(武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院1，湖北 武漢 430074；華中科技大學(xué)自動化學(xué)院2，湖北 武漢 430074)

0 引言

電磁法是地球物理勘探中電法勘探的重要分支，它基于地下巖石的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性和介電性的差異，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，觀測和研究人工或天然形成的電磁場的分布規(guī)律，并對數(shù)據(jù)進行處理和解釋，從而解決地質(zhì)問題。電磁法分為頻率域和時間域電磁法，其中頻率域電磁法分為大地電磁法(magnetotelluric method,MT)、音頻大地電磁法(audio magnetotelluric method,AMT)、可控源音頻大地電磁法(controllable source audio-frequency magnetotelluric method,CSAMT)[1]。

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，各種礦產(chǎn)資源的需求量越來越大，導(dǎo)致資源的開采逐步轉(zhuǎn)向深部，因此深部探測越來越受到重視。頻率域電磁法是深部探測中重要的探測手段之一。由于電磁波在地下傳播具有趨附效應(yīng)，因此地球的深部探測多采用MT或AMT。通過這兩種測量方法所獲取的信號多為低頻或甚低頻(n×10-4～n×102Hz)信號，需要進行長時間測量，且信號微弱(微伏到毫伏級)。因此，數(shù)據(jù)采集動態(tài)范圍大?；诖?，本文提出并實現(xiàn)了一種能夠?qū)Υ蟮仉姶判盘栠M行高精度采集，并利用GPRS通信技術(shù)實現(xiàn)無人值守的長時間測量的系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)被測信號的特點，測量系統(tǒng)的整體方案如圖1所示，主要分為傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)字控制電路、GPRS通信電路、PC上位機5個部分。

信號調(diào)理電路、24 bit ADC、FPGA組成了多通道數(shù)據(jù)采集電路，完成大地電磁信號數(shù)據(jù)的放大與濾波、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理等。數(shù)字控制電路以低功耗的ARM控制器STM32為核心，完成對數(shù)據(jù)采集電路和GPRS模塊的控制。GPRS模塊可利用現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡(luò)傳輸大地電磁信號測量數(shù)據(jù)和控制信號。由于移動網(wǎng)絡(luò)運營商為GPRS和Internet之間提供了無縫連接的網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(gateway GPRS support node，GGSN)[2]，因此GPRS通信模塊只需向連接到Internet并擁有固定IP的PC上位機發(fā)送數(shù)據(jù)即可。上位機主要完成整個測量系統(tǒng)的控制，并為用戶提供人機交互控制界面。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計

2.1 傳感器

在大地電磁信號的測量中，需要同時采集不同方向的電信號和磁信號。其中，電信號可利用鐵或銅電極來采集。但如果在較差的接地條件下，電極本身的金屬離子會和周圍物質(zhì)發(fā)生離子交換等電化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生較大的極化電壓，嚴重時會將有用信號完全淹沒，降低信噪比。因此，為提高測量精度，可以采用不極化電極。這種電極一般由石膏、二氯化鉛、氯化鈉、水配制而成，具有頻帶寬、極差電壓小、穩(wěn)定性高等特點，因此特別適用于長時間的地電觀測。磁信號采用磁感應(yīng)傳感器采集，并將磁場信號轉(zhuǎn)換為電信號。

2.2 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路以24位ADC和FPGA為核心，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集電路結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要測量的是大地電磁自然場的信號，該信號主要集中在低頻或甚低頻段。由于1/f低頻干擾對系統(tǒng)影響較大[3]，因此，在設(shè)計中前置放大器采用斬波穩(wěn)零放大器ICL7650。這種放大器與普通的運算放大器有所不同，可有效消除1/f噪聲的影響。

低通濾波器用于消除高頻噪聲的影響。由于低通濾波器輸出的信號為單端信號，為了提高信號的共模抑制比，需要在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前將其轉(zhuǎn)換為差分信號。本設(shè)計采用TI公司的低噪聲差分放大器，單芯片即可實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換。

由于大地電磁信號變化范圍為微伏級到毫伏級，因此要求ADC具有較大的動態(tài)范圍，本設(shè)計采用TI公司的Σ-Δ型24位ADS131E04。該ADC的最高數(shù)據(jù)輸出率達到64 kS/s，信噪比為118 dB，具有4個轉(zhuǎn)換通道，滿足系統(tǒng)的動態(tài)范圍要求。

ADS131E04接口為串行外設(shè)接口 (serial peripheral interface，SPI)，因此在電路中利用FPGA進行串行到并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和緩存。此外，在FPGA內(nèi)部增加了有限長單位沖激響應(yīng) (finite impulse response，F(xiàn)IR)數(shù)字濾波器。相比較于模擬濾波器，數(shù)字濾波器參數(shù)調(diào)整方便，穩(wěn)定性高且不存在參數(shù)漂移的問題。

2.3 GPRS通信電路

GPRS通信電路以華為的GSM/GPRS移動通信模塊MG323為核心。該模塊可工作在GSM850/900/1 800/1 900 MHz這4個頻段，支持數(shù)據(jù)、語音、短信通信，通過AT命令即可進行指令和數(shù)據(jù)傳輸。GPRS通信電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 GPRS通信電路結(jié)構(gòu)

MG323共有40個引腳，可以劃分為5類，即數(shù)據(jù)、控制、SIM卡、音頻和電源接口[4]。STM32控制器通過串口等5個引腳即可實現(xiàn)對MG323的控制和數(shù)據(jù)的讀取。其中有3個控制和狀態(tài)引腳。SYNC引腳作為MG323工作狀態(tài)指示引腳，可以表示關(guān)閉或休眠、SIM卡沒有插入或正在進行網(wǎng)絡(luò)登錄，已登錄進網(wǎng)絡(luò)并處于待機等狀態(tài)。IGT為MG323工作的啟動引腳，上電后MG323并不能馬上開始工作，必須通過ARM給IGT引腳輸入大于100 ms的低電平脈沖且電平下降時間不能超過1 ms。Power_down引腳為電源關(guān)閉腳。

SIM卡有4個控制引腳與MG323上對應(yīng)的同名腳相連。其中，SIM_RST為復(fù)位引腳；SIM_CLK為串行數(shù)據(jù)的時鐘引腳；SIM_DATA為串行數(shù)據(jù)引腳；SIM_PRES為SIM卡狀態(tài)引腳，當(dāng)SIM卡與MG323連接后，該引腳輸出高電平，反之為低電平。

經(jīng)病菌室內(nèi)分離培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)病原菌可在金絲小棗樹體及病殘體和棗園周圍的楊樹、榆樹、刺槐樹、桃樹、蘋果樹和梨樹上越冬，其中病棗果和楊樹是主要越冬場所。囊孢殼菌越冬后，5月下旬至9月中旬分生孢子器形成并散發(fā)分生孢子，8月中下旬子囊孢子和分生孢子同時散發(fā)。病原菌孢子隨風(fēng)、雨傳播，通過傷口和氣孔侵入。6月上旬病原菌開始侵染棗吊、果柄，7月上旬開始侵染棗果，8月下旬為病原菌對棗果的侵染高峰期。因此，8月下旬即為金絲小棗漿爛果病的防治關(guān)鍵期。

3 軟件設(shè)計

3.1 FPGA程序

FPGA程序主要完成串行數(shù)據(jù)到并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)緩存等功能。

串行數(shù)據(jù)到并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換功能由Serial_Parallel和READ_buffer兩個模塊完成。其中，Serial_Parallel模塊用于將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行的32位數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)實際只有24位，因此高8位的數(shù)據(jù)補零。而READ_buffer模塊用于將每次A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進行緩存，并通知下一級模塊數(shù)據(jù)已經(jīng)轉(zhuǎn)換完畢。

數(shù)字濾波由FIR數(shù)字濾波器模塊完成，該模塊可由Matlab中的數(shù)字濾波器工具FDAtool來進行設(shè)計。軟件中提供有不同截止頻率的低通和高通濾波器，設(shè)計步驟如下。

① 在FDAtool中配制濾波器參數(shù)，主要有濾波器類型、設(shè)計方法、濾波器階數(shù)、采樣率和截止頻率等。

② 進行濾波器分析，確認濾波器的幅頻特性與相頻特性是否滿足要求。

③ 導(dǎo)出濾波器參數(shù)并進行量化，以便能在FPGA硬件語言中使用。

④ 利用硬件描述語言 (hardware description language，HDL)代碼生成器生成VHDL語言，即可在FPGA工程文件中生成相應(yīng)的數(shù)字濾波器模塊。

3.2 GPRS控制程序

對于GPRS模塊，MG323控制的關(guān)鍵是AT指令集，它是終端設(shè)備和移動終端之間交互的規(guī)則。由于MG323內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，因此無需考慮底層協(xié)議。具體的控制步驟如下。

① 硬件確認工作：通過AT指令“AT+IPR”設(shè)置波特率；然后通過指令“AT+CPIN”確認SIM卡工作是否正常；通過指令“AT+CSQ”檢查移動網(wǎng)絡(luò)的信號質(zhì)量，返回的數(shù)值越大,表明信號越強。

② 模塊初始化：設(shè)置接入網(wǎng)關(guān)、移動終端類型、確認本手機號GPRS業(yè)務(wù)是否開通。接入網(wǎng)關(guān)是根據(jù)目前使用的移動運營商來選擇。在本設(shè)計中通過指令“AT+CGDCONT”選擇“CMNET”即移動夢網(wǎng)[6]；通過指令“AT+CGCLASS”設(shè)置模塊的工作類型；通過指令“AT+CGREG”確認GPRS注冊是否成功。

③ 進行網(wǎng)絡(luò)附著和網(wǎng)絡(luò)連接點設(shè)置:通過指令“AT+CGATT”進行網(wǎng)絡(luò)附著，激活分組數(shù)據(jù)協(xié)議(packet data protocol，PDP)，同時獲得此次登陸所分配到的動態(tài)IP；通過指令“AT+CIPCSGP”設(shè)置網(wǎng)絡(luò)連接點。

④ 設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康腎P地址:通過指令“AT+CIPSTART”設(shè)置目的TCP/IP地址。目的地址需要用戶在PC上位機中查詢得到。如果PC不是直接連接到Internet中而是通過路由器登陸網(wǎng)絡(luò)的，還需要在路由器設(shè)置中為本機分配唯一的端口號，并添加到下位機的目的地址。這樣下位機采集到的數(shù)據(jù)在到達路由器之后才能正確地轉(zhuǎn)發(fā)到正確的端口即計算機中。

⑤ 發(fā)送數(shù)據(jù):通過指令“AT+CIPSEND”發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。

移動終端可以在GPRS網(wǎng)絡(luò)上永不掉線，但是移動網(wǎng)絡(luò)運行商為了提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，會定時不進行數(shù)據(jù)傳輸，占用網(wǎng)絡(luò)資源的移動終端會強行下線，而每次重新上線后移動終端會分配到新的動態(tài)IP。因此，移動終端要維持網(wǎng)絡(luò)的不間斷連接必須定時和網(wǎng)絡(luò)進行交互，稱作“心跳”[7]。在設(shè)計中，下位機定時向上位機發(fā)送“心跳包”，“心跳包”信息包括當(dāng)前動態(tài)IP和系統(tǒng)狀態(tài)，這樣可以維持和上位機的網(wǎng)絡(luò)連接，同時報告當(dāng)前狀態(tài)。

3.3 PC上位機程序

PC上位機程序分為網(wǎng)絡(luò)通信和人機交互界面兩個部分，采用VB編程。人機交互界面主要分為4個部分：數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集端狀態(tài)顯示和數(shù)據(jù)保存。在程序設(shè)計中，網(wǎng)絡(luò)通信主要是利用VB提供控件WinSock來實現(xiàn)[8-11]，該控件是Microsoft對Socket編程接口的集成。設(shè)計中用到的控件屬性、方法和事件如下。

① 屬性：Protocol設(shè)定為sckTCPProtocol，即使用TCP協(xié)議；RemoteHostIP返回本機當(dāng)前的IP；State返回當(dāng)前的狀態(tài)，如網(wǎng)絡(luò)打開、偵聽、已連接等。

② 方法：主要是指網(wǎng)絡(luò)通信的各種操作?！癓isten”是將PC置于偵聽監(jiān)測狀態(tài)；“Accept”是接收下位機的連接要求；“Connect”用于發(fā)出連接下位機的請求；“SendData”用于發(fā)送數(shù)據(jù)到指定地址；“GetData”用于從緩沖區(qū)中取出下位機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。

③ 事件：作為網(wǎng)絡(luò)通信過程中各種操作的觸發(fā)，類似于中斷。“ConnectRequest”為下位機發(fā)出連接請求的觸發(fā)；“DataArrival”為與下位機建立連接后接收到數(shù)據(jù)的觸發(fā)。

4 測試

4.1 數(shù)據(jù)采集電路性能測試

數(shù)據(jù)采集電路性能測試主要是電路的噪聲水平和動態(tài)范圍測試。噪聲水平的測試采取將輸入端短路并接地，然后觀察ADC輸出電壓的水平。當(dāng)電路增益為1、采樣率為64 kHz時的噪聲水平如圖4所示。噪聲幅值約為15 μV，且在短路情況下存在約20 mV的直流偏置，該直流偏置可以在數(shù)據(jù)處理中進行校正。

圖4 采集電路噪聲水平

圖5 采集電路測量的極值信號

4.2 遠程通信能力測試

遠程通信測試主要對數(shù)據(jù)傳輸和控制性能進行測試。由于不同的區(qū)域，移動運營商會根據(jù)當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)絡(luò)資源的使用情況來動態(tài)設(shè)定心跳時間，以定時監(jiān)測移動終端的在線狀態(tài)，因此心跳時間的設(shè)定在不同的區(qū)域有所不同[12]。為了保證下位機和上位機的不間斷連接，在調(diào)試過程中要設(shè)定合理的時間。頻率既不能太高，消耗過多資源，也不能太低，造成被強行下線；同時要經(jīng)過長時間的跑機測試。經(jīng)測試，系統(tǒng)設(shè)定為10 s。上位機和下位機聯(lián)調(diào)結(jié)果表明，連續(xù)運行3 d，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，接收到的數(shù)據(jù)包完整，滿足大地電磁信號測量的時間要求。

在野外試驗中，遠程傳輸回PC機的電通道測量數(shù)據(jù)如圖6所示。根據(jù)結(jié)果可以觀察到，兩個電場測量通道的曲線趨勢相同，說明兩個通道的一致性比較好。同時，曲線具有較好的相關(guān)性，說明接收到的信號應(yīng)來自同一個激勵源。由于在野外試驗中，遠端采樣點布置在干擾較少的地方，因此可以排除其他主動場源干擾；測量數(shù)據(jù)的場源是大地電磁天然場，說明整個測量系統(tǒng)運行正常。

圖6 測量結(jié)果

5 結(jié)束語

本文在大地電磁探測原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)了基于GPRS的大地電磁測量系統(tǒng)。野外聯(lián)調(diào)測試結(jié)果表明，系統(tǒng)通過采用24位ADC和數(shù)字濾波技術(shù)，能夠?qū)T、AMT和CSAMT信號進行高精度的數(shù)據(jù)采集，動態(tài)范圍滿足系統(tǒng)要求。同時，利用商用的GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了遠程控制與數(shù)據(jù)傳輸，從而可以進行長時間的無人值守測量，適合在多種場合運用。

[1] 程志平.電法勘探教程[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007：20-30.

[2] 王磊，馮占軍.基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的嵌入式無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].測控技術(shù)，2007，26(9)：17-19.

[3] 張俊.高分辨、低漂移地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)的研究與實驗[D].北京：中國地震局地震預(yù)測研究所，2011.

[4] 張艷格.基于QtE和GPRS的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在城市供水網(wǎng)中的應(yīng)用[D].北京：北京郵電大學(xué)，2012.

[5] 楊萌，王祖強.基于FPGA的像素探測器數(shù)據(jù)緩存設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37(9)：92-96.

[6] 李明軍，尹文明.基于GPRS的大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2006(8)：83-85.

[7] 李利軍，肖兵.基于GPRS的分布式油田遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].貴州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，26(5)：89-92.

[8] 李信齋.基于GPRS的城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2010.

[9] 趙亮，黎峰.GPRS無線網(wǎng)絡(luò)在遠程數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].計算機工程與應(yīng)用，2005，26(9)：2552-2554.

[10]黃承安，張躍，云懷中.基于GPRS的遠程儀表監(jiān)控系統(tǒng)[J].電測與儀表，2003，40(8)：42-45.

[11]王益祥，牛江平.遠程無線抄表系統(tǒng)的研究[J].自動化儀表，2011，32(3)：4-7.

[12]田錦.GPRS數(shù)據(jù)分包長度和心跳包間隔性能分析[J].電訊技術(shù)，2012，52(4)：576-580.