0 引言

绝对重力仪是用来直接测量地球重力场重力加速度绝对值的大型、精密测量设备，广泛应用于石油勘探（李红雨等，2019）、地震（Zhang et al，2020）、地球物理环境测量等领域。目前，基于激光干涉原理的绝对重力仪主要有美国的A1（Nabighian et al，2005）、FG5（Okubo et al，1997；何志堂等，2014）型绝对重力仪、德国的MPG2型绝对重力仪、中国计量科学院的NIM系列绝对重力仪（Xu et al，2020）、清华大学T-1型绝对重力仪（Lerch et al，1991）以及中国地震局地球物理研究所的Tide和Age型绝对重力仪（郭有光等，1990；滕云田等，2013）。Tide型激光干涉绝对重力仪基于低容量伺服电机驱动的落体伺服控制系统，有效降低了系统自振，并克服了因电机动力线带来的噪声问题，其简洁的干涉测量光路设计，在保证整机性能指标的前提下，简化了仪器调整过程。然而，隔振系统的零点偏移限制了该仪器长期、连续、稳定工作能力的进一步提升（吴琼等，2012）。

Tide型绝对重力仪隔振系统是基于背簧结构的长周期惯性悬挂结构，其零点漂移是指在没有输入的情况下，隔振系统零点位置随时间推移缓慢变化的现象，主要受内部因素和外部环境的影响（Raja et al，2014；邓友茂等，2018）。若在绝对重力仪测量过程中手动调零，则可能中断正在进行的测量任务，同时调零过程的误差将会耦合到测量的重力数据中，直接影响仪器的重力测试结果，无法满足长期、连续、稳定测量的实际需求。相关文献有：吴鹏飞等（2009）在处理弹簧蠕变过程中，设计了一种新型自动调零装置的机械结构和电路结构，提高了系统的调零精度和速度，并且在调零过程中不产生过调整和欠调整情况，但装置不可避免地会受到温度影响，且移相电路角度难于把握；吴琼等（2012）在处理重力仪零点漂移时，设计了一种机械结构，通过手动调节螺丝的方式调整极板位置，但在野外测量中，零点位置的手动调节方式无法实现长期连续的自动工作；张向宇等（2020）在远洋重力仪中提出以定点复测和重复测线比对2种方法来提高测量精度，但前提是船舶需具备动力定位功能，因受海洋环境影响较大，计算误差仍较大；尹伟言等（2021）在进行航空重力数据处理时，通过航空重力仪在停机坪处的观测值，计算任意时刻弹簧张力的零漂改正，以尝试和探索提高重力数据质量，但并未真正解决仪器零点漂移带来的数据质量问题。

以上研究分别从机械和数据处理角度探讨零点漂移现象的解决方案，但均无法有效避免绝对重力仪隔振系统零点偏移对测量工作和测量数据质量的影响。对此，本文基于性能高、能耗低的STM32单片机加调零电机，构建隔振系统零点位置接收和控制系统。当隔振系统零点位置达到设定阈值时，根据绝对重力仪的实时测量数据进行装调，发出调零信号，对隔振系统进行零点校正，并同步完成仪器观测日志写入，为后续观测数据的自动处理提供标志。

本文依次介绍了自动调零控制系统电路的设计、通信及供电电路设计和双路继电器电路的设计。研究通过与Tide型绝对重力仪的系统联调，保证仪器在正常工作时，可根据整机实时测量工作及时调整隔振系统零点位置，解决了零点漂移现象对测量工作和测量数据质量的影响，实现了绝对重力仪的长期、连续、稳定运行。

1 总体设计

绝对重力仪隔振系统零点自动调节机构设计框图见图 1，可知硬件系统主要包括STM32f103主控、继电器电路、供电电路、通信电路。当隔振系统中间电容极板接近上极板或者下极板，上位机端检测到电压值偏离正常范围，此时零点电压达到设定阈值，将会通过USB接口向控制器发出向上或者向下的调零指令；STM32单片机接收到控制指令后，通过GPIO发出高低电平触发2个继电器工作，控制调零电机执行调零动作，同时完成仪器观测日志写入，以达到绝对重力仪正常工作对隔振系统零点位置的需求；供电电路将外部5 V电压转换为3.3 V，分别为控制器电路和继电器驱动电路提供工作电压。

2 系统硬件设计 2.1 控制系统电路设计

控制系统电路如图 2所示，主控芯片采用STM32f103c8t6单片机。该芯片基于Cortex-M3内核的32位控制器，封装采用LQFP48，硬件资源丰富，具有2个ADC、4个定时器和多个通信接口，可支持多种通信方式。外围电路包括晶振电路、复位电路、boot接口电路、stlink程序下载电路。整个控制系统具有成本低、功耗小的优势。晶振电路连接32.768 k和8 M无源晶振，通过调节内部时钟电路，单片机工作频率可达72 MHz。程序通过STLink接口完成下载，该下载方式简单易行。boot电路中，boot0 = 0为Flash memory启动方式；boot0 = 1、boot1 = 0为System memory启动方式；boot0 = 0、boot1 = 1为SRAM启动方式。本系统采用boot0 = 0、boot1 = 0的方式，从Flash闪存中启动程序，单片机控制电路主要完成接收上位机的控制信号，同时控制继电器模块。

2.2 供电与通信电路设计

单片机供电电压3.3 V，而继电器模块额定电压为5 V，通过AMS1117-3V3元件完成5 V到3.3 V电压的转换。AMS1117是一个正向低压降稳压器，内部集成过热保护和限流电路，输出电压可以是1.2 V、1.5 V、1.8 V、3.0 V、3.3 V、5.0 V。在实现电路保护的同时可调节输出电压，成本低、功耗小。外围连接2个10 μF钽电容，使得输出电压更稳定，滤除纹波信号（图 3）。在3.3 V供电电路与地之间连接4个旁路电容，滤除由电路中不稳定因素引起的供电电压波动，保障供电稳定性。

自动调零系统通信采用USB接口，USB各个管脚功能定义见表 1所示，USB模块采用5根线连接。通信采用USB通信协议，硬件接口上通过micro-B转USB接口与电路连接，结构简单。VBUS接口用于电路的外部供电，电压通常为5 V。数据传输采用差分传输方式，信号抗干扰能力较强，传输速度快，D₊和D_-分别为数据正线和数据负线，当上拉电阻和数据正线连接，表示设备为全速设备；上拉电阻和数据负线连接，表示设备为低速设备。ID接口为USB的标识线，主要用于识别设备是主机还是从机，或用于指示设备的传输速度要求，以此实现角色切换。

本系统中，USB数据正线与阻值22 Ω的上拉电阻相连接（图 4），根据USB2.0通讯协议可判定从设备为全速设备，可以快速传输数据，传输速度为12 Mbps。数据正线和负线分别与单片机的PA12和PA11连接，STM32通过此2个引脚实现USB双向通信功能，VBUS引脚连接+5 V引脚，为系统电路进行供电。与传统的串口通信电路相比，整体结构不仅起到从外部为整个系统供电的效果，还能方便与上位机通信，传输速度快，去除了冗杂的电路结构，简单易行。

2.3 继电器电路设计

基本继电器电路主要由光耦、三极管、继电器构成。如图 5所示，基于multism软件对该电路进行仿真分析，输入端输入0.5 V电压作为电路的激励信号。其中：①三极管作为开关管使用，采用NPN型，型号为15C02MH-TL-E。发射结正偏，集电结正偏，三极管处于饱和状态，开关管打开。发射结反偏，集电结反偏，三极管处于截止状态，开关管关闭。二极管采用1N4149，用来消除继电器开合切换带来的强大电流影响，起到续流作用。当IF = 1 mA，正向电压为0.715 V；当I_F = 10 mA，正向电压为0.855 V；当I_F = 50 mA，正向电压为1V。②光耦采用HCPL-181-000E，相当于由光触发的三极管，用来隔绝大电压对电路的影响。I_F = 1 mA，前向导通电压为1.2 V。③继电器选用松乐继电器，SRD-05VDC-SL-C型号，支持5个接线端子，接触电阻15 mΩ，最大切换电流15 A。

图 6所示为自动调零系统中的继电器电路。继电器额定电压为5 V，输出端COM与+12 V引脚相连接，控制调零系统中的电机，采用两路继电器控制绝对重力仪中的电机运转。继电器电路输入端与STM32单片机的PA1、PA2引脚相连接，电路设置低电平，触发继电器工作，输出端有3个端子，分别是COM、NC、NO，其中COM是公共端、NC是常开端、NO是常闭端，NO1与NO2分别与两路电机相连接。当继电器电路输入低电平时，三极管导通，继电器处于吸合状态，COM与NO连接。当继电器电路输入高电平时，三极管断开，继电器处于断开状态，COM与NC连接。

如表 2所示，单片机共输出000、001、010、011、100五种控制指令。其中，001和011对应COM1与NO1相连接，COM2和NC2相连接，电机正转，使得绝对重力仪的电容极板向上移动；010和100对应COM2与NO2相连接，COM1和NC1相连接，电机反转，使得绝对重力仪的电容极板往下移动；000对应COM2与NC2相连接，COM1和NC1相连接，复位2个输入电平信号。2个输入端均为高电平，系统不会触发继电器工作。001和010指令通过STM32中delay库函数进行延时200 ms，011和100指令通过delay库函数进行延时50 ms（表 2）。

不同延时对应电机不同转动角度。当极板远离平衡位置时，需增大极板浮动的控制幅度；当极板接近平衡位置时，需降低极板浮动的控制幅度。自动调零系统与上位机和单片机通信形成闭环反馈。继电器每完成一个动作，上位机即分析重力仪的数据质量，并检查重力仪极板是否偏离平衡位置。若极板仍处于非平衡状态，上位机将与单片机通信，以调节极板位置。这一改进使得调零系统能够自动调节极板位置，确保极板根据实际情况快速准确地达到平衡位置。

3 系统设计

软件设计使用C语言，基于keil5开发平台进行单片机嵌入式开发。该平台操作简单，可移植性强。Keil MDK是由德国公司开发的基于嵌入式处理器架构的软件开发工具，具有灵活的窗口界面，开发用户可轻松通过窗口界面来操控整个开发环境。软件编写使用hal库函数，针对STM32c8t6进行编程，其功能库丰富，调试工具链完善。

基于STM32的软件设计控制流程见图 7。首先对STM32f107外设进行初始化，完成USB、GPIO、定时器功能的配置。本系统通过单片机与上位机之间的USB通信实现控制指令的传输，其核心工作区功能主要包括：USB口的配置、传输数据的存储与处理、数据传输完成情况的判断以及数据传输完成后的校验过程。通过HAL_GPIO_Init()函数对单片机的GPIO口进行初始化，选用GPIOA端口，具体PIN口为GPIO_PIN_1和GPIO_PIN_2。使用HAL_GPIO_WritePin()库函数来控制单片机I/O口输出高低电平，采用低电平触发继电器模块工作，进而实现对2个继电器的开合控制。

单片机与上位机通过USB通信，当接收到上位机指令，单片机输出低电平，控制一个继电器闭合，另一个继电器打开，控制电机正转或者反转，从而调整绝对重力仪电容极板向上或者向下。在极板离平衡位置较远时，单片机控制电机旋转200 ms，极板上下浮动幅度较大；在极板离平衡位置较近时，单片机控制电机旋转50 ms，极板上下浮动幅度较小；使得极板能够更加准确快速地调整到平衡位置，而不会产生过调整问题。

4 系统联调试验及观测结果分析

实际制作电路板如图 8所示，PCB板采用双层板结构设计，右端是继电器输出模块，左边是STM32单片机控制模块，下边接口是与上位机通信的接口模块。实验测试上电后，电路板电源指示灯正常，能够接受上位机的控制信号，且能够控制继电器以及电机运转。

Tide型激光干涉绝对重力仪成功研发，在中国地震局白家疃国家重力基准点（H03测点，基岩）对样机进行性能测试。自动调零系统控制电路板与宽频带地震计相连接，外接12 V电源为调零电机供电。调零电路板一端连接上位机，一端连接地震计调零电机，通过2个继电器控制地震计调零电机的正反转（图 9）。

该绝对重力仪数据修正过程见图 10。Tide型激光干涉绝对重力仪每采集50个重力数据，即自动进行1次仪器隔振系统零点位置检查。也就是说，在测量下1组50个重力数据测量之前，需在此时间节点期间进行系统零点校准，通过上位机分析重力数据是否符合要求，若不符合要求将舍去上1组数据，同时进行重力仪极板零点调整。实验表明，该绝对重力仪可实现测量节点间的调零操作，并能够实现长期连续自动运行。

将隔振系统零点自动调节系统与自主研发的Tide型激光干涉绝对重力仪进行联调，并于2024年5月17日—6月5日开展连续观测，绘制连续20天的绝对重力实测曲线，结果见图 11。

鉴于保密条例，图 11中横坐标为测量数据组数，纵坐标为重力加速度减去数值前六位之后的幅值。其中每组完成50次测量，连续观测20天，共完成242组12 100次测量，观测结果未进行固体潮修正。每组重力数据计算组平均值及组观测精度，最终得到图 11所示误差棒图。

依据GB/T 20256—2006《国家重力控制测量规范》的计算要求，对每日观测数据进行一次总体平均值和总体测量精度计算，计算结果见表 3。结果表明，在连续观测期间，仪器测量准确度优于10 μGal，精度优于10 μGal，证明研制的隔振系统零点自动调整系统可支撑重力仪长期、连续、稳定的实际观测需求（GB/T 20256—2006）。

5 结论

针对激光干涉绝对重力仪隔振系统的零点漂移问题，基于STM32单片机设计自动调零系统，通过接收上位机指令实现继电器开合控制，从而控制调零电机正反转，以达到调节电容极板位置的目的。电路结构简单，功能优化，具有低功耗、低成本、易于后期维护的特点。将零点自动调节系统与自主研发的Tide型激光干涉绝对重力仪，在中国地震局白家疃国家重力基准点进行联调，并开展为期20日的连续观测。结果表明，该系统实现了隔振系统的自动调零功能，提高了隔振系统的调零速度，提升了绝对重力仪的数据质量。在连续测量期间，重力测量数据准确度优于10 μGal，精度优于10 μGal。与手动调零方式相比，基于该系统可更加快速、准确地调节零点漂移，有效保障了绝对重力仪长期、稳定地开展测点绝对重力值的高精度测量。