Fig.8 The interface for uploading data

3 结论

本文利用 PC-104嵌入式系统的高性能处理器,硬件资源丰富、支持多任务和实时操作系统的特点,开发了基于PC-104模块的水下原位流动注射化学分析仪数据采集和控制系统,验证了PC-104模块的控制及实现海量数据采集的可行性。由于PC-104模块基于PC机通用技术,结构紧凑、可以采用标准编程语言实现应用程序快速开发,简化了结构复杂的水下化学分析仪器设计与实施过程,提高了水下仪器系统开发效率。

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