張法全，高平東，王國(guó)富，曾慶寧

(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林　541004)

0　引言

瞬變電磁法(TEM)是探測(cè)地下介質(zhì)電性參數(shù)的重要方法，理想情況下，TEM發(fā)射機(jī)的發(fā)射電流為雙極性電流波形[1]如圖1(a)所示，但在實(shí)際中由于硬件和設(shè)計(jì)方法的制約電流波形呈現(xiàn)如圖1(b)所示。因此在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)TEM發(fā)射機(jī)發(fā)射的雙極性電流脈沖信號(hào)質(zhì)量提出一系列的嚴(yán)格要求[2][3]：要求脈沖電流上升期(Ton)和關(guān)斷期(Toff)時(shí)間短以及下降沿線性度高，穩(wěn)態(tài)期(Ts)電流恒定，二次場(chǎng)采樣期(Td)電流為零，正負(fù)信號(hào)對(duì)稱，無(wú)電流過(guò)沖。對(duì)這些嚴(yán)格的信號(hào)指標(biāo)要求，在以往設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)時(shí)都是通過(guò)示波器定性分析發(fā)射電流信號(hào)的質(zhì)量，沒(méi)有專門(mén)的測(cè)量?jī)x器定量分析。

圖1　TEM發(fā)射機(jī)發(fā)射電流圖

針對(duì)TEM發(fā)射機(jī)的發(fā)射電流信號(hào)質(zhì)量測(cè)量問(wèn)題，提出了相應(yīng)的參數(shù)算法，并設(shè)計(jì)了一款基于DSP技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)，完成了信號(hào)各種指標(biāo)的參數(shù)測(cè)量。

1　信號(hào)質(zhì)量參數(shù)算法

結(jié)合TEM發(fā)射機(jī)的發(fā)射電流信號(hào)的特征，給出評(píng)價(jià)信號(hào)質(zhì)量的參數(shù)[4]，并對(duì)參數(shù)的計(jì)算以及代表的含義進(jìn)行分析。對(duì)于等精度測(cè)量所得到的N組數(shù)據(jù)(xi，yi)，i=1，2…，N，xi值被認(rèn)為是準(zhǔn)確的，所有的誤差只聯(lián)系著yi。運(yùn)用最小二乘法把測(cè)量數(shù)據(jù)擬合為直線，稱此直線為這組數(shù)據(jù)的期望直線，

(1)

稱這組數(shù)據(jù)偏離期望直線的程度為期望擬合度，定義為：

(2)

式中D為方差。

R越接近1，測(cè)量數(shù)據(jù)越接近于期望直線，說(shuō)明擬合度越高，數(shù)據(jù)越穩(wěn)定。

圖2　電流信號(hào)質(zhì)量測(cè)量圖

在圖2中，I(t)=Is是電流穩(wěn)態(tài)期(Ts)的期望直線，反應(yīng)的是穩(wěn)定電流為Is。當(dāng)期望直線的斜率b不為零時(shí)代表電流沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定。在計(jì)算期望直線擬合度Rs，反應(yīng)信號(hào)的接近期望直線的程度，擬合度越高說(shuō)明信號(hào)越穩(wěn)定。I(t)=a+b·t是電流關(guān)斷期(Toff)的期望直線，|b|為關(guān)斷率，反應(yīng)電流關(guān)斷的快慢。對(duì)其求期望直線擬合度Roff，反應(yīng)關(guān)斷期信號(hào)線性下降的穩(wěn)定性。同理可分析二次場(chǎng)采樣期(Td)內(nèi)的信號(hào)的特征。圖2中Pos，Pus分別是電流信號(hào)的上、下過(guò)沖率計(jì)算方法，見(jiàn)式(3)，過(guò)沖率越小反應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的質(zhì)量越高。

Pos=|Imax/Is|，Pus=|Imin/Is|

(3)

2　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了能夠測(cè)量TEM發(fā)射電流信號(hào)質(zhì)量參數(shù)并能夠顯示及存儲(chǔ)，采用模塊化設(shè)計(jì)思想。硬件部分包括電流信號(hào)傳感器電路、信號(hào)調(diào)理程控電路、高速高精度A/D轉(zhuǎn)換電路、觸發(fā)電路、DSP處理器、LCD、SD卡等，如圖3所示。通過(guò)傳感器采集到電流信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路送入A/D，最后由DSP處理器進(jìn)行算法處理得到測(cè)試信號(hào)的參數(shù)指標(biāo)。

圖3　系統(tǒng)框圖

DSP處理器選用的是TMS320F28335，具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，6個(gè)DMA通道。與定點(diǎn)DSP相比，該DSP的精度高，成本低，功耗小，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大等，可以很好的滿足系統(tǒng)算法的要求及實(shí)時(shí)性[5]。

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3．1電流信號(hào)傳感器設(shè)計(jì)

TEM發(fā)射機(jī)的發(fā)射電流范圍是-70～+70 A，電流關(guān)斷時(shí)間(Toff)在幾十μs到一百多μs，因此要求電流傳感器測(cè)量范圍要寬，響應(yīng)速度要快，并且對(duì)被測(cè)電路影響要小。若使用采樣電阻直接串聯(lián)在負(fù)載上，則會(huì)引入接入損耗，電流越大，損耗越大，并且存在很大的危險(xiǎn)。因此選用霍爾電流傳感器模塊，它的優(yōu)越性在于：響應(yīng)時(shí)間快(≤1 μs)、低溫漂、精度高(≤1.0%)、體積小、頻帶寬0～500 kHz、抗干擾能力強(qiáng)、過(guò)載能力強(qiáng)。非接觸檢測(cè)，使得強(qiáng)電與弱點(diǎn)隔離開(kāi)來(lái)，這不但不影響被測(cè)電路，同時(shí)整個(gè)測(cè)量安全方便。該模塊測(cè)量電流I范圍是-100～+100 A，線性輸出電壓UO范圍是-4～+4 V．整個(gè)性能指標(biāo)都滿足了設(shè)計(jì)要求指標(biāo)。

3．2信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路處于電流傳感器與A/D轉(zhuǎn)換電路之間，起到承上啟下的作用，使得這兩部分能有機(jī)的結(jié)合起來(lái)正常工作[6]。AD轉(zhuǎn)換電路要求輸入信號(hào)的范圍是-2～+2 V，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅度上的調(diào)理。選用高速程控放大器AD8251與高速運(yùn)放AD817組成信號(hào)調(diào)理電路，如圖4所示。通過(guò)DSP控制AD8251的A0 A1 WR引腳可選為0.5、1、2或4倍不同的放大。為了適應(yīng)AD轉(zhuǎn)換器1 MHz的采樣頻率，根據(jù)香農(nóng)采樣定理，需要增加具有一定帶寬的抗混疊低通濾波器，因此在AD817反饋回路上加一電容組成低通濾波器，改變?nèi)葜悼梢愿淖兘刂诡l率。

圖4　信號(hào)調(diào)理電路

3．3A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

為了滿足系統(tǒng)高速與高精度的要求，設(shè)計(jì)選用AD7723作為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器件。AD7723是一款完全16位Σ-Δ型、1．2MSPS輸出字速率、32×/16×過(guò)采樣率、低通或帶通數(shù)字濾波器、線性相位、2.5 V片內(nèi)基準(zhǔn)電壓、靈活的并行或串行接口、晶體振蕩器、采用+5 V電源供電的ADC。轉(zhuǎn)換器的基本特征是過(guò)采樣率噪聲修整、數(shù)字濾波及采樣輸出。模擬輸入由模擬調(diào)制器連續(xù)采樣，因而無(wú)需外部采樣保持電路。調(diào)制器輸出由有限脈沖響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器處理。在大多數(shù)情況下，通過(guò)片內(nèi)濾波并配合高的過(guò)采樣比，可將外部抗混疊要求降至一階。數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)可編程為低通或帶通；輸出數(shù)據(jù)的頻率是AD7723的參考時(shí)鐘的16分頻或32分頻輸出AD7723模擬信號(hào)輸入的調(diào)整是用運(yùn)放AD8047把單路信號(hào)轉(zhuǎn)換為雙輸入的差分信號(hào)，連接方式如圖5所示。電壓輸入范圍是-2～+2 V．為了提高傳輸速度，采用AD7723與DSP微處理器并行接口模式。由于TMS320F28335與AD7723接口邏輯電平不兼容(TMS320F28335接口邏輯高電平為3.3 V，而AD7723邏輯高電平為5 V)，故兩者之間加電平邏輯轉(zhuǎn)換芯片74XX16374。AD7723工作模式在設(shè)計(jì)中采用16 MH外部晶振，實(shí)現(xiàn)16 MHz的過(guò)采樣率，內(nèi)部設(shè)置為低通16分頻，實(shí)現(xiàn)1MSPS輸出字速率，以中斷方式通知DSP讀取數(shù)據(jù)；可通過(guò)軟件的控制是否讀取數(shù)據(jù)。

圖5　AD7723信號(hào)輸入電路

3．4觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)都會(huì)疊加一定幅度的噪聲。在邊沿觸發(fā)時(shí)，如果只簡(jiǎn)單地設(shè)一個(gè)觸發(fā)電平，噪聲有可能使觸發(fā)電路在設(shè)定的電平附近反復(fù)觸發(fā)，系統(tǒng)難以正常工作[7]。解決方法是利用滯回觸發(fā)窗。以上升沿觸發(fā)為例，數(shù)字化觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生示意圖如圖6所示。在設(shè)計(jì)中選用帶有滯回功能的高速比較器ADCMP552，改變HYS引腳上的電阻可以改變觸發(fā)窗口寬度，改變VREF電壓可以改變觸發(fā)電平，這里使用的是過(guò)零比較。當(dāng)信號(hào)光滑時(shí)，迭加的干擾小，窗口寬度可以設(shè)置得比較小，觸發(fā)的靈敏度高；當(dāng)信號(hào)和疊加的干擾大，適當(dāng)調(diào)整增大觸發(fā)窗口寬度，就可以保證觀察到穩(wěn)定的波形。輸出的觸發(fā)電平經(jīng)過(guò)與門(mén)電路緩沖輸入DSP邊沿觸發(fā)中斷引腳實(shí)現(xiàn)邊沿的觸發(fā)。

圖6　上升沿觸發(fā)時(shí)序圖

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件在整個(gè)系統(tǒng)是控制硬件以及實(shí)現(xiàn)算法的關(guān)鍵。為了使軟件結(jié)構(gòu)便于管理，簡(jiǎn)化軟件開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)采用模塊化分層的思想，提高軟件的可行性和穩(wěn)定性。整個(gè)軟件執(zhí)行流程如圖7(a)所示。

4．1變采樣率采樣軟件實(shí)現(xiàn)

為了減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算量，并且不影響測(cè)量精度，設(shè)計(jì)通過(guò)軟件控制實(shí)現(xiàn)變采樣率模式采集數(shù)據(jù)。根據(jù)TEM發(fā)射信號(hào)的特點(diǎn)，在信號(hào)的邊沿處變化快，其中下降沿部分是信號(hào)質(zhì)量分析的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，而其他部分的數(shù)據(jù)對(duì)信號(hào)的質(zhì)量影響不大。因此，邊沿處進(jìn)行1MHz的密采樣，其他部分進(jìn)行小于1 MHz的疏采樣。密采樣是通過(guò)AD每次中斷DSP都讀取數(shù)據(jù)，疏采樣是通過(guò)間隔DSP空讀取數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。首先測(cè)量信號(hào)周期從而確定疏采樣率，然后采集一個(gè)完整周期信號(hào)通過(guò)差分算法實(shí)現(xiàn)尋找邊沿的位置，確定密采樣區(qū)。信號(hào)周期通過(guò)兩次電平觸發(fā)電路的上升沿中斷DSP之間AD以1 MHz中斷DSP的次數(shù)計(jì)算。

根據(jù)設(shè)定的采樣率進(jìn)行AD采樣，采樣方式在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行。由于AD的中斷頻率很高，這里要求服務(wù)程序短小，進(jìn)而達(dá)到采樣的實(shí)時(shí)性。中斷程序流程圖如圖7(b)所示。采樣周期是以電平觸發(fā)中斷開(kāi)始到下一次中斷結(jié)束。

(a)

4．2數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)

軟件數(shù)據(jù)處理是整個(gè)系統(tǒng)的核心，根據(jù)文中提出的方法分階段計(jì)算信號(hào)的各種參數(shù)。首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波，采用差分方法找到邊沿的中心，再根據(jù)信號(hào)幅值的變化計(jì)算出信號(hào)各階段的時(shí)間參數(shù)，用期望直線及擬合度的算法計(jì)算各階段的穩(wěn)定度以及過(guò)沖率。最后得到信號(hào)質(zhì)量評(píng)價(jià)的參數(shù)，反饋給用戶。

5　測(cè)試實(shí)例

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性，這里對(duì)某一型號(hào)的TEM發(fā)射機(jī)進(jìn)行質(zhì)量測(cè)量。發(fā)射機(jī)發(fā)射6.25 Hz 35A雙極性脈沖電流信號(hào)，發(fā)射線圈是500 m×500 m 4匝線圈。數(shù)字示波器使用的是Tektronix TDS1012B-SC。

表1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試信號(hào)如圖8所示，測(cè)試結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，系統(tǒng)能夠真實(shí)反映信號(hào)的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。如在下降沿處，信號(hào)線性度很好但是存在15.39%過(guò)沖，因此期望擬合度下降，信號(hào)的穩(wěn)定度較差。大量實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，能夠滿足用戶的要求。

圖8　測(cè)量信號(hào)時(shí)序圖

6　結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)TEM發(fā)射機(jī)的發(fā)射電流信號(hào)質(zhì)量測(cè)量的需求，設(shè)計(jì)了一款基于DSP的TEM發(fā)射信號(hào)質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)際測(cè)量，對(duì)文中提出的用期望擬合度反映信號(hào)各階段穩(wěn)定性具有很好的靈敏度，用過(guò)沖率反映信號(hào)在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的穩(wěn)定性，用關(guān)斷期的期望直線斜率絕對(duì)值反映信號(hào)關(guān)斷率，這些方法都能夠很好地反映信號(hào)的質(zhì)量。

該系統(tǒng)已應(yīng)用于某瞬變電磁發(fā)射機(jī)生產(chǎn)質(zhì)量的檢測(cè)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在進(jìn)行物探之前對(duì)發(fā)射機(jī)的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，確保設(shè)備正常工作。通過(guò)系統(tǒng)導(dǎo)出的發(fā)射波形的原始數(shù)據(jù)，可以應(yīng)用于反演中一次場(chǎng)影響的算法研究，進(jìn)而提高反演的可靠性。

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