姚紅春,陳儒軍,2,3,劉勝利

(1.中南大學(xué) 信息物理工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410083;2.中南大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)博士后流動(dòng)站,湖南長(zhǎng)沙 410083;3.中國石油集團(tuán) 東方地球物理公司博士后科研工作站,河北涿州 072751)

0 前言

多頻激電儀是在中國工程院院士何繼善提出的雙頻激電法[1、2]和偽隨機(jī)多頻激電法[3、4]基礎(chǔ)上,開發(fā)出來的一套電法勘探儀器[5]。該儀器包括發(fā)送機(jī)、接收機(jī)和發(fā)送機(jī)控制器。其中,發(fā)送機(jī)是在發(fā)送機(jī)控制器的控制下,向大地發(fā)送各種波形頻率的交流信號(hào),而接收機(jī)用于接收大地的響應(yīng)信號(hào)。

隨著電法儀器精度要求的不斷提高,電法儀器的性能測(cè)試變得越來越重要[6～8],也是儀器出廠前的必要步驟。而在野外勘探過程中,接收機(jī)性能對(duì)勘探數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性起著決定性影響。目前,對(duì)接收機(jī)的性能測(cè)試,需要在人工參與下先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,然后對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行分析。這種測(cè)試方式往往需要消耗大量時(shí)間,如果需要對(duì)幾臺(tái)儀器進(jìn)行性能測(cè)試,消耗時(shí)間還會(huì)成倍增加。作者在本研究中,試圖克服上述缺點(diǎn),利用基于以太網(wǎng)(局域網(wǎng))自動(dòng)化并行測(cè)試思想[9～12],實(shí)現(xiàn)多頻激電儀接收機(jī)的批量快速測(cè)試。

1 多頻激電儀接收機(jī)簡(jiǎn)介

多頻激電儀接收機(jī)硬件,是由電場(chǎng)信號(hào)放大與濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、標(biāo)定信號(hào)發(fā)生電路、PC/104嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),以及GPS同步電路組成[5]。標(biāo)定信號(hào)發(fā)生電路能夠產(chǎn)生各種波形頻率的信號(hào),可用作儀器故障檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理時(shí)的標(biāo)定信號(hào)。PC/104嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用了W indows98操作系統(tǒng),可支持各種高級(jí)語言開發(fā)的可視化軟件,而且利用儀器的外接鍵盤和觸摸屏,還可進(jìn)行可視化人機(jī)交互。利用網(wǎng)卡和網(wǎng)線接口,可以實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與儀器的數(shù)據(jù)傳輸功能。

2 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本測(cè)試系統(tǒng)的硬件連接如圖1所示(見下頁)。在圖1中,計(jì)算機(jī)和N臺(tái)多頻激電儀接收機(jī)組成了一個(gè)小型局域網(wǎng)。其中,計(jì)算機(jī)的IP地址被設(shè)置為固定的192.168.1.2,以便接收機(jī)上線時(shí)主動(dòng)與計(jì)算機(jī)握手連接。接收機(jī)的地址可在192.168.1.3～192.168.1.254之間選擇,故連接到計(jì)算機(jī)的接收機(jī)數(shù)量N最大可達(dá)252。

在該系統(tǒng)中,計(jì)算機(jī)也被稱作主站,它負(fù)責(zé)管理聯(lián)網(wǎng)接收機(jī)的各種狀態(tài),向選定接收機(jī)發(fā)送測(cè)試任務(wù),接收測(cè)試結(jié)果,并以圖形或者報(bào)告形式顯示給用戶。接收機(jī)也被稱為從站,它負(fù)責(zé)接收主站發(fā)送來的各種測(cè)試命令,解析命令,并按命令執(zhí)行各種測(cè)試任務(wù)。在完成測(cè)試任務(wù)后,上傳采集數(shù)據(jù)和處理結(jié)果。

主站與從站通過這種分工合作的方式,可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)儀器的自動(dòng)化并行測(cè)試。

3 主站軟件設(shè)計(jì)

主站軟件運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上面,負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)主站在系統(tǒng)中的各項(xiàng)功能。該軟件利用VC++編程環(huán)境,結(jié)合MATCOM插件以及N I公司Measurement Studio控件開發(fā)完成[13～15],具有很好的可視化界面和數(shù)據(jù)處理能力,其界面如圖2所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)硬件連接圖Fig.1 Diagram of hardware configuration of the testing system

圖2 主站軟件主界面Fig.2 Main interface of master station software

該軟件實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)儀器管理,測(cè)試任務(wù)生成,以及分發(fā)、采集數(shù)據(jù)的接收、處理和結(jié)果的顯示,以及存儲(chǔ)等功能。其結(jié)構(gòu)框架如圖3所示,后面對(duì)各模塊分別介紹。

3.1 TCP/IP通信模塊

在該系統(tǒng)中,主站與從站之間采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。由于主站需要同時(shí)和多個(gè)從站進(jìn)行連接,故TCP/IP的傳輸層采用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)。UDP在一般的網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中,存在著不可靠性問題,本系統(tǒng)在TCP/IP的應(yīng)用層對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行編號(hào)和校驗(yàn),保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹16、17]。而且由于局域網(wǎng)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?一般不存在數(shù)據(jù)的丟失。

該模塊負(fù)責(zé)區(qū)分心跳握手?jǐn)?shù)據(jù),命令數(shù)據(jù)及儀器測(cè)試數(shù)據(jù)。其中,心跳握手?jǐn)?shù)據(jù)包可及時(shí)更新各從站的在線信息;命令數(shù)據(jù)包括分發(fā)的測(cè)試任務(wù)信息和從站的反饋信息。儀器測(cè)試數(shù)據(jù)主要是從站返回的采集數(shù)據(jù)和處理結(jié)果。

3.2 聯(lián)機(jī)儀器管理模塊

由于整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可能會(huì)出現(xiàn)從站上下線的情況,故在主站軟件中設(shè)計(jì)了聯(lián)機(jī)儀器管理模塊,利用該模塊可實(shí)現(xiàn)各從站的上下線提示,從站IP地址管理,從站工作狀態(tài)管理等。

3.3 任務(wù)設(shè)置模塊

該模塊為主站對(duì)從站的任務(wù)生成模塊,其任務(wù)信息中包含三類參數(shù):

(1)采樣參數(shù),包括了采樣頻率、采樣時(shí)間及采樣次數(shù)的設(shè)置。

(2)測(cè)試項(xiàng)目,主要對(duì)內(nèi)部信號(hào)源測(cè)試、放大器測(cè)試、儀器內(nèi)部噪音測(cè)試中的一個(gè)或幾個(gè)測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行選擇。

(3)測(cè)試儀器,主要是對(duì)需要測(cè)試的從站進(jìn)行選擇。

3.4 性能分析與結(jié)果存儲(chǔ)模塊

在接收到從站上傳的采集數(shù)據(jù)或處理結(jié)果后,用戶可通過主站軟件將各從站的測(cè)試結(jié)果顯示出來,并將所有從站的處理結(jié)果以測(cè)試報(bào)告的形式存儲(chǔ)起來。

因?yàn)闇y(cè)試內(nèi)容比較多,作者在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試報(bào)告的儲(chǔ)存格式,總體思路是層層有序地對(duì)數(shù)據(jù)加頭文件并打包。通過統(tǒng)一的頭文件格式識(shí)別測(cè)試儀器,測(cè)試內(nèi)容,測(cè)試次數(shù),參數(shù)設(shè)置信息,原始數(shù)據(jù)以及處理結(jié)果等。用戶可以通過軟件讀取每個(gè)從站的測(cè)試報(bào)告,對(duì)原始數(shù)據(jù)及處理結(jié)果再次進(jìn)行分析。

4 從站軟件設(shè)計(jì)

從站軟件運(yùn)行在多頻儀接收機(jī)上面,負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)從站在系統(tǒng)中的各項(xiàng)功能。該軟件利用VC++編程環(huán)境結(jié)合MATCOM插件開發(fā)完成,具有很好的可視化界面和數(shù)據(jù)處理能力,其界面如圖4(見下頁)所示。

該軟件實(shí)現(xiàn)主站指令解釋,測(cè)試任務(wù)的執(zhí)行,數(shù)據(jù)的采集處理,結(jié)果顯示存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)返回等功能,其結(jié)構(gòu)框架如圖5(見下頁)所示。

后面將對(duì)主要模塊進(jìn)行介紹。

4.1 數(shù)據(jù)采集和處理模塊

從站從網(wǎng)絡(luò)接收到數(shù)據(jù)后,進(jìn)行指令解釋,即將任務(wù)信息中的采樣參數(shù)和測(cè)試項(xiàng)目放入相應(yīng)緩沖區(qū)中;然后從站按照緩沖區(qū)中的采樣參數(shù),設(shè)置采樣時(shí)間,采樣頻率,采樣次數(shù),再根據(jù)緩沖區(qū)中的測(cè)試項(xiàng)目讓濾波器,內(nèi)部標(biāo)定信號(hào)源以及放大器處于不同狀態(tài)下進(jìn)行采樣;在采樣結(jié)束后,再根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并返回處理結(jié)果和采集數(shù)據(jù)。

圖3 主站軟件結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure ofmaster station software

圖4 從站軟件界面Fig.4 Interface of slave station software

圖5 從站軟件結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Structure of slave station software

4.2 性能測(cè)試方法模塊及測(cè)試結(jié)果分析

4.2.1 內(nèi)部標(biāo)定信號(hào)源測(cè)試

內(nèi)部標(biāo)定信號(hào)源可以產(chǎn)生雙頻波、三頻波、五頻波、七頻波等波形,產(chǎn)生信號(hào)的頻率范圍為0.001 kHz～256 kHz,振幅范圍為5 mV～5 000 mV。它主要為接地電阻測(cè)量,接收機(jī)標(biāo)定和接收機(jī)故障診斷提供激勵(lì)信號(hào)。

該項(xiàng)目測(cè)試的目的,就是為了確定標(biāo)定信號(hào)各頻譜的誤差。其默認(rèn)測(cè)試方法為:先將標(biāo)定信號(hào)源的輸出設(shè)置為1 000 mV,頻率為0.25 Hz;然后依次選擇方波、雙頻波、三頻波、五頻波等波形,每個(gè)波形采樣時(shí)間長(zhǎng)度為16 s,采樣頻率為100 Hz。如果需要,用戶也可自定義測(cè)試參數(shù)和測(cè)試任務(wù)。在采集完成后,軟件自動(dòng)對(duì)測(cè)量信號(hào)的波形和頻譜進(jìn)行分析,圖6和圖7分別為五頻波測(cè)試的波形和振幅譜。

圖6 偽隨機(jī)五頻波波形(0.25 Hz/1000 mV)Fig.6 Waveform of pseudo-random 5-frequency wave(0.25 Hz/1000 mV)

圖7 偽隨機(jī)五頻波振幅譜(0.25 Hz/1000 mV)Fig.7 Amplitude spectrum of pseudo-random 5-frequency wave

表1為偽隨機(jī)五頻波頻譜實(shí)測(cè)值與理論值之間的對(duì)比。從表1可以看出,該信號(hào)的每個(gè)頻譜都在誤差范圍內(nèi),滿足了標(biāo)定信號(hào)的要求。

表1 偽隨機(jī)五頻波各頻譜實(shí)測(cè)值與理論值的比較Tab.1 Spectrum comparison between measured values and theoretical values for pseudo-random 5-frequency wave

4.2.2 放大倍數(shù)測(cè)試

接收機(jī)的放大器分為三級(jí)(前放、中放和主放),每一級(jí)有四檔。本項(xiàng)目測(cè)試的目的是為了確定儀器各級(jí)放大器的放大誤差,其測(cè)試信號(hào)通過內(nèi)部標(biāo)定信號(hào)源產(chǎn)生,默認(rèn)方法為:先將輸入信號(hào)設(shè)置為方波50 mV/1 Hz;然后依次改變每一級(jí)的放大倍數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。如果需要,用戶也可自定義測(cè)試參數(shù)和測(cè)試任務(wù)。在采集完成后,從站軟件能自動(dòng)計(jì)算出等效輸入信號(hào)的最大值、最小值、峰～峰值和平均值。

表2是對(duì)50 mV/1 Hz輸入信號(hào)進(jìn)行各級(jí)放大后的測(cè)試結(jié)果。表2中的相對(duì)誤差為峰～峰值與理論值之間的相對(duì)誤差。

表2 放大倍數(shù)測(cè)試結(jié)果Tab.2 Results of gain test

由于每級(jí)放大倍數(shù)的測(cè)試誤差很接近,故每級(jí)只列出了其中一檔放大倍數(shù)的測(cè)試結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果可以看出,所測(cè)接收機(jī)的主放和中放的放大倍數(shù)誤差小,而前放的放大倍數(shù)誤差較大。這是由于主放和中放是集成程控放大器,放大倍數(shù)由內(nèi)部精密電阻控制,而前放未定制精密電阻。

4.2.3 噪音測(cè)試

接收機(jī)噪音是影響測(cè)量精度最重要的因素,與放大倍數(shù)、儀器電子元件、A/D轉(zhuǎn)換器和電路結(jié)構(gòu)有關(guān)。該項(xiàng)目的測(cè)試目的是確定儀器在不同放大倍數(shù)、不同濾波條件下等效輸入噪音。其默認(rèn)測(cè)試方法分為二步:

(1)不使用陷波器和低通濾波器,測(cè)量前置放大器放大倍數(shù)為1倍、10倍、100倍,其它放大器放大倍數(shù)為1時(shí)的噪音。

(2)使用陷波器和低通濾波器,測(cè)量前置放大器放大倍數(shù)為1倍、10倍、100倍,其它放大器放大倍數(shù)為1時(shí)的噪音。如果需要,用戶也可以自定義測(cè)試參數(shù)和測(cè)試任務(wù)。

表3是在默認(rèn)測(cè)試方法下測(cè)試的等效輸入噪音。

表3 等效輸入噪音測(cè)試結(jié)果Tab.3 Results of noise test for equivalent input

從表3中可以看出,隨著放大倍數(shù)的增大,該接收機(jī)的等效輸入噪音降低。當(dāng)放大倍數(shù)減小時(shí),有無濾波器影響對(duì)接收機(jī)影響不大。當(dāng)放大倍數(shù)為100倍時(shí),50 Hz陷波器和低通濾波器有明顯效果。

5 結(jié)論

作者在本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多頻激電儀接收機(jī)的批量自動(dòng)化測(cè)試,以及多臺(tái)儀器的并行測(cè)試,完成了儀器的內(nèi)部信號(hào)源、放大器及內(nèi)部噪音的測(cè)試。與原有的測(cè)試方法相比,該系統(tǒng)減輕了試驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了測(cè)試精度和工作效率,而且為多頻激電儀接收機(jī)批量遠(yuǎn)程評(píng)價(jià)與診斷提供了技術(shù)支持。

[1] 何繼善.雙頻道激電法研究[M].長(zhǎng)沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社,1989.

[2] 何繼善.2n系列偽隨機(jī)信號(hào)及應(yīng)用[A].中國地球物理年會(huì)年刊(1998)[C].西安:西安地圖出版社,1998.

[3] 何繼善.偽隨機(jī)三頻電法研究[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),1994,4(1):1.

[4] 何繼善,柳建新.偽隨機(jī)多頻相位法及其應(yīng)用簡(jiǎn)介[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),2002,12(2):374.

[5] CHEN RUJUN,LUO WEIBING,HE JISHAN.High Precision multi-frequency multi-function receiver for electrical exploration[A].In:I CEM I[C].2007,(1):599.

[6] 李文杰,孟慶敏,李軍鋒.我國頻率域航空電磁法儀器系統(tǒng)研制回顧與展望[J].物探化探計(jì)算技術(shù),2007,29(1):21.

[7] 姚敬金,袁桂琴.近幾年勘查地球物理的成就與前景展望[J].物探化探計(jì)算技術(shù),2007,29(S1):309.

[8] 孫鴻雁.地質(zhì)調(diào)查工作中物探技術(shù)發(fā)展的思考[J].物探化探計(jì)算技術(shù),2007,29(S1):313.

[9] 夏銳,肖明清,朱小平,等.并行測(cè)試技術(shù)在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2005,13(1):7.

[10]許明,胡雷剛,周越文.并行測(cè)試任務(wù)可并行性分析研究[J].計(jì)算機(jī)工程,2009,35(4):56.

[11]YANG Q,BUTLER C.An object-oriented model of measurement systems[J].Instrumentation and Measurement,IEEE Transactions on,1998,47(1):104.

[12]PA CURRY,J BURDEN,GA LUNDY.Next Generation Automatic Test System(NGATS)Update[J].Autotestcon,IEEE,2006:318.

[13]初秀琴,何蕾,李玉山.Matlab外部接口的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)仿真,2002,19(1):107.

[14]翟軍紅,王紅宣.基于VC與MATLAB混合編程的研究[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(11-1):226.

[15]梁桂平,趙轉(zhuǎn)萍.Measurement Studio forVC++的快速可重組測(cè)控系統(tǒng)開發(fā)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2008,21(1):88.

[16]CHANG R K C,FUNG K P.Transport layer proxy for statefulUDP packet filtering[A].In Seventh International Symposium[C],2002:595.

[17]李志強(qiáng),汪清,徐曉鐵,等.一種基于跨層設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單可靠UDP協(xié)議[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,10(3):209.