Conduino设计-海洋智能无人系统技术

为了充分利用上述的新型探头，使其非常适用于海洋环境监测，专为微型USB电极量身设计了一种信用卡大小，基于Arduino的四通道电导率仪——Conduino。如果超出上述目标电导率范围，主要要求是：电导率分辨率优于Δσ=15 mS／m，最少四个通道，测量时间Δt=10 ms，电缆长度为几米。因为长电缆会引入寄生阻抗，从而影响测量质量。事实上，屏蔽电缆的长度对串联电阻（根据导线直径从40～200 mΩ／m，对应标准USB电缆相应地从21～28 AWG）和对地杂散电容（约100 pF／m）有影响。前者影响测量的准确性，但与离子电阻串联，可以通过四线传感配置消除，后者会影响输入放大器的稳定性和噪声。采样时间定义了时间分辨率，以及探头移动时的空间分辨率。考虑到最大线速度为1 m／s，10 ms的t给出了长度尺度Δx=1 cm，这与探头尺寸一致。电子器件的设计也遵循与电极选择相同的低成本和简单导向标准。

图7.23　Conduino电路方案

该仪器包括四个相同的通道，一个输入互阻抗放大器来适应输入电流范围，一个闭环电路来管理四线测量。通道输出复用到与ArduinoUNO微控制器连接的基于FFT的单芯片阻抗分析仪（AD5933）。附加的包络监测器避免模拟链的饱和。

电导率测量电路（如图7.23所示）由四个基本块组成：激励探头阻抗的仿真部分，测量其响应的传感部分，处理四线测量的部分和一个处理单元。由于更好地抑制了寄生效应对地的影响，因此选择了电流监测方案。仿真电压Vprobe（最大振幅为0.1 V）以合适的fprobe＞1／（2π·CDL·RSOL）使CDL短路。然后将电流转换为电压，解调和采样。在不同的处理解决方案（例如锁定模拟解调）中，选择了模拟器（AD5933）的单芯片解决方案。它基于FFT分析，包括一个互阻抗放大器（TIA），一个可编程增益放大器（PGA）以及12位1 MSa／s模数转换器（ADC）。FFT内核在1 024点上运行，直接数字合成器（DDS）产生的激励正弦波可达到100 kHz，这使得它们与fprobe所需的值完美匹配。此外，采样时间为1 ms，信噪比（SNR）约为60 dB。外部模拟电路需要通过额外的前端TIA使集成电路测量范围适应所考虑的较低电阻，以及通过AC耦合缓冲器消除相对高的输出阻抗（200Ω）。外部TIA的反馈电阻通过最大输入电流（例如，通过σmin）设置为180Ω，适合2.5 V电压摆幅（由于单个+5 V电源，大约在2.5 V的中间值）。仿真信号应用于所有电极。还实现了四个独立通道，并通过低寄生复用器（ADG604）连接到输入，以进行顺序采集。

该电路的主要创新点在于控制四极测量的部分。有两种方法可以实现四线测量：开环与闭环。在开环解决方案中，分别测量传感器阻抗中流动的电流和其端子上的压降，并计算它们的比率。由于差分电压放大器的高阻抗，所测量的压降不受沿着导线的欧姆降的影响。该解决方案与AD5933不兼容，因为它需要同时对电压和电流进行采样。因此，在这里采用闭环方法。在这种情况下，通过附加的反馈回路将测量的电压与理想的模拟振幅进行比较，该反馈回路驱动所有串联的阻抗。这里需要将差分放大器的精度（通常用带宽为1 MHz的仪表放大器表征）与该环路的稳定性相结合。在fprobe处，环路增益需要很大（＞50）以便提高精度（相对误差近似等于环路增益的倒数），因此需要宽带反馈。由于这个原因，这种解决方案并不常见，并且关闭解调信号的环路方案已经被提出，具有乘法器的所有附加复杂性和误差。因此，使用差分放大器，在环路稳定性的输入阻抗（40 kΩ）和带宽（100 MHz）之间找到折中方案。该环路由具有局部反馈的块组成，由于界面电容CDL，环路在DC中断开。目前，该环路可以通过跳线（J 1，J 2和J 3，在图7.24的原型图片中可见）在通道中独立激活，可以通过数字控制开关轻松替换。该电路符合500 nF的总最大输入电容，与图7.22中报告的所有电极以及几米屏蔽电缆兼容。(www.xing528.com)

图7.24　Conduino板原型图片

插入开源Arduino微控制器板，具有紧凑的信用卡外形。

Arduino UNO微控制器设置AD5933的参数（fprobe，Vprobe），控制多路复用器（MUX）并通过USB端口将数据传输到PC，USB端口为仪器提供电源（+5 V）。此外，Arduino的一个模拟输入用于通过包络检波器（具有时间常数）来监测响应正弦波的整流幅度，以避免采集链的饱和。通过Arduino USB连接中的串行链路，Matlab控制数据采集。此连接将每通道的采样时间限制为11 ms。