韓英杰， 林 昊， 段清明

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長春 130000)

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基于LabVIEW的瞬變電磁控制軟件設(shè)計(jì)

韓英杰， 林 昊， 段清明

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長春 130000)

針對自主研發(fā)的瞬變電磁系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了控制軟件。瞬變電磁法作為電法勘探中的一種重要方法，具有施工效率高、觀測靈敏、耦合佳、分辨能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使得它在許多地質(zhì)勘探中成為首選方法。基于圖形化編程開發(fā)環(huán)境LabVIEW平臺上開展了對瞬變電磁控制軟件的設(shè)計(jì)，完成了發(fā)射電流控制，多通道數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、顯示及保存等功能，實(shí)現(xiàn)了對儀器的全自動(dòng)化控制。經(jīng)過測試和驗(yàn)證，證明瞬變電磁系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、有效。表明瞬變電磁控制軟件可以穩(wěn)定、有效地工作。

瞬變電磁； LabVIEW； 控制軟件； 數(shù)據(jù)采集

0 引 言

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method, TEM)作為電法勘探中的一種重要方法，因其具有施工效率高、觀測靈敏、耦合佳、分辨能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使得它在許多地質(zhì)勘探中成為首選方法[1-3]。目前廣泛應(yīng)用的瞬變電磁裝置大多是建立在嵌入式技術(shù)基礎(chǔ)上，需要大量的硬件開發(fā)工作，開發(fā)周期長，功能單一，數(shù)據(jù)信息存儲量不大。

LabVIEW不僅可以應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理等方面應(yīng)用程序的開發(fā)，其最大的優(yōu)勢還在于測控系統(tǒng)的開發(fā)。它不僅提供了大量經(jīng)典的信號處理控件和信號分析工具，而且LabVIEW還非常容易和各種數(shù)據(jù)采集硬件集成，可以和多種主流的工業(yè)現(xiàn)場總線通信以及與大多數(shù)通用標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫連接[4]。它已經(jīng)成為圖形化編程語言的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]。基于LabVIEW開發(fā)的測控系統(tǒng)，在科研與工程的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

利用LabVIEW設(shè)計(jì)的瞬變電磁系統(tǒng)由發(fā)射裝置、采集裝置和操作軟件平臺組成?？刂栖浖?shí)現(xiàn)了對接收機(jī)的控制及對發(fā)射電流和關(guān)斷時(shí)間的顯示與存儲，完成了對瞬變電磁信號多通道采集、狀態(tài)監(jiān)測、成圖、疊加、存儲及預(yù)處理等功能。

1 控制軟件總體設(shè)計(jì)

瞬變電磁系統(tǒng)是通過LabVIEW對發(fā)射機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)而控制發(fā)射機(jī)發(fā)出所需頻率以及占空比的雙極性方波，然后對MSP-140801數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)子VI進(jìn)行調(diào)用的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對瞬變電磁信號的采集、顯示、記錄及預(yù)處理的功能。

瞬變電磁控制軟件的總體框圖如圖1所示，包括發(fā)射部分控制、接收部分控制、狀態(tài)監(jiān)測3大主功能模塊，各主功能模塊又根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同，分為若干子功能模塊。系統(tǒng)控制軟件開發(fā)流程如圖2所示。

圖1 瞬變電磁控制軟件總體功能框圖

圖2 系統(tǒng)控制軟件開發(fā)流程圖

2 發(fā)射部分軟件設(shè)計(jì)

對發(fā)射部分的控制主要是對發(fā)射波形的頻率和占空比選擇的控制。將不同的頻率和占空比的組合設(shè)為不同的控制字，通過選擇不同的控制字與硬件，進(jìn)行通信，發(fā)射所需波形。由于系統(tǒng)的通訊和連接是通過USB口來實(shí)現(xiàn)的，因此本文采用了一款型號為MC100的USB控制卡，該控制卡提供14路IO引腳，通過調(diào)用內(nèi)部函數(shù)控制每個(gè)引腳的傳輸方向(輸入或輸出)、輸出狀態(tài)(高電平/低電平/高阻/弱上拉)、以及讀取每個(gè)IO引腳的狀態(tài)。

動(dòng)態(tài)鏈接庫簡稱DLL，庫內(nèi)存放的是可供應(yīng)用程序使用的函數(shù)、變量等[6]。很多硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序也往往是以DLL方式提供。在LabVIEW中，通過調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)(CLF)來訪問動(dòng)態(tài)鏈接庫(DLL)，進(jìn)而調(diào)用API函數(shù)使應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)程序通信[7]。由于MC100提供了動(dòng)態(tài)鏈接庫，通過對其提供的DLL的調(diào)用，完成參數(shù)配置，即可實(shí)現(xiàn)控制軟件對發(fā)射機(jī)的控制。發(fā)射控制部分程序框圖如圖3所示。

圖3 發(fā)射控制部分程序框圖

在瞬變電磁法勘探中，發(fā)射機(jī)的關(guān)斷時(shí)間是一個(gè)重要參數(shù)，雖然關(guān)斷時(shí)間一般很短,但對二次瞬變場的影響卻是嚴(yán)重的。① 它損失了TEM 方法探測淺部結(jié)構(gòu)的能力；② 它降低了TEM 方法的分辨能力[8-9]。

LabVIEW可以通過屬性節(jié)點(diǎn)對本地或遠(yuǎn)程應(yīng)用程序?qū)嵗?、VI或?qū)ο螳@取訪問LabVIEW類的私有數(shù)據(jù)。本文通過屬性節(jié)點(diǎn)的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了關(guān)斷時(shí)間的自動(dòng)測量[10]。

3 采集部分軟件設(shè)計(jì)

為了保證瞬變電磁系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定運(yùn)行。在瞬變電磁控制軟件部分設(shè)置了對發(fā)射電流的采集、顯示及存儲，以此來監(jiān)測發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)。同時(shí)對接收到的二次場信號進(jìn)行采集、顯示、預(yù)處理、保存等，實(shí)現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以便后續(xù)的反演解釋。

3.1 采集控制策略

采集程序模型有各部分相對獨(dú)立結(jié)構(gòu)，順序循環(huán)結(jié)構(gòu)和“生產(chǎn)者—消費(fèi)者”模式。本文采用的是“生產(chǎn)者—消費(fèi)者”模式，如圖4所示。

圖4 “生產(chǎn)者—消費(fèi)者”模式

在“生產(chǎn)者—消費(fèi)者”模型中，采用隊(duì)列作為緩存，將采集到的數(shù)據(jù)直接存放到緩存中，這一過程耗時(shí)極少[11]。即采集模塊運(yùn)行多快，就以多快的速度將數(shù)據(jù)放到緩存中去。而在隊(duì)列的另一端，只要隊(duì)列中有數(shù)據(jù)，就將數(shù)據(jù)提取出來進(jìn)行操作。隊(duì)列緩存的引入使數(shù)據(jù)采集，處理成圖和疊加保存3個(gè)模塊可以同時(shí)運(yùn)行。在程序運(yùn)行過程中，LabVIEW會將其自動(dòng)多線程運(yùn)行，既保證了對程序的實(shí)時(shí)監(jiān)測又節(jié)省了程序運(yùn)行的時(shí)間[12]。

3.2 信號數(shù)據(jù)的預(yù)處理

TEM勘探到的信號中包含大量的干擾信號，如不對有用信息進(jìn)行處理，反演得到的計(jì)算結(jié)果誤差較大。因?yàn)?，在對瞬變電磁?shù)據(jù)進(jìn)行存儲之前，需要對二次場信號進(jìn)行一定的處理。

3.2.1 強(qiáng)信號干擾剔除

在TEM中，二次場信號為隨時(shí)間增加而不斷衰減的信號，若采集的數(shù)據(jù)不符合衰減趨勢，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)干擾剔除[13]。首先計(jì)算衰減曲線在各測點(diǎn)的斜率，計(jì)算出平均值及方差，并對斜率超差的測點(diǎn)進(jìn)行校正，即當(dāng)?shù)趇個(gè)測點(diǎn)超差時(shí)，以其前一點(diǎn)的斜率為基礎(chǔ)，加歸一得到斜率值k1，同時(shí)計(jì)算測點(diǎn)的臨近下一點(diǎn)的加歸一斜率值k2，則有

k=Ck1+(1-C)k2

(1)

(2)

同時(shí)采用保留-替代準(zhǔn)則[13]，其判斷依據(jù)為

(3)

式中，

具體流程圖如圖5所示。

圖5 保留-替代流程圖

3.2.2 信號的分段放大校正

由于瞬變電磁信號的特點(diǎn)是早期信號幅值較大，中晚期信號幅值較小。晚期信號可達(dá)到微伏級別[14-15]，為了提高數(shù)據(jù)采集精度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用對中晚期信號以高放大倍數(shù)采集、對早期信號以低放大倍數(shù)采集的分段放大方式。具體的實(shí)現(xiàn)方式為采集卡通過5個(gè)通道同時(shí)采集二次場數(shù)據(jù)，由于每個(gè)通道采集數(shù)據(jù)放大倍數(shù)不一致，5個(gè)通道采集的數(shù)據(jù)在保存之前，需要對放大倍數(shù)進(jìn)行歸一化處理。放大倍數(shù)歸一化處理后，每個(gè)通道數(shù)據(jù)截取相應(yīng)部分拼接為一組完整的瞬變電磁信號數(shù)據(jù)。采取這種方式，不僅能保證每個(gè)通道需要截取的信號部分不飽和，最重要的是提高采集數(shù)據(jù)精確度高。然而由于每個(gè)通道放大倍數(shù)存在誤差等因素，并不能完全按照設(shè)計(jì)的放大倍數(shù)進(jìn)行采集，因此需要在軟件中對其進(jìn)行校正。程序框圖如圖6所示。

圖6 5個(gè)通道數(shù)據(jù)拼接程序框圖

3.2.3 信號的濾波及疊加處理

為了消除采集信號中的雜波成分，在信號實(shí)時(shí)采集波形輸入顯示控件前利用LabVIEW中自帶的信號處理工具包中的濾波器進(jìn)行濾波處理。濾波器控件可以實(shí)現(xiàn)對軟件濾波器類型、濾波形式、上截止頻率、下截止頻率及濾波階數(shù)等設(shè)置默認(rèn)值，也可以引入輸入控件對其在前面板中進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，具有較高的靈活性。

圖7 信號數(shù)據(jù)疊加程序框圖

4 測試實(shí)驗(yàn)

使用瞬變電磁儀器樣機(jī)，1 m×1 m發(fā)射線圈，1 m×1 m接收線圈的情況下在地質(zhì)宮電磁屏蔽室對系統(tǒng)進(jìn)行測試，得到采集到的電流、信號波形分別如圖8、圖9所示。

圖8 采集的電流波形

圖9 采集的信號波形

5 結(jié) 語

使用LabVIEW完成了對瞬變電磁控制軟件的設(shè)計(jì)，配以數(shù)據(jù)采集卡等較少數(shù)硬件，實(shí)現(xiàn)了對瞬變電磁系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和對信號的采集、處理、顯示以及存儲等功能。后通過在甘肅省天水市麥積山隧道對瞬變電磁系統(tǒng)進(jìn)行測試，經(jīng)過對采集存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演分析。同時(shí)利用吉林大學(xué)自主研制的JLMRS-III型核磁共振找水儀對同一位置進(jìn)行了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，結(jié)論具有一致性，證明瞬變電磁系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、有效。表明瞬變電磁控制軟件可以穩(wěn)定、有效地工作。

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Control Software Design of TEM Based on LabVIEW

HANYing-jie,LINHao,DUANQing-ming

(College of Instrumentation and Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130000, China)

Control software is designed for the system of transient electromagnetic method(TEM)which was developed independently. TEM is an important method in electrical prospecting, it has highly constructive efficiency, sensitive observation, optimal coupling, and high resolution capability. Hence, it has become a preferred method in geological exploration. Control software of TEM is developed based on the LabVIEW platform to provide a graphical programming development environment. The functions involve the emission current control, multi-channel data acquisition, preprocessing, data display and save, etc. It realizes the automatic control of the instrument. The test and contrast results show that the data of TEM system are accurate and valid. Also it manifests that the control software can work stably and efficiently.

TEM; LabVIEW; control software; data acquisition

2015-08-03

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2011YQ030133)

韓英杰(1991-)，男，河南洛陽人，碩士生，主要研究方向?yàn)殡姎鉁y試技術(shù)及儀表。

Tel.: 15143089021; E-mail: hanyj0208@163.com

段清明(1966-)，男，河南洛陽人，教授，主要研究方向?yàn)榈厍蛭锢矸椒ㄅc儀器。

Tel.: 18686638929; E-mail: duanqm@jlu.edu.cn

TH 763

A

1006-7167(2016)01-0072-04