耿啟立，陳　健，馬　磊，王斌波

(1.中國地質(zhì)裝備集團有限公司,北京　100102；2.重慶地質(zhì)儀器廠,重慶　400033)

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基于嵌入式Linux系統(tǒng)的DZD-8多功能全波形直流電法儀

耿啟立1，陳健2，馬磊2，王斌波2

(1.中國地質(zhì)裝備集團有限公司,北京100102；2.重慶地質(zhì)儀器廠,重慶400033)

本文在回顧國內(nèi)直流電法儀器發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，重點闡述了基于ARM、FPGA技術(shù)和嵌入式Linux系統(tǒng)的DZD-8多功能全波形直流電法儀的系統(tǒng)設(shè)計及設(shè)計要點、系統(tǒng)特點、系統(tǒng)及性能指標(biāo)測試、野外應(yīng)用試驗等。

嵌入式；Linux；多功能；全波形；電法儀

0　前言

直流電法勘探發(fā)展歷史悠久，可追溯到19世紀(jì)初P.Fox用自然電場發(fā)現(xiàn)硫化金屬礦床。直流電法儀器伴隨著直流電法而誕生，由最初的指針式萬用表起步發(fā)展。1985年，重慶地質(zhì)儀器廠、北京地質(zhì)儀器廠相繼推出了DDC系列電子自動補償電阻率儀和DWJ系列微機激電儀；1991年，重慶地質(zhì)儀器廠推出了數(shù)字化的DZD系列多功能直流電法儀；1992年，山西平遙卜易水利電探儀器廠推出了激電綜合找水儀器；2000年前后，驕鵬研發(fā)出了E60系列直流電法儀。直流電法儀器發(fā)展歷程可分為四個階段，分別是第一代的指針萬用表式儀器、第二代的半自動化式儀器、第三代的51架構(gòu)單片機式儀器和第四階段的X86工控機架構(gòu)儀器。

重慶地質(zhì)儀器廠研發(fā)生產(chǎn)的DZD-6多功能電法儀，是以不帶操作系統(tǒng)的單片機為控制核心，其在運行速度、顯示、人機交互界面、功能升級等方面有設(shè)計提升空間。驕鵬公司研發(fā)的直流電法儀器均是以工控機PC104為控制核心，與單片機相比，功能更易擴展，易升級，但是以X86架構(gòu)為基礎(chǔ)的PC104主機功耗大，系統(tǒng)龐大，機體發(fā)熱嚴(yán)重，在南方的夏天陽光直曬下，機體內(nèi)溫度不易散發(fā)，甚至死機崩潰。

近年來，以ARM架構(gòu)處理器為控制核心的手持式設(shè)備發(fā)展迅速，尤其是智能手機和平板電腦，從數(shù)量上已經(jīng)遠遠超過了X86架構(gòu)的PC機，其具有體積小、功耗低、成本低、高性能的優(yōu)點。與單片機相比，帶MMU的ARM系列處理器能運行操作系統(tǒng)，應(yīng)用軟件開發(fā)更獨立，人機交互界面豐富友好，升級方便。

現(xiàn)場可編程門陣列FPGA技術(shù)以并行處理，速度快而被廣泛用于高端通訊、高速圖像處理運算等領(lǐng)域。FPGA并行計算的特點，相當(dāng)于多個傳統(tǒng)的PC、單片機同時執(zhí)行，同時可設(shè)計成多個固定功能的數(shù)字IC芯片，因此以FPGA為輔的數(shù)字控制系統(tǒng)在數(shù)字采集與帶操作系統(tǒng)的ARM處理器間起重要的紐帶銜接作用。

應(yīng)用ARM、FPGA、嵌入式Linux操作系統(tǒng)等新技術(shù)，重慶地質(zhì)儀器廠研發(fā)了全新的DZD-8多功能全波形直流電法儀，將直流電法儀從現(xiàn)有的第三代51架構(gòu)單片機式儀器和第四代X86工控機架構(gòu)儀器更新至低功耗、高可靠、低成本、便攜及多通道并行采集的新一代直流電法儀，將前四代的“數(shù)字萬用表”升級為多通道“數(shù)字示波器”，使野外物探工作者不僅能測電壓、電流/電壓，還能現(xiàn)場觀看電壓、電流波形，以感知工頻干擾強弱、信號可靠程度等。

1　系統(tǒng)介紹

1.1系統(tǒng)原理與整體設(shè)計

1.1.1直流電法原理

直流電法是以各向同性的均勻半空間點電流源的電勢分布為基礎(chǔ)。假設(shè)各向同性的均勻半空間布設(shè)發(fā)射電流為I的A、B兩個電流源，從而通過鏡像法可以得到任意M、N兩個位置的電勢，將M、N電勢相減就可以得到MN之間的電勢差為：

從而得到用點電源測試得到的視電阻率：

因此只要已知A、B、M、N的位置及MN的接收電壓和AB的發(fā)射電流，便可以計算出視電阻率。

1.1.2系統(tǒng)整體設(shè)計

DZD-8多功能全波形直流電法儀(圖1所示)采用模塊化設(shè)計理念，將系統(tǒng)分為應(yīng)用軟件、驅(qū)動軟件、數(shù)字電路控制模塊、模擬匹配放大量化模塊及功率發(fā)射模塊。應(yīng)用軟件與驅(qū)動軟件分離，使用相同

的驅(qū)動軟件，分別編寫多參數(shù)直流電法數(shù)據(jù)采集軟件、二維/三維高密度數(shù)據(jù)采集軟件等不同功能的應(yīng)用軟件，便可以實現(xiàn)不同測量方法的數(shù)據(jù)采集，方便用戶選擇不同的功能模塊，同時便于系統(tǒng)更新升級。系統(tǒng)的整體框架如圖2所示。

圖1　DZD-8多功能全波形直流電法儀及主界面

圖2　儀器整機設(shè)計框圖

DZD-8多功能全波形直流電法儀是以Cortex-A8處理器+FPGA處理器為控制核心，以高電壓大電流IGBT為發(fā)射執(zhí)行器件，以PulSAR架構(gòu)AD為電壓、電流雙數(shù)字量化核心。系統(tǒng)整體以內(nèi)置的16.8 V/12 Ah的鋰電池為供電電源，分別通過隔離或不隔離DC/DC轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生各模塊需要的電源。主控制單元Cortex-A8處理器主要完成數(shù)據(jù)的運算、存儲及顯示，輔控制單元FPGA處理器主要產(chǎn)生發(fā)射驅(qū)動波形、同步觸發(fā)雙AD采集、進行CIC數(shù)字濾波處理、協(xié)作GPMC總線高速傳輸及控制放大器增益。

1.2系統(tǒng)特點

1.2.1真正一機多功能

可以開展巖樣測試儀、常規(guī)電阻率儀、長導(dǎo)線激電儀、多參數(shù)找水儀、短導(dǎo)線激電發(fā)射機、短導(dǎo)線激電接收機、集中式/分布式2D/3D高密度電阻率/極化率測量等。

1.2.2全波形采樣

發(fā)射電流與接收電位同步全波形采集，可實時監(jiān)測外界游離電干擾，后期可通過上位機軟件對全波形電位進行任意時間段極化率的二次計算。

1.2.3測量參數(shù)多、應(yīng)用廣泛

電壓、電流、視電阻率、測量誤差、自然電位、自電梯度、視極化率、金屬因數(shù)、半衰時、衰減度、激發(fā)比、偏離度、接地電阻及電壓衰減曲線(即激電譜數(shù)據(jù))。1.2.4超大供電功率、超寬量程、超高精度

高達7500 W的供電能力、80 Vp-p的超寬電壓輸入范圍，1 μV電位重復(fù)精度；采用模擬與數(shù)字多級高精準(zhǔn)濾波、信號增強技術(shù)和強噪聲抑制技術(shù)獲得極高的小信號測量精度，讓儀器能更好地應(yīng)用于高阻地區(qū)工作，獲得更穩(wěn)定、更準(zhǔn)確的測量結(jié)果。1.2.5高可靠性與穩(wěn)定性

接收部分MN輸入端長期過壓保護達1 000 V，具有防雷保護；發(fā)射部分有過流保護、AB開路檢測及直流高壓防反接保護能力；采用進口儀器專用機箱，采用進口IP67防護等級的推拉或卡口式高可靠連接器，儀器具有防潮、防塵、防水、壽命長等優(yōu)點。

1.2.6戶外強光直射可視

采用高亮24位真彩LCD大屏幕，陽光直射下清晰可視，全中文人機界面，采集參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示與存儲、各種曲線繪制等快捷直觀，輕松完成野外測量工作。

1.2.7輕便靈活

集大功率發(fā)射、高精度接收功能于一體，體積小、重量輕；設(shè)有“三極B”，用于聯(lián)合剖面法和聯(lián)合測深法，能自動測量ρsA和ρsB，無需手動切換，提高測量效率；可隨時檢查AB電極和MN電極接地情況，方便實用。

1.2.8超大存儲容量

采用高速SD卡存儲，最大支持128 GB，可存儲上千萬組數(shù)據(jù)；支持通過USB接口導(dǎo)出存儲數(shù)據(jù)，計算機或PDA把儀器自動識別成通用U盤存儲器，使用極其方便。

1.2.9超大容量智能電池

儀器內(nèi)置進口智能鋰電池，可讀取溫度、容量、健康狀態(tài)等信息，充滿電后可連續(xù)續(xù)航16 h。

2　系統(tǒng)設(shè)計要點

2.1超低噪聲前放設(shè)計

模擬放大器以最低噪聲為設(shè)計目標(biāo)，低噪聲模擬電流設(shè)計所需要關(guān)注的是集成運放本身的噪聲和放大器級聯(lián)的順序。集成運放的噪聲分為電壓噪聲和電流噪聲，電壓噪聲是隨時間變化的輸入偏置電壓分量，電流噪聲是隨時間變化的偏置電流分量，與集成運放的輸入阻抗相關(guān)。測量直流信號還需要考慮集成運放的1/f噪聲。

為了平衡低噪聲，不因電極輸入的工頻干擾放大飽和，保證大信號測量范圍，放大器按可控增益前放、低通濾波、可控增益前放、工頻陷波的順序級聯(lián)

設(shè)計，同時考慮接地電阻測量、輸入防雷保護、瞬間過壓、自恢復(fù)保險等設(shè)計。

2.2大工頻抑制比陷波設(shè)計

直流電法需要準(zhǔn)確測出供電后大地的直流信號，但是隨著工業(yè)的發(fā)展，城市工頻游離電干擾越來越強，壓制強工頻干擾信號是硬件和軟件設(shè)計必須考慮的。硬件采用高抑制比的雙T型陷波結(jié)構(gòu)，雙T陷波器分為帶反饋的和不帶反饋的雙T陷波器。帶反饋雙T陷波器的Q值高，50 Hz頻點抑制比大，但電阻和電容值的誤差對陷波影響明顯。不帶反饋的雙T陷波器的Q值相對較低，50 Hz頻點抑制比小，電阻和電容值的誤差對陷波影響較小。

2.3高精全波形實時量化與高速傳輸設(shè)計

結(jié)合傳統(tǒng)逐次逼近和Delta-Sigma的數(shù)字抽取濾波器優(yōu)勢，模擬信號量化采用增強型逐次逼近型AD和FPGA的CIC數(shù)字濾波抽取處理，實現(xiàn)高精度的模擬信號量化。FPGA是實時全波形與高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，量化的數(shù)據(jù)用FPGA內(nèi)部的FIFO緩存，F(xiàn)IFO與Cortex-A8處理器通過總線高速傳輸數(shù)據(jù)，速度可達到64 Mbit/s。

2.4應(yīng)用軟件及人機交互系統(tǒng)設(shè)計

應(yīng)用軟件以多頁對話框為主架構(gòu)，以嵌入式Linux操作系統(tǒng)的Cortext A8處理器為控制核心，以C++語言為基礎(chǔ)、以數(shù)據(jù)庫存儲設(shè)置參數(shù)與測量數(shù)據(jù)，在強大的跨平臺QTCreater集成環(huán)境下開發(fā)。

友好的人機交互界面平臺通過外接高亮度LCD和4×6的IO矩陣鍵盤設(shè)計實現(xiàn)。

3　系統(tǒng)測試

3.1室內(nèi)檢驗測試

3.1.1Vp與ηs指標(biāo)測試

具體測量數(shù)值如表1所示。Vp誤差≤±1‰；ηs誤差：ηs>3%時，≤±2‰ ；ηs≤3%時，≤±0.05。

表1　Vp與ηs測量結(jié)果

3.1.2自電Vsp指標(biāo)測試

具體測量數(shù)值如表2所示，自電Vsp的誤差≤±1‰。3.1.3電流I指標(biāo)測試

具體測量數(shù)值如表3所示，電流Ip的誤差≤±2‰。

表2　自電Vsp測試結(jié)果

表3　電流I測量結(jié)果

3.1.4發(fā)射部分指標(biāo)測試

測試結(jié)果表明：發(fā)射電壓1 400 V，發(fā)射電流6 A，儀器工作正常。

3.1.5高低溫老化、防震與防水測試

高溫老化在無包裝的工作狀態(tài)下，隨爐升溫至60 ℃，保溫8 h；低溫老化在無包裝的工作狀態(tài)下，隨爐降溫至-10 ℃，保溫2 h；運輸振動在無包裝的工作狀態(tài)下，加速度為1g，保持2 h；防水測試模擬雨天工作，在無包裝的工作狀態(tài)下，將面板上澆滿水，保持12 h。測試結(jié)果表明，高低溫老化、運輸振動過程中和過程后均正常工作，儀器在模擬的下雨天能正常工作，防水性能滿足IP66要求。

3.2野外應(yīng)用試驗

重慶華夏園大觀園供水井勘查項目前期由重慶渝碚實驗檢測中心進行了高密度電法探測，采用的是微分裝置，測量結(jié)果如圖3所示，推薦鉆孔位置為距起點315 m，后實施的ZK1井出水250 m3/d。為了驗證儀器和積累找水經(jīng)驗，在ZK1旁進行了激電測深工作，具體開展了四極測深和五極縱軸測深。

圖3　微分高密度視電阻率圖

3.2.1四極測深

四極測深裝置模式在該地區(qū)測量的視極化率ηs值多數(shù)值為0～1之間，有些點值跳動很大，二次場衰減曲線波動大，有些尾部上升，說明該地區(qū)物性差異小。該測點50 Hz工頻游離電干擾大，不適合做四極激發(fā)極化測深，測量的視電阻率Rs值誤差在5%以內(nèi)，但二次場微弱，除淺層幾個測點外，衰減曲線不符合衰減規(guī)律。

利用RES1D商業(yè)一維軟件反演結(jié)果如圖4所示，反演解釋覆土層約4 m，目標(biāo)低阻異常在50～80 m。四極測深解釋結(jié)果與鉆孔資料相差比較大，解釋分辨率也比較低，單從電阻率的角度很難準(zhǔn)確定位含水層的位置。

3.2.2五極縱軸測深

五極縱軸測深的供電電極(AB)導(dǎo)線和接收電極(MN) 導(dǎo)線的布置是垂直關(guān)系，所以之間分布電容極小，幾乎為0，電磁耦合干擾小。另一方面五極縱軸測深裝置的電流密度主要分布在h<0.93L的范圍內(nèi)，其電流密度大于對稱四極裝置的電流密度，MN接收信號強。因此在強游離電干擾下，能比用對稱四極測深獲得更大的電位畸變值，從而可以得到關(guān)于勘探對象狀況的較明顯信息。原始采集數(shù)據(jù)分別繪制視電阻率ρs和視極化率ηs、半衰時Th、衰減度D，偏離度r，如圖5所示。

圖4　四極測深一維解釋圖

圖5　多參數(shù)曲線圖

從原始采集數(shù)據(jù)和實測曲線圖看，該井有兩個含水層，結(jié)合物探解釋推斷如下：

(1)第一個含水層在勘探深度為85～95 m處，對應(yīng)實際鉆探深度h=79.05～88.35 m之間。

(2)第二個含水層在勘探深度為125～135 m處，對應(yīng)實際鉆探深度h=120.9～133 m之間。

(3)結(jié)合(2)在勘探深度為145 m(對應(yīng)實際鉆探深度h=139 m)處，視極化率ηs=0.0087%為極低值異常，半衰時Th=140 ms為極低值異常，偏離

度r=144高值異常，衰減度D=124高值異常反映，推斷該處為溶洞所致。結(jié)果與接龍找水ZK1鉆井資料水文地質(zhì)概況符合。

利用五極縱軸測深，抗干擾能力強。另一方面五極縱軸測深裝置的電流密度主要分布在h<0.93L的范圍內(nèi)，其電流密度大，因此獲得較大的電位畸變值，從而可以得到關(guān)于勘探對象狀況的較明顯信息，測量參數(shù)多，可以克服單一參數(shù)存在多解性不足，避免打干井，成井率高。同時證明了新研發(fā)的多功能全波形直流電法儀可準(zhǔn)確地獲取視電阻率、視極化率、半衰時、偏離度等參數(shù)。

4　結(jié)束語

DZD-8多功能全波形直流電法儀是重慶地質(zhì)儀器廠在多年研制和生產(chǎn)先進電法儀器的基礎(chǔ)上，集成應(yīng)用電流電位全波形記錄、32位A/D、大功率控制、嵌入式實時操作系統(tǒng)、現(xiàn)場可編程陣列邏輯等當(dāng)今最新電子技術(shù)，研發(fā)的新一代多功能直流電法儀，儀器的體積和重量均顯著縮小。儀器經(jīng)過嚴(yán)格的指標(biāo)測試，主要技術(shù)指標(biāo)及功能領(lǐng)先于當(dāng)前國內(nèi)外同類儀器。通過重慶華夏大觀園項目找水項目野外試驗，DZD-8多功能全波形直流電法儀在野外復(fù)雜工頻環(huán)境下能獲得高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于金屬與非金屬礦產(chǎn)資源勘查，地下水資源/地?zé)豳Y源勘察等方面；亦可用于水利水電工程的壩基、大堤隱患，公路/鐵路的橋梁隧道調(diào)查等工程地質(zhì)勘察以及城市物探。

[1]張賽珍,王慶乙,羅延鐘.中國電法勘探發(fā)展概況[J].地球物理學(xué)報,1994,37(S1):408-424.

[2]李金銘.電法勘探方法發(fā)展概況[J].物探與化探,1996,20(4):250-258.

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[4]李金銘.地電場與電法勘探[M].北京:地質(zhì)出版社，2005.

2016-03-23

耿啟立(1964-)，男，中國地質(zhì)裝備集團有限公司技術(shù)中心副主任兼重慶地質(zhì)儀器廠總工程師，高級工程師，1984年畢業(yè)于長春地質(zhì)學(xué)院地質(zhì)儀器專業(yè)，長期從事地震、電法及嵌入式產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)、研發(fā)團隊管理、項目管理、質(zhì)量技術(shù)管理、產(chǎn)品開發(fā)規(guī)劃等工作，Tel：18600398326，E-mail: gengqili@cgeg.com.cn。

P631.33

A

1009-282X(2016)04-0015-05