本实用新型属于电控系统领域，特别地涉及一种主从双备份式冰下湖可回收型探测器测控系统。
背景技术：
南极大陆的冰层底下存在着冰下湖。南极冰下湖对南极冰盖运动和稳定性具有重要影响，它的水环境可能会提供微生物进化、地球古气候、南极冰盖的形成和演化机理的独特信息。当前，针对地球上长期被巨厚冰川(盖)覆盖的南极大陆的地球科学问题，科学家们想方设法弄清南极冰下湖的形成演变过程、南极冰下湖对冰盖物质平衡的影响，这些科学问题的解决需要一把钥匙——获取冰下湖水体物化参数的原位检测数据，并直接获取无污染的冰下湖湖水样品。通过冰下湖钻进取样和观测技术，可以实现对湖水的物理、化学特性及同位素检测：
(1)无污染钻穿冰盖后，对冰下湖水体物化参数(如温度、压力、电导率、pH)的实时检测，可在人类历史上首次获取冰下湖水体的物化参数，研究冰下湖的水质特征，进而研究冰下湖的形成演变过程；
(2)对获取的冰下湖水体样品进行无机化学成分及同位素组成分析，获取高压、低温、低营养和黑暗环境条件下冰下湖体系的物理、化学、生物作用特征，研究冰下湖湖水来源，进而研究南极冰下湖对冰盖物质平衡的影响。
因此，研制高可靠性能够在冰下长期工作、并能够回收的冰下湖探测器，进而实现冰下湖的无污染钻进采样与实时观测，对研究冰下湖的形成机理和演化规律、南极冰盖及冰下湖物质平衡形式、探索新的生命形式具有重要的科学意义。
目前使用的冰下环境探测器主要有USA CRREL使用的Philbert型热融式冰下水环境探测器，EGIG在格陵兰岛使用的热融式冰下深钻，以及Australian Antarctic Division使用的冰下探测器，其最大进尺深度分别为259米、1005米和112米，这些冰下探测器均能完成不同深度的冰下环境探测。但所有现存的这些冰下环境探测器都只能进行探测而无法取得冰下水体原位样品并回收样品，问题主要集中在：融入冰层一段时间后，冰孔会再次冻结，因而无法回收探测设备。此外，由于冰下湖探测器需要在冰层下面长期工作，要是测控系统出现故障，探测器将无法实现任务，甚至可能无法回收，故提高探测器测控系统的可靠性也至关重要。
技术实现要素：
为解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种主从双备份式冰下湖可回收型探测器测控系统和方法，能够以主从的方式采集探测器探测过程中的各种参数，并对探测器的钻进、回收和湖水取样过程进行控制，具体而言，即能够实现对冰下湖湖水多参数测量及水样采集，以及对温度、压力、姿态等探测器状态信息检测以及梯度加热控制、绞车控制，且具有主从双备份功能，提高可靠性。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：一种主从双备份式冰下湖可回收型探测器测控系统，其特征在于，包括上位机、冰上载波机、冰下载波机、RS232集线器、主控制板和从控制板，
其中冰上载波机接收上位机发来的指令，并与冰下载波机通信，双向传输数据；冰下载波机与RS232集线器连接，RS232集线器分别与主控制板和从控制板连接，主控制板地址为0x01，从控制板地址为0x02；冰上载波机通过冰下载波机发送给RS232集线器地址数据0x01，主控制板返回测量得到的数据；冰上载波机通过冰下载波机发送给RS232集线器地址数据0x02，从控制板返回测量得到的数据；
测控系统还包括主Vicor电源模块、加热控制系统、采样与观测系统、绞车电机驱动器、融冰孔径测量仪、张力信号采集模块、压力信号采集模块、电压信号采集模块、电流信号采集模块、包括若干个温度信号采集模块的温度信号采集模块组、主漏水检测传感器、主钻头方位角电子罗盘、主六轴姿态传感器、从Vicor电源模块、从漏水检测传感器、从钻头方位角电子罗盘和从六轴姿态传感器；
采样与观测系统包括采样系统、观测系统和RS485通信接口；
主控制板包括主控制器、主路2AD接口、主一RS232通信接口、主USART口、主电源管理电路、主二RS232通信接口、主RS485通信接口、主路3AD接口、主CAN通信接口；其中，主控制器通过主RS485通信接口经RS485总线跟加热控制系统连接；主控制器通过主RS485通信接口经RS485总线还跟张力信号采集模块、压力信号采集模块、电压信号采集模块、电流信号采集模块、温度信号采集模块组分别连接；主控制器通过主RS485通信接口和RS485通信接口与采样与观测系统连接；主控制器通过主2路AD接口与主漏水检测传感器连接；主控制器通过主一RS232通信接口与主钻头方位角电子罗盘连接；主控制器通过主USART口与主六轴姿态传感器连接；主控制器通过主二RS232通信接口与RS232集线器连接；主控制器通过主3路AD接口与融冰孔径测量仪连接；主控制器通过主CAN通信接口与绞车电机驱动器连接；主Vicor电源模块经主电源管理电路为主控制板供电；
从控制板包括从控制器、从2路AD接口、从一RS232通信接口、从USART口、从电源管理电路、从二RS232通信接口、从RS485通信接口、从3路AD接口、从CAN通信接口；其中，从控制器通过从RS485通信接口经RS485总线跟加热控制系统连接；从控制器通过从RS485通信接口经RS485总线还跟张力信号采集模块、压力信号采集模块、电压信号采集模块、电流信号采集模块、温度信号采集模块组分别连接；从控制器通过从RS485通信接口和RS485通信接口与采样与观测系统连接；从控制器通过从2路AD接口与从漏水检测传感器连接；从控制器通过从一RS232通信接口与从钻头方位角电子罗盘连接；从控制器通过从USART口与从六轴姿态传感器连接；从控制器通过从二RS232通信接口与R232S集线器连接；从控制器通过从3路AD接口与融冰孔径测量仪连接；从控制器通过从CAN通信接口与绞车电机驱动器连接；从Vicor电源模块经从电源管理电路为从控制板供电；
优选地，所述加热控制系统包括晶闸管调功器、钻头和侧壁加热丝和继电器，交流220V电压作为晶闸管调功器的输入，0～10V PWM信号作为晶闸管调功器的控制信号，晶闸管调功器的输出端子接到钻头或侧壁加热丝，继电器与输出端子连接，为常闭式。
优选地，所述观测系统包括控制电路板、温度传感器、摄像温控加热丝、SD存储卡、嵌入式录像机、高清摄像头、照明灯、串口摄像头和湖水参数测量传感器，所述控制电路板分别与温度传感器、摄像温控加热丝、SD存储卡、嵌入式录像机、照明灯连接，所述高清摄像头通过嵌入式录像机与控制电路板连接；所述串口摄像头和湖水参数测量传感器都通过RS485总线与主控制板连接。
本实用新型通过以上设置有益效果至少包括以下几点：
(1)探测器可能要在冰层中连续工作半年以上，为了探测器能在冰下长期工作，保证主控制板出现故障时仍然能返回实时数据，采用主从双备份式实现测控系统。即冰下湖探测器的控制板包括了主控制板和从控制板，他们在正常工作时是主从关系，在主控制板出现故障时，可以切换到由从控制板来担任“主控”角色。具体而言，上位机的通信链路通过RS232集线器与主控制板和从控制板都建立了连接，主控板地址为0x01、从控制板地址为0x02，上位机可以通过不同地址分别访问主控制板和从控制板。在正常情况下，从控制板仅协助采集数据，主控制板担任“主控”的角色，负责控制绞车和加热控制系统等，并将自身采集的数据和从控制板采集的数据一起发给上位机；当主控板出现故障时，切换到从控制板担任“主控”的角色，负责控制绞车和加热控制系统等，并将采集的数据发送给上位机。这样可以提高冰下湖探测器的长期工作可靠性。
(2)加热控制系统采用晶闸管和继电器并联双备份的结构，当晶闸管和测控系统都正常工作时，使用晶闸管调功器可以分别独立进行上部钻头、下部钻头、上部侧壁加热丝和下部侧壁加热丝的功率调节，进而实现冰下湖探测器的梯度加热控制；当晶闸管调功器出现故障或者测控系统出现故障时，此时和晶闸管并联的继电器触点是闭合的，钻头和侧壁加热丝满功率运行，这样可以至少保证冰下湖探测器可以安全回收，从而提高了探测器的整体可靠性。
(3)常规海洋应用的带脐带缆的水下拖体或者缆控水下机器人，对缆的直径没有特别严格的要求，它们的电缆通常是多芯的，其中至少有两芯传输电力，还有别的电芯传输信号，因此可以利用光纤或者网线等实时传输视频。而冰下湖探测器的绞车是内置的，电缆需要收纳在探测器的内部，受到探测器体积限制，要求电缆要尽量细，而且能够传输大功率的电能。本实用新型采用了电力线载波通信方式，利用两芯电缆既传输电力又传输信号，与常规海洋应用的测控系统采用RS485总线或者CAN通信相比，大大减少了电缆直径，通信距离更远，也解决了信号传输受电力线干扰的问题。但这样电缆就无法选用常规的带光纤或者网线的缆，因此信号传输的带宽有限，无法实现视频的实时传输。本实用新型的观测系统采用了自容摄像加串口摄像头的结构，其中，自容摄像系统可以在进入冰下湖时进行高清摄像，并进行本地存储；串口摄像头可以在低传输带宽情况下定时传输单张图片，虽然获得的图像分辨率不是很高，但这使得冰下或者冰下湖的图像传输到冰面成为可能，使得科研人员可以准实时观看到冰下湖探测器钻进过程中的情况，也为判断探测器是否进入冰下湖提供了重要依据，这些具有重要的意义。
附图说明
图1为本实用新型系统实施例1的主从双备份式冰下湖可回收型探测器测控系统的原理框图；
图2为本实用新型系统实施例2的主从双备份式冰下湖可回收型探测器测控系统的加热控制系统的原理框图；
图3为本实用新型系统实施例3的主从双备份式冰下湖可回收型探测器测控系统的观测系统的原理框图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
相反，本实用新型涵盖任何由权利要求定义的在本实用新型的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本实用新型有更好的了解，在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本实用新型。
实施例1
参见图1所示为本实施例1的主从双备份式冰下湖可回收型探测器测控系统的原理框图。包括上位机10、冰上载波机20、冰下载波机30、RS232集线器416、主控制板40和从控制板50，
其中冰上载波机20接收上位机10发来的指令，并与冰下载波机30通信，双向传输数据；冰下载波机30与RS232集线器416连接，RS232集线器416分别与主控制板40和从控制板50连接，主控制板40地址为0x01，从控制板50地址为0x02；冰上载波机20通过冰下载波机30发送给RS232集线器416地址数据0x01，主控制板40返回测量得到的数据；冰上载波机20通过冰下载波机30发送给RS232集线器416地址数据0x02，从控制板50返回测量得到的数据；
测控系统还包括主Vicor电源模块60、加热控制系统70、采样与观测系统80、绞车电机驱动器90、融冰孔径测量仪418、张力信号采集模块710、压力信号采集模块711、电压信号采集模块712、电流信号采集模块713、包括若干个温度信号采集模块的温度信号采集模块组714、主漏水检测传感器412、主钻头方位角电子罗盘413、主六轴姿态传感器414、从Vicor电源模块61、从漏水检测传感器512、从钻头方位角电子罗盘513和从六轴姿态传感器514；
采样与观测系统80包括观测系统801、采样系统8011和RS485通信接口802；
主控制板40包括主控制器401、主2路AD接口402、主一RS232通信接口403、主USART口404、主电源管理电路405、主二RS232通信接口406、主RS485通信接口407、主3路AD接口408、主CAN通信接口409；其中，主控制器401通过主RS485通信接口407经RS485总线跟加热控制系统70连接；主控制器401通过主RS485通信接口407经RS485总线还跟张力信号采集模块710、压力信号采集模块711、电压信号采集模块712、电流信号采集模块713、温度信号采集模块组714分别连接；主控制器401通过主RS485通信接口407和RS485通信接口802与采样与观测系统80连接；主控制器401通过主2路AD接口402与主漏水检测传感器412连接；主控制器401通过主一RS232通信接口403与主钻头方位角电子罗盘413连接；主控制器401通过主USART口404与主六轴姿态传感器414连接；主控制器401通过主二RS232通信接口406与RS232集线器416连接；主控制器401通过主3路AD接口408与融冰孔径测量仪418连接；主控制器401通过主CAN通信接口409与绞车电机驱动器90连接；主Vicor电源模块60经主电源管理电路405为主控制板40供电；
从控制板50包括从控制器501、从2路AD接口502、从一RS232通信接口503、从USART口504、从电源管理电路505、从二RS232通信接口506、从RS585通信接口507、从3路AD接口508、从CAN通信接口509；其中，从控制器501通过从RS585通信接口507经RS585总线跟加热控制系统70连接；从控制器501通过从RS585通信接口507经RS585总线还跟张力信号采集模块710、压力信号采集模块711、电压信号采集模块712、电流信号采集模块713、温度信号采集模块组714分别连接；从控制器501通过从RS585通信接口507和RS585通信接口802与采样与观测系统80连接；从控制器501通过从2路AD接口502与从漏水检测传感器512连接；从控制器501通过从一RS232通信接口503与从钻头方位角电子罗盘513连接；从控制器501通过从USART口504与从六轴姿态传感器514连接；从控制器501通过从二RS232通信接口506与RS232集线器516连接；从控制器501通过从3路AD接口508与融冰孔径测量仪518连接；从控制器501通过从CAN通信接口509与绞车电机驱动器90连接；从Vicor电源模块60经从电源管理电路505为从控制板50供电。
系统实施例2
参见图2为本实用新型实施例2的主从双备份式冰下湖可回收型探测器测控系统中加热控制系统的原理框图，考虑到需要对冰下湖探测器进行梯度加热，即需要调节钻头和侧壁加热丝的不同加热功率，如果采用继电器切换的方式只能按照几个功率档进行调节，不够灵活，本实用新型采用晶闸管调功器701进行电热丝的功率调节，同时并联继电器703，进行加热控制的双备份。冰面上的高压电源为2500VAC，由于2500米传输电缆的传输损耗，到达探测器端的输入电压为2200～2300VAC，该输入的高压经过环形变压器转换成220VAC，作为晶闸管调功器701的电源输入，分别接到晶闸管调功器701的输入端子1和输入端子2，晶闸管调功器701的端子3和端子4为晶闸管的输出端子，与钻头或侧壁加热丝702串联，其中加热丝的功率调节通过PWM占空比来调节，即图3中的0～10V的PWM控制信号。
在晶闸管调功器701的端子3和端子4，并联了一个常闭式的继电器703，当探测器刚上电时，主控系统迅速控制继电器常闭触点断开，这时使用晶闸管调功器进行加热丝的加热控制，加热丝的功率可以从零到满功率连续可调；万一晶闸管调功器701出现故障，主控制板40控制继电器703触点闭合，将晶闸管调功器701两端短路，使晶闸管调功器701不起作用，这时所有的电压加到加热丝上面，使加热丝满功率运行。在冰下湖探测器中，上部钻头、下部钻头、上部侧壁加热丝和下部侧壁加热丝都各有图3所示的加热控制系统来控制，这样的有益效果是：当晶闸管调功器701和测控系统都正常工作时，使用晶闸管调功器701可以分别独立进行上部钻头、下部钻头、上部侧壁加热丝和下部侧壁加热丝的功率调节，进而实现冰下湖探测器的梯度加热控制；当晶闸管调功器701出现故障或者测控系统出现故障时，此时和晶闸管调功器701并联的继电器703触点是闭合的，钻头和侧壁加热丝702满功率运行，这样可以至少保证冰下湖探测器可以安全回收，从而提高了探测器的整体可靠性。
系统实施例3
参见图3为本实用新型实施例3的主从双备份式冰下湖可回收型探测器测控系统中观测系统的原理框图，观测系统801包括控制电路板803、温度传感器804、摄像温控加热丝805、SD存储卡806、嵌入式录像机807、高清摄像头808、照明灯809、串口摄像头810和湖水参数测量传感器811，其中湖水参数测量传感器811用于测量冰下湖水的理化参数，比如温度、电导率、pH值等；串口摄像头810是一种集成RS485传输接口的摄像头，可以通过RS485接口直接读取串口摄像头810拍摄的照片；在自容摄像系统801中，当探测器进入冰下湖时，控制电路板803给嵌入式录像机807发送指令，嵌入式录像机807开始将高清摄像头808的视频进行录制并传到SD存储卡806上，同时，控制电路板803会开启照明灯809，进行摄像的照明。由于冰下的温度比较低，为了保证高清摄像头808能够在低温下工作，自容摄像系统801内置了温度传感器804和摄像温控加热丝805，当自容摄像系统801内部的温度低于正常工作温度时，控制电路板803会开启摄像温控加热丝805的加热，从而保证在合适的工作温度范围内工作。
有益效果：在本实用新型中，冰下湖探测器的绞车是内置的，电缆需要收纳在探测器的内部，受到探测器体积限制，要求电缆要尽量细，而且能够传输大功率的电能。本实用新型采用了电力线载波通信方式，利用两芯电缆既传输电力又传输信号，与常规海洋应用的测控系统采用RS485总线或者CAN通信相比，大大减少了电缆直径，通信距离更远，也解决了信号传输受电力线干扰的问题。但这样电缆就无法选用常规的带光纤或者网线的缆，因此信号传输的带宽有限，无法实现视频的实时传输。本实用新型的采样与观测系统80采用了自容摄像加串口摄像头810的结构，其中，自容摄像系统801可以在进入冰下湖时进行高清摄像，并进行本地存储；串口摄像头810可以在低传输带宽情况下定时传输单张图片，虽然获得的图像分辨率不是很高，但这使得冰下或者冰下湖的图像传输到冰面成为可能，使得科研人员可以准实时观看到冰下湖探测器钻进过程中的情况，也为判断探测器是否进入冰下湖提供了重要依据，这些具有重要的意义。
控制电路板803分别与温度传感器804、摄像温控加热丝805、SD存储卡806、嵌入式录像机807、照明灯809连接，所述高清摄像头808通过嵌入式录像机807与控制电路板803连接；所述串口摄像头810和湖水参数测量传感器811都通过RS485总线与主控制板40连接。
以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。