近幾十年，我國加大了對海洋科考和探測的力度。經探測發現，我國大陸架淺海海底埋藏著豐富的石油、天然氣以及煤、硫、磷等礦產資源。在多數海盆中，廣泛分布著深海錳結核等可利用金屬礦產資源[1]。深海鉆機是大洋深海地質探測的重要工具之一，它可以探取海底數十米以下的地質樣品，為科學家了解海底地質構造提供第一手資料。但是深海鉆機的使用現狀并不理想。一方面，深海的惡劣環境給深海鉆機的使用帶來了不便；另一方面，鉆機一般會被下放到海底4 000 m～5 000 m的地方作業，甲板操控人員根據深海攝像頭傳回來的視頻對海底鉆機進行控制，是典型的開環控制[2]，鉆取成功率較低。從海底傳輸上來的監控視頻質量不是很好，再加上鉆機鉆進程序繁瑣，一次作業時間長達數十個小時，操作人員壓力大。監控視頻從海底傳輸到甲板監控系統，傳輸距離遠，延時較為明顯。如果遇到誤操作或其他偶然事件，則無法及時停止操作，會對鉆機本身造成很大的損害。本文介紹的基于STM32的檢測系統可以減少，甚至避免這些意外事件的發生，降低操作人員的工作壓力。

1 系統的工作原理概述
1.1 系統結構
    深海鉆機閉環檢測系統整體結構框圖如圖1所示。本文主要闡述由檢測板以及各個傳感器組成的檢測系統，它主要完成對鉆機運行狀況、動作完成情況的檢測，并向鉆機主控系統和甲板監控系統實時反饋鉆機狀態信息。

1.2 深海鉆機閉環檢測
    閉環控制系統是指輸出量直接或者間接地反饋到輸入端，形成閉環參與的系統[3]。鉆機閉環操作原理簡圖如圖2所示。實現深海鉆機的閉環控制一般需要有三個循環步驟：(1)鉆機主控系統根據命令按步驟執行分解動作；(2)將分解動作的執行結果反饋到鉆機主控系統和甲板監控系統；(3)鉆機主控系統根據反饋的結果做出相應的調整或者是進行下一步分解動作。本文設計的檢測系統主要完成步驟(2)。檢測系統向鉆機主控系統的輸出結果會間接地影響到檢測系統采集端的輸入量，這就形成了對鉆機系統的閉環檢測。

    首先,檢測系統對鉆機動作進行狀態檢測。現在深海鉆機的動作主要是靠液壓桿的伸縮來完成，鉆機主控系統通過控制液壓閥的開、關來實現液壓桿的伸縮[2]。檢測系統主要通過檢測液壓桿中的油壓力大小并結合外部數字傳感器的狀態來判定液壓桿動作完成情況。例如，如果液壓桿中油壓增大但是明顯小于系統壓力且外部數字傳感器沒有信號，則說明液壓桿開始伸縮但是還沒有完成動作；如果液壓桿壓力接近系統壓力，而且外部數字傳感器有信號，則說明液壓桿已經到位。
    其次，檢測系統把采集信息反饋到鉆機主控系統和甲板監控系統。因為鉆機主控系統內部采用CAN總線通信協議，為了便于與鉆機主控系統通信，檢測系統與鉆機主控系統之間也采用CAN總線協議。檢測系統與甲板監控系統間使用串口協議，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。水下光端機先將串口信號轉換為光信號，然后混合光纜將信號傳輸到甲板監控系統，甲板監控系統再使用光端機將光信號還原為串口信號進行分析。
2 系統硬件描述
2.1 系統主板
    考慮到本系統要設計很多模擬量采集口和很多數字采集量，監測系統主板的微處理器選擇了ST公司生產的STM32F103VCT6。這款單片機具有高達72 MHz的主頻，內置256 KB的Flash，多路ADC，具有18 MHz的I/O翻轉速度[4]，可以滿足檢測系統對運行速度、多路模擬量和數字量采集的要求。這款單片機還內設有CAN、USART通信接口，可以讓檢測系統與鉆機主控系統和甲板監控系統的通信更加容易實現。具體的檢測系統主板構架圖如圖3所示。

2.3 系統應急控制
    系統設計了4路24 V/2 A的應急控制繼電器，MCU通過自身的I/O口控制驅動電路來驅動繼電器開和關。如果鉆機在運行過程中發生意外事件，比如外部突然電壓不穩定、突發的姿態變化、主控系統操作邏輯錯誤等狀況，檢測系統可以立即控制這4路繼電器采取應急措施，比如切斷系統供電、給鉆機油壓系統卸荷等。這些應急動作是發生在檢測系統向鉆機主控系統和甲板監控系統反饋信息之前，從而在第一時間避免對整個鉆機系統造成不必要的損害。
3 系統軟件描述
3.1 檢測系統主板程序流程
    主程序流程圖如圖5所示。主程序的設計主要分為以下幾個步驟：

    (1)開始及系統初始化；
    (2)循環查詢發送標志位是否置位，如果置位則收集各個采集模塊信息；
    (3)判斷采集信息并發送；
    (4)安全機制和響應上位機命令。
    系統上電后，立即進行系統的初始化。這一步驟非常重要，單片機初始化系統時鐘、定時器以及各個外設等。初始化完成后，進入while循環。定時器每隔500 ms就會觸發中斷并置位發送標志位，當系統查詢到發送標志位置位時，就會采集、計算各個傳感器的信息。如果系統判斷各個傳感器的信息是在預定范圍內，則通過串口和CAN總線分別向甲板監控系統和鉆機主控系統反饋信息，否則就是鉆機發生意外事件，觸發緊急安全機制。判斷結束后清空發送標志位，至此一次發送完成。
3.2 通信協議
    檢測系統向甲板監控系統反饋數據時，是以幀數據的格式發送。幀格式具體如圖6。

    圖中“@$”是幀頭，“55*”是幀尾，各個數據間用“，”隔開。AD1～AD10分別代表MCU采集的10個通道的AD值，繼電器幀和數字1、2幀分別以位的形式表示現在繼電器的狀態和數字傳感器的狀態，例如繼電器幀如果為0x03，轉化為二進制就是0011，這表示第一、第二個繼電器閉合，第三、第四繼電器打開。
    由于CAN協議一幀數據最大為8 B，不能滿足數據長度要求，所以軟件上使用CAN數據幀中的DATA0作為數據發送的擴展幀，數據格式具體如表1。

      Data0的0x01、0x02、0x03分別代表數據的第一、二、三幀。把3幀數據整合起來，才是完整的一組數據。由于CAN傳輸的每一個數據都是8 bit，而AD采樣值為16 bit，系統軟件上采用兩個CAN數據表示一個AD值，即第一幀的Data1、Data2表示AD3的值(AD1與AD2不反饋給鉆機主控系統)，以此類推。第三幀的Data3和Data4表示轉速數據，Data5、Data6、Data7分別表示繼電器狀態和數字1、2的值。
4 測試結果
4.1 通信穩定性測試及結果
      測試時搭建起整個鉆機系統，設置PC上位機軟件串口為COM1，通信速率為9 600 b/s，無奇偶校驗位，8 bit數據位，1 bit停止位。鉆機主控系統的CAN收發模塊ID設置為0x100，檢測系統的CAN收發模塊ID設置為0x200，無擴展ID。系統上電，上位機可以順利地收到檢測系統反饋信息后，用串口調試助手和USB-CAN助手截獲通信信息進行通信穩定性測試，統計一分鐘內串口和CAN的通信次數、丟包數和亂碼幀數量，結果如表2所示。

4.2 檢測系統功能測試及結果
    測試流程如下：
    (1)通信安全機制測試
    系統運行正常后，將檢測系統與PC機之間的串口連接線斷開，3 s后檢測到系統主板自動復位(軟件設置為3 s)，證明軟件安全機制有效。
    (2)系統應急功能測試
    系統運行正常后，慢慢調高供電電壓，當供電電壓超過300 V時（程序設置300 V為門限電壓），檢測板繼電器打開，鉆機卸荷，證明應急功能有效。
    (3)進行各個模塊采集功能測試
    在調試模擬傳感器和數字傳感器正常后，進行鉆機閉環操作模擬。上位機發出一個指令進行“取管”組合動作。
    試驗中觀察到主控系統首先進行組合動作中的第一個“擺臂”動作。檢測系統反饋機械臂到位信號后，鉆機主控板自動進行“夾緊機械手”動作。當檢測系統反饋“機械手”夾緊信號后，主控系統自動進行“回臂”動作；當檢測系統反饋到位信號后，一套組合動作完成。鉆機主控系統執行動作時，PC上位機可以實時地反應當前鉆機機械臂的狀態。系統運行一個小時時，統計操作次數和動作執行情況，如表3所示。

4.3 實驗結果分析
    由以上實驗結果可以證明：
    (1)檢測系統與主板間的CAN通信穩定可靠，與甲板監控系統串口通信穩定，誤碼率在可接受范圍內。
    (2)檢測系統可以檢測到鉆機外部運行環境穩定情況，當發送意外事件時，可以及時地采取應急措施，成功避免因為發生意外事件而對整個鉆機系統造成的損害。
    (3)檢測系統可以準確、實時地檢測鉆機運行狀態，并反饋給鉆機主控系統和甲板監控系統，能輔助鉆機主控系統完成組合動作，檢測到鉆機執行操作過程中的邏輯錯誤，并能成功避免誤操作，這是深海鉆機實現閉環控制必不可少的一部分。
參考文獻
[1] 金翔龍.二十一紀海洋開發利用與海洋經濟發展的展望[J].科學中國人，2006(11)：13-17.
[2] 邱良豐.基于復合光纜的深海鉆機監控系統的研制[D].杭州：杭州電子科技大學，2010.
[3] 趙欽君，姜斌.基于模型的閉環系統故障檢測的一種新方法[J].控制工程，2005，2(12)：174-176.
[4] ST Microelectronics.STM32F103xC STM32F103xD STM32F103xE[Z].2008.
[5] 李海波，林輝.線性光耦在電流采樣中的應用[J].電源技術，2004，6(1)：17-19.