鄧 珊，李 縱，汪 宇

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所，湖北 武漢 430079）

0 引 言

電磁探測(cè)技術(shù)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理研究天然和人工（可控）場(chǎng)源在大地中激勵(lì)的交變電磁場(chǎng)分布，并由觀測(cè)到的電磁場(chǎng)分布研究地下電性和地質(zhì)特征的一種地球物理方法。地質(zhì)發(fā)射機(jī)是基于電磁探測(cè)技術(shù)的一種電磁探測(cè)設(shè)備[1-2]。本文設(shè)計(jì)了一種小功率地質(zhì)發(fā)射機(jī)，具有頻率覆蓋范圍廣和功耗低的特點(diǎn)，可以工作在頻域和時(shí)域，可以產(chǎn)生多種發(fā)射波形，且設(shè)備體積小、重量輕，適用于野外運(yùn)輸和攜帶，可以滿(mǎn)足用戶(hù)野外地質(zhì)勘探的需求。

1 設(shè)備組成

小功率地質(zhì)發(fā)射機(jī)主要由H橋發(fā)射電路和控制電路組成[3]，如圖1所示。

圖1 小功率地質(zhì)發(fā)射機(jī)組成框圖

小功率地質(zhì)發(fā)射機(jī)的外部電源通常為高壓直流電源或直流電源車(chē)，能為H橋發(fā)射電路提供高壓直流電壓。H橋發(fā)射電路是發(fā)射主機(jī)的核心部分，完成雙極性脈沖電流信號(hào)的功率放大?？刂齐娐分饕瓿呻娐冯妷骸㈦娏骱蜏囟鹊葏?shù)檢測(cè)和保護(hù)控制功能。發(fā)射天線完成電磁輻射，可為接地天線或環(huán)狀感性線圈。外部控制器為小功率地質(zhì)發(fā)射機(jī)提供激勵(lì)信號(hào)。+12 VDC充電輸入用來(lái)給小功率地質(zhì)發(fā)射機(jī)內(nèi)部的12 V蓄電池充電。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 H橋發(fā)射電路設(shè)計(jì)

小功率地質(zhì)發(fā)射機(jī)的H橋發(fā)射電路是一個(gè)單相全橋逆變電路[4]，組成如圖2所示。

圖2 H橋發(fā)射電路組成框圖

H橋發(fā)射電路由2個(gè)半橋組成，其中開(kāi)關(guān)管T1、T4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，T2、T3同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷。T1和T3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，T2和T4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)。小功率地質(zhì)發(fā)射機(jī)中開(kāi)關(guān)管為IGBT，型號(hào)選用西門(mén)康公司的SKM145GB176D，額定電壓為1 700 V，額定電流為160 A。

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

小功率地質(zhì)發(fā)射機(jī)控制電路主要包括主控電路、驅(qū)動(dòng)電路、參數(shù)檢測(cè)電路、電源電路和+12 V充電電池等，組成如圖3所示。

控制電路采用單片機(jī)和CPLD相結(jié)合的方式，由CPLD將外部控制器輸出的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行處理后送到驅(qū)動(dòng)電路[5]，控制H橋主電路功率器件的開(kāi)通和關(guān)斷，從而在發(fā)射天線上得到所需的發(fā)射信號(hào)。參數(shù)檢測(cè)電路檢測(cè)發(fā)射機(jī)輸入的高壓直流電壓信號(hào)、發(fā)射機(jī)輸出的電流信號(hào)、+12 VDC充電電池的電壓信號(hào)和溫度傳感器檢測(cè)的發(fā)射機(jī)工作溫度信號(hào)。經(jīng)過(guò)CPLD處理后的輸出電流關(guān)斷時(shí)間信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理后，可在參數(shù)顯示模塊上實(shí)時(shí)顯示發(fā)射機(jī)工作參數(shù)。同時(shí)，單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電電池電壓、發(fā)射機(jī)輸出電流和發(fā)射工作溫度，當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的充電電池電壓值、發(fā)射機(jī)輸出電流值和發(fā)射工作溫度出現(xiàn)異常時(shí)能優(yōu)先進(jìn)入保護(hù)中斷，發(fā)出封鎖信號(hào)，從而保護(hù)H橋主電路功率器件。

圖3 控制電路組成框圖

小功率地質(zhì)發(fā)射機(jī)中，采用的單片機(jī)芯片型號(hào)為 C8051F340，CPLD 芯 片 型 號(hào) 為 EPM570T100I5，IGBT驅(qū)動(dòng)芯片型號(hào)為QP12W058-37A，電源模塊型號(hào)分別是VRA1215LD-15WR2、VRA1212LD-15WR2和VRA1205LD-15WR2，溫度傳感器型號(hào)為DS18B20Z。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，單片機(jī)主要完成A/D采樣、故障報(bào)警信號(hào)的判斷以及發(fā)射機(jī)工作參數(shù)的顯示功能。軟件流程：開(kāi)機(jī)后，單片機(jī)先進(jìn)行初始化，然后循環(huán)掃描發(fā)射機(jī)高壓直流輸入電壓、+12 V充電電池電壓、發(fā)射機(jī)輸出電流和發(fā)射機(jī)工作溫度4個(gè)模擬輸入端口，完成A/D采樣；數(shù)據(jù)采集后，分別對(duì)+12 V充電電池電壓、發(fā)射機(jī)輸出電流以及發(fā)射機(jī)工作溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，判斷其是否在設(shè)定門(mén)限范圍之內(nèi)，超過(guò)門(mén)限則輸出故障報(bào)警信號(hào)給CPLD；最后，將采集的工作參數(shù)通過(guò)參數(shù)顯示電路顯示出來(lái)[6]。

3.2 CPLD軟件設(shè)計(jì)

CPLD主要完成發(fā)射機(jī)激勵(lì)信號(hào)生成和發(fā)射控制、關(guān)斷時(shí)間計(jì)算、信號(hào)保護(hù)閉鎖、指示燈控制等邏輯功能模塊設(shè)計(jì)，邏輯功能設(shè)計(jì)如圖3所示。CPLD中的邏輯功能為：激勵(lì)信號(hào)生成模塊將外部控制器提供的兩路信號(hào)轉(zhuǎn)換為4路H橋主電路的激勵(lì)信號(hào)；發(fā)射控制模塊完成發(fā)射機(jī)的控制功能（復(fù)位鍵按下3 s內(nèi)按發(fā)射鍵開(kāi)始發(fā)射，3 s之外按發(fā)射鍵不發(fā)射）；關(guān)斷時(shí)間計(jì)算模塊完成輸出電流關(guān)斷時(shí)間的計(jì)算，并把關(guān)斷時(shí)間數(shù)據(jù)送到單片機(jī)進(jìn)行處理；信號(hào)保護(hù)閉鎖模塊完成故障信號(hào)的判斷和激勵(lì)信號(hào)的閉鎖；指示燈控制模塊完成發(fā)射機(jī)的狀態(tài)指示。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

小功率地質(zhì)發(fā)射機(jī)的測(cè)試波形如圖4所示，其中驅(qū)動(dòng)為64 Hz，占空比為100%的方波，負(fù)載為2 Ω電阻時(shí)的發(fā)射波形。通過(guò)波形圖可以發(fā)現(xiàn)：小功率地質(zhì)發(fā)射機(jī)能夠輸出穩(wěn)定的電流波形。

圖4 64 Hz，100%占空比輸出波形

5 結(jié) 論

在電磁探測(cè)儀器的研究中，設(shè)計(jì)出一種可以應(yīng)用在多種探測(cè)領(lǐng)域的小功率地質(zhì)發(fā)射機(jī)具有重要意義，可以在國(guó)民建設(shè)中發(fā)揮重要作用。