嚴 興，柴劍勇

（廣東省地震局，廣東 廣州 510070）

ATS-SR地電儀研制與試驗

嚴 興，柴劍勇

（廣東省地震局，廣東 廣州 510070）

針對自主研制的ATS-SR（自動切換繼電器）地電儀的硬件系統(tǒng)特點，結合實際應用中的一些具體要求，基于Microchip公司的PIC16F877A芯片，開發(fā)了一套軟件系統(tǒng)，包括測控軟件 （下位機軟件）和數(shù)據(jù)處理分析軟件 （上位機軟件），系統(tǒng)的介紹了依托地電儀硬件電路的測控軟件與數(shù)據(jù)處理軟件各個模塊的設計原理與程序流程，并分析了其技術特點與優(yōu)勢。在實際測量河北邢臺大柏舍大地電阻率的實驗中，表現(xiàn)出良好的測量穩(wěn)定性。

地電阻率；ATS-SR地電儀；軟件

引言

地震孕育過程中，經常伴有地下介質電阻率的變化及大地電流和自然電場的變化。觀測這些變化 （主要是地殼上部介質電阻率的變化），提取地震前地下介質的電信息，并探討其與地震之間的關系，以進行地震預報，是地電觀測的主要任務，同時也可以用于研究活斷層及構造活動特性。

1966年邢臺地震以來，定點地電阻率觀測已成為我國地震前兆觀測的常規(guī)手段，投入觀測的地電阻率臺站有百余個，在多次大震之前，地電阻率觀測都顯示了明顯的異常，所以不失為一種有效的地震前兆預報方法。

目前國內地電臺站多采用地表布極，四級對稱測量方法，這種布極裝置條件下，供電電場在地表以上不存在，所以稱為半空間分布，半空間地電測量的電力線大部分集中于地表附近，受地表干擾因素 （降雨，人為等）影響很大。

ATS-SR型地電儀應用于深井觀測中，電極布設在地表以下的深孔中，近似為全空間測量，這種情況下，地表層電阻率的干擾變化對視電阻率觀測值的影響很小，可以有效地消除地表干擾。

近年來隨著計算機技術的飛速發(fā)展，微機處理技術也得到廣泛應用，使得儀器在集成度與穩(wěn)定性上可以有很大提高。ATS-SR新型地電儀系統(tǒng)改進了電壓測量方式，并且開發(fā)了數(shù)據(jù)處理與日報表生成等上位機程序，使整套儀器擁有測量穩(wěn)定性高，操作方便，結果直觀等優(yōu)點。本文結合ATS-SR型地電儀的硬件技術特點，介紹軟件系統(tǒng)各部分的設計與實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)簡介

該套軟件系統(tǒng)包括兩部分：測控和數(shù)據(jù)處理。測控軟件燒錄在電路板的 CPU（PIC16F877A）上，用于定時測量或接收中斷控制從而實現(xiàn)電路控制和數(shù)據(jù)的采集發(fā)送；數(shù)據(jù)處理軟件安裝在PC機上，對測控電路進行必要的中斷控制，并接收測控電路發(fā)來的原始數(shù)據(jù)，將其保存于PC機上用于生成日報表。

2 地電儀硬件系統(tǒng)簡介

軟件系統(tǒng)的設計實現(xiàn)是建立在硬件基礎上的，地電儀的硬件系統(tǒng)如圖1所示，包括CPU （PIC16F877A）、計數(shù)模塊、時鐘芯片、液晶顯示、數(shù)據(jù)存儲、串口通信、模擬電流輸入等。

圖1 地電儀硬件結構Fig.1 Hardware structure of the earth resistivity apparatus

地電儀按照初始設置的時間間隔定時進行測量，可以通過PC機上的上位機軟件來實現(xiàn)儀器參數(shù) （包括系統(tǒng)時間、測量間隔等）的讀取與設置，手動即時測量，參數(shù)標定等。這里采用中斷的方式來進行控制。PIC16F877A提供有內置的串行通信模塊，在異步方式下，等同于計算機上的串行接口RS232。上位機軟件通過串行口COM1發(fā)出指令，從而在PIC上引起接收中斷，通過對收到字節(jié)內容的判斷，能夠很方便的實現(xiàn)相應的中斷控制，從而實現(xiàn)PC機對硬件電路的測量控制。

采用獨立供電的時鐘電路芯片DS1302來控制系統(tǒng)時間，DS1302可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號來對系統(tǒng)時間進行讀取或設置。

測量過程中，除了實時的將結果發(fā)送給 PC機，另外，電路上采用兩片 EEPROM（24C1024，可存儲2 M位數(shù)據(jù)）用隨機的方式保存近一個月的數(shù)據(jù)，方便在數(shù)據(jù)丟失情況下從電路板上調取備份。

計數(shù)模塊用來測量供電電位與自然電位，是電路的主要部分，在此我們選擇了一批新的集成芯片，改進了電壓測量方式，首先將電壓信號經V/F轉換為頻率信號 （V=a×F-b），采用高速器件測周法，用待測信號的2 047個周期作為24 MHz標準脈沖的計數(shù)閘門時間，在此時間內用24位高速 (100 MHz)計數(shù)器記錄下標準脈沖的個數(shù)N，則可算得待測信號的周期：t=N/（2 047×24 000）ms，電壓值V=1/t×a-b，從而反算得到更加精確的待測電壓值。測量分辨率 （按被測電壓值為200 mV計）：N=1/200×2 047×24 000=245 640，計數(shù)器分辨率為±1，則此電路電壓測量的最高分辨率為：±1/N×200=±0.000 81 mV。計數(shù)模塊的電路結構如圖2所示。

圖2 計數(shù)模塊電路結構Fig.2 Circuit structure of the counter module

3 地電儀測控軟件結構

地電儀的測控軟件系統(tǒng)由液晶顯示、上電計數(shù)、A/D轉換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)導出等部分組成。在功能模塊實現(xiàn)的過程中，使用了RS232的串口協(xié)議、串口接收中斷等。

3.1 指令基礎

測控軟件系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)建立在儀器的 CPU（PIC16F877A）的指令集基礎上，PIC16F877A所應用的是PIC16F87X所提供的35個指令所組成的精簡指令集?；旧线@些指令的執(zhí)行都可以在一個指令周期內完成，對于使用了特定速度的震蕩時鐘的單片機，一個指令周期的時間是已知的，那么在編寫程序的過程中，我們便可以直接的估算出所編寫程序代碼需要多少時間來執(zhí)行。對于地電儀這種有時間限制的程序流程，我們就可以對程序代碼做比較精簡的規(guī)劃。

3.2 軟件流程

程序的基本流程：上電后首先對相關寄存器及模塊進行初始化設置，不斷讀取時鐘信息進行顯示及判斷，當?shù)竭_整點時，即分鐘值為0時進行一次基本的測量過程，隨后進行結果數(shù)據(jù)的處理，顯示和存儲。本次測量結束后繼續(xù)顯示時鐘，等待下一次測量。在等待的過程中，可以接受中斷設置，更改有關參數(shù)，或進行標定等特定流程。主程序流程圖如圖3所示。

3.2.1 主測量模塊

測量時首先將OOM置1，打開測控電路的總開關，在進行適當延時后，分別對水平和垂直方向的兩組電極重復進行3次供電測量。每次供電測量包括正向供電與撤電和反向供電與撤電各一次，在供電時記錄下供電電壓Vg、供電電流VI，撤電后記錄自然電壓Ve，從而可計算電阻率

這里的K為裝置系數(shù)。進行正反兩次供電是為了消除殘留電流影響。將每個通道正反向的三組數(shù)據(jù)都進行保存，用于后面的數(shù)據(jù)處理。一次基本的測量過程的程序流程圖如圖4所示。

圖3 主程序流程圖Fig.3 The flow chart of main program

圖4 基本測量過程程序流程圖Fig.4 The flow chart of basic measurement process

3.2.2 計數(shù)處理模塊

供電電壓Vg與自然電壓Ve是通過24位高速 （100 MHz）計數(shù)器記錄下標準脈沖的個數(shù)N，再反算得到分辨率較高的電壓值的。電壓讀取流程如圖5所示。供電電流VI是采用單片機的AD轉換模塊轉化得到的。單片機的第5引腳提供AD轉換的基準正電壓輸入，AD轉換器可以將輸入的模擬電信號轉化為10位二進制數(shù)0～1 023，從而可以算得供電電流的真實值。

3.2.3 中斷處理模塊

為了使測控電路的時鐘走時準確，需要定期進行校正。時鐘芯片DS1302的時間讀取與時間設置，參數(shù)a、b、Fc等的不定期標定，及某些時刻的實時測量，都采用中斷的方式來實現(xiàn)。中斷的流程如圖6所示。

在一次基本的測量過程中，所有的中斷都是被屏蔽的，此時單片機不響應外界的中斷請求，是為了保證測量過程的完整性。其余等待測量的時間，串口接收中斷是開啟的。按照我們自行約定的協(xié)議，上位機程序可向單片機發(fā)出如下中斷：

圖5 計數(shù)處理流程圖Fig.5 The flow chart of count process

圖6 中斷分類Fig.6 Interrupt types

（1）時鐘讀取中斷：PC機向串口發(fā)送一個字節(jié)9 A，單片機接收到后，判斷該字節(jié)是否為9 A，若是，則向串口回復6字節(jié)的時間數(shù)據(jù)如2010年5月1日8時8分8秒為：100501080808

（2）時間設置中斷：PC機向串口發(fā)送頭字節(jié)8C+6字節(jié)時間數(shù)據(jù)+尾字節(jié)33，單片機接收到這串字節(jié)后，通過判斷頭尾字節(jié)得知6字節(jié)的時間數(shù)據(jù)，然后將其設置為當前時間。

（3）參數(shù)標定中斷：PC機向串口發(fā)送一個字節(jié)BD，單片機判斷到BD后即轉入標定測量程序，此時PC機向串口發(fā)送一個字節(jié)BD，即可使單片機結束標定，回復到正常流程。

（4）即時測量中斷：PC機向串口發(fā)送一個字節(jié)FC，單片機判斷為FC后立即轉入基本測量程序并進行數(shù)據(jù)的處理和保存。

4 地電儀數(shù)據(jù)處理軟件

上位機軟件采用VC編寫，可與單片機進行通訊設置，從而實現(xiàn)單片機的參數(shù)設置，手動即時測量，原始測量數(shù)據(jù)導入及報表生成等。單片機每小時向上位機傳送一組測量結果，上位機每天新建一個以日期命名的文本文檔，以追加的方式接收單片機的數(shù)據(jù)。報表生成程序可以根據(jù)選定的某天的原始數(shù)據(jù)，生成該天小時值的報表。程序界面如圖7所示。

圖7 程序界面Fig.7 The program interface

5 技術特點

首先，改進了電壓計量方式，采用高速器件測周法，用待測信號的2 047個周期作為標準脈沖的計數(shù)閘門時間，在此時間內用24位高速 (100 MHz)計數(shù)器記錄下標準脈沖的個數(shù)N，從而反算得到更加精確的待測電壓值。

測量電壓電流的過程中，采用一正一負雙向間隔供電方式，消除了單向殘余電流的影響。并且采取了連測3組的方式，有效地消除了偶然誤差。

在將測量結果向PC機傳送的同時，將其按照日期存儲于24C1024芯片上，最多可保存近一個月的原始數(shù)據(jù)，方便了數(shù)據(jù)丟失情況下的調取。

考慮到測量與控制方式的多樣性，具有手動實時測量與自動定時測量兩種方式。

上位機的報表生成程序采用科學的計算方式對原始數(shù)據(jù)進行評估與取舍，在河北省邢臺柏舍大地電阻率的測量試驗中，測量結果表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

6 測量結果

我們在河北邢臺柏舍地電臺進行了現(xiàn)場地電阻率實驗。測區(qū)內地形平坦，無明顯高差，電極分布在農田里，地面有農作物耕作，地下水分布均勻，無大地下徑流。測區(qū)電性結構導電性能較好，性能穩(wěn)定；觀測環(huán)境內無重大干擾源。本次試驗為井下電阻率觀測，在水平和垂直方向上采用對稱四極布極方式布設電極，水平向每個電極埋深為100 m，電極之間間隔20 m，依次是供電極A、測量極M、測量極N、供電極B；垂直向電極埋深依次為20 m，40 m，60 m，80 m，從上到下依次為供電極B、測量極N、測量極M、供電極A。電極全部為筒狀鉛電極，電極引線為鋼、銅絲絞合芯橡膠絕緣聚乙烯護套電纜。K1，K2分別為水平方向和垂直方向的裝置系數(shù)，設水平向電極埋深為H0，則

計算結果K1，K2分別為250.63，251.33。

我們采用定時測量的方式記錄了從2010年3月29日至2010年4月18日共21天的數(shù)據(jù)。表1為4月6日測得的24組小時值及均值和方差，表2為21天的日均值方差及總的均值和方差。

說明：每個小時值為3組正反向平均后的均值，電阻率每組正反向平均后與昨日的日均值進行比較，其差值大于昨日各小時方差平均值5倍者判定為超差，不參與小時值運算；各小時的電阻率值與昨日日均值比較，其差值大于昨日日均方差的5倍者判定為超差，不參與日均值的計算。

表1 2010年4月6日的實驗結果Table 1 The experimental result on Apr 6th

從已有的觀測結果來看，井下觀測的信噪比高于地面觀測，并且觀測結果重復性較好。

7 結語

自主開發(fā)的地電儀測控軟件采用模塊化設計，增強了可維護性。并且充分考慮到了測量與控制方式的多樣性，具有手動實時測量與自動定時測量兩種方式，上位機軟件采用中斷的方式對其進行控制，并且具有自動調數(shù)，生成日報表等功能。具有操作方式靈活，智能程度高等特點。通過近一個月的實際測量實驗，其測量結果的穩(wěn)定性得到了驗證。

下一步，將繼續(xù)對其網(wǎng)絡化控制進行深入的研究和開發(fā)。

表2 2010年3月29日至4月18日的實驗結果Table 2 The experimental result from Mar 29 to Apr 18

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Abstract：Based on the chip named PIC16F877A,a PIC product of Microchip company,and the technical characteristic of the new-type earth resistivity apparatus(ATS-SR)that we proposed,we developed a software system that includes observing and controlling software and data process software.This paper systematically introduced the design theory and the program flow and analyzed its technical characteristics and advantages.The system exhibited prominent measuring stability in the examination at Baishe earth resistivity station.

Keywords：Earth resistivity;ATS-SR earth resistivity apparatus;Software

Development and Test of the ATS-SR Earth Resistivity Apparatus

YAN Xing,CHAI Jianyong
(Earthquake Administration of Guangdong Province,Guangzhou 510070,China)

P315.61

A

1001-8662（2010）04-0087-10

2010-04-20

嚴 興，男，1981年生，助理工程師.主要從事地震前兆觀測工作. E-mail:xyan_2004@163.com.