彭 祥，張益勝，龍祥忠，王洪軍，李秀杰，李 麗，何懿珺

(中地裝(重慶)地質(zhì)儀器有限公司，重慶400033)

0 引言

激發(fā)極化法(IP)是根據(jù)巖石、礦石的激發(fā)極化效應(yīng)來尋找金屬和解決水文地質(zhì)、工程地質(zhì)等問題的一種電法勘探方法。發(fā)射機(jī)通過供電電極向大地供電，在穩(wěn)定電流(或直流脈沖)的激發(fā)下，巖石和礦石中產(chǎn)生激發(fā)極化效應(yīng)，研究電場隨時(shí)間變化(充電和放電過程)的特性，稱為直流激發(fā)極化法，又稱為時(shí)間域激電法(TDIP)。發(fā)射機(jī)通過供電電極向大地供特定頻率的交變電流，觀測電場隨頻率的變化(頻率特性)而表現(xiàn)出來的激發(fā)極化效應(yīng)稱為交流激發(fā)極化法，又稱頻率域激電法(FDIP)。激發(fā)極化法的應(yīng)用范圍日益廣泛，除尋找銅礦床外，在找鐵、找煤、找鉛鋅礦，以及在超基性巖區(qū)找鎳鉻礦和金礦等都取得了一定的地質(zhì)效果。激發(fā)極化法在礦產(chǎn)普查勘探中發(fā)揮了重要作用，可以發(fā)現(xiàn)一些大型低品位的硫化礦體(其他物探方法是難以奏效的)。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 功能指標(biāo)

(1)工作模式。時(shí)間域或雙頻兩種工作模式。時(shí)間域工作模式輸出雙極性50%占空比方波，預(yù)存多個(gè)供電脈寬時(shí)間可選，也可自定義供電脈寬。雙頻模式輸出雙頻雙極性合成方波，預(yù)存多個(gè)頻組可選，手動(dòng)切換頻組，每個(gè)頻組的主頻(高頻)、頻比可選，相位差固定。

(2)測量參數(shù)(顯示)。高壓、AB電流、接地電阻、輸出功率。

(3)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)高精度時(shí)間戳周期或全波形電流數(shù)據(jù)。

(4)GPS與高精度溫補(bǔ)晶振相結(jié)合提供同步時(shí)鐘。

(5)主機(jī)預(yù)留通訊接口同步控制平衡負(fù)載箱，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)或電網(wǎng)負(fù)載平衡。

(6)移動(dòng)終端(手機(jī)或平板)通過WiFi與發(fā)射主機(jī)通信設(shè)置參數(shù)、控制工作過程和顯示相關(guān)信息。

(7)設(shè)備通過USB接口進(jìn)行導(dǎo)入/導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

(8)監(jiān)測保護(hù)功能。①輸入高壓過壓、欠壓、波動(dòng)監(jiān)測保護(hù)功能；②AB電極過流、開路監(jiān)測保護(hù)功能；③供電AB電極接地電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測功能；④供電AB電極輸出功率監(jiān)測功能。

(9)實(shí)時(shí)箱體內(nèi)部溫度監(jiān)測，超過溫度報(bào)警閾值自動(dòng)啟動(dòng)保護(hù)功能。

(10)機(jī)箱兩側(cè)一進(jìn)一出兩個(gè)風(fēng)扇在自動(dòng)/手動(dòng)開關(guān)控制下強(qiáng)制散熱。

(11)儀器內(nèi)置11.1 V、10.4 Ah鋰電池組與外接12 V直流電源、AC220 V交流電源(外接電源適配器)三種工作模式，內(nèi)部設(shè)有過壓、欠壓、過流、防反接等保護(hù)功能，三種電源根據(jù)電壓高低自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

1.2 性能指標(biāo)

DDF20-1大功率時(shí)頻激電發(fā)射機(jī)的性能參數(shù)見表1，圖1為發(fā)射機(jī)的外觀圖。

表1 DDF20-1大功率時(shí)頻激電發(fā)射機(jī)性能參數(shù)表Table 1 Performance parameter table of DDF20-1 high power time frequency IP transmitter

圖1 DDF20-1大功率時(shí)頻激電發(fā)射機(jī)Fig.1 DDF20-1 high power time frequency IP transmitter

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 系統(tǒng)原理

圖2為系統(tǒng)原理圖。

圖2 系統(tǒng)原理框圖Fig.2 System principle block diagram

發(fā)射機(jī)電路包括FPGA核心電路、MCU最小系統(tǒng)電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、高壓開關(guān)電路(逆變橋)、過流保護(hù)指示、電流電壓采樣等部分。

逆變橋是整個(gè)高壓輸出電路的核心部分，由四組大功率IGBT組成。A、B分別對應(yīng)發(fā)射機(jī)面板高壓輸出接線柱(接大地供電電極)，HV+、HV-分別對應(yīng)面板的高壓輸入接線柱(外接直流高壓)，如圖3所示。當(dāng)控制信號(hào)使a兩組IGBT閉合、b兩組IGBT斷開時(shí)，輸出電壓A為正，B為負(fù)；a兩組斷開、b兩組閉合時(shí)，輸出電壓A為負(fù)，B為正；當(dāng)a、b都斷開時(shí)，A、B無輸出。通過控制a、b兩組IGBT的導(dǎo)通時(shí)間和順序，即可在AB端收到所需的高壓脈沖。

圖3 逆變橋示意圖Fig.3 Diagram of Inverter Bridge

2.2 硬件設(shè)計(jì)

采用FPGA(MAX10)+MCU(STM32F7XX)+移動(dòng)終端的方式實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA與MCU通過8位高速并行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，MCU與移動(dòng)終端通過WiFi通訊。FPGA負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)邏輯控制，如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、GPS校時(shí)的同步時(shí)基模塊管理、時(shí)間域/雙頻激電波形的產(chǎn)生、保護(hù)邏輯控制及其他實(shí)時(shí)輸入/輸出信號(hào)的產(chǎn)生等。MCU負(fù)責(zé)控制性事務(wù)管理，如任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)及狀態(tài)上傳、本地人機(jī)交互等功能。移動(dòng)終端負(fù)責(zé)無線式人機(jī)交互等純事務(wù)性管理，如數(shù)據(jù)及狀態(tài)圖形化呈現(xiàn)和人機(jī)交互等功能。

本方案采用控制與管理相分離的設(shè)計(jì)思路，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)控制，MCU負(fù)責(zé)控制性事務(wù)管理及本地人機(jī)交互，移動(dòng)終端負(fù)責(zé)無線人機(jī)交互，三者通過總線和WiFi進(jìn)行信息交換，這樣的設(shè)計(jì)思路可以充分發(fā)揮FPGA、MCU及移動(dòng)終端各自的優(yōu)勢，F(xiàn)PGA具備高速并行處理和硬件現(xiàn)場可編程的特點(diǎn)，適合于需要復(fù)雜時(shí)序邏輯控制和高實(shí)時(shí)性要求的場合，可以用來產(chǎn)生復(fù)雜的波形和一些高實(shí)時(shí)性輸入/輸出要求的邏輯控制，MCU具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)計(jì)算、邏輯處理能力和編程靈活的特點(diǎn)，適合于需要較強(qiáng)控制性事務(wù)管理功能的場合，移動(dòng)終端借助Android平臺(tái)優(yōu)勢可以用來顯示界面以及應(yīng)用程序等。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

MCU管理子系統(tǒng)軟件基于STM32CubeF7的HAL庫為開發(fā)平臺(tái)，采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS、嵌入式文件系統(tǒng)FatFs、DSP庫、USB庫等中間件，同時(shí)參考HAL庫和其他第三方提供的工程實(shí)例，利用模塊化、工程化設(shè)計(jì)思路，降低軟件開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，提高軟件的穩(wěn)定性和可維護(hù)性。該方案充分發(fā)揮了組件、工程實(shí)例和資料豐富的優(yōu)勢，軟件開發(fā)的很多基礎(chǔ)性工作可以不做，開發(fā)者大部分工作主要集中在應(yīng)用開發(fā)上。

移動(dòng)終端在Android Studio集成開發(fā)環(huán)境下開發(fā)，借助Android平臺(tái)豐富的系統(tǒng)資源，可以開發(fā)出炫麗友好的界面和易于操作及強(qiáng)大數(shù)據(jù)管理功能的應(yīng)用程序。

3 關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)分析及解決思路

(1)基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。本儀器在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS下基于STM32CubeF7的HAL庫進(jìn)行多任務(wù)程序設(shè)計(jì)，F(xiàn)reeRTOS具有可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活、實(shí)時(shí)、開源免費(fèi)、可靠、易用、多平臺(tái)支持等特點(diǎn)，適用于資源受限的深度嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)。

(2)嵌入式文件系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)。為了采用文件化管理工程數(shù)據(jù)和模擬U盤導(dǎo)出數(shù)據(jù)，儀器中必須帶有文件系統(tǒng)，由于儀器資源有限，采用輕量級嵌入式文件系統(tǒng)FatFs。FatFs是一個(gè)為小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用FAT文件系統(tǒng)模塊，F(xiàn)atFs的編寫遵循ANSI C，并且完全與磁盤I/O層分開，它獨(dú)立于硬件架構(gòu)，可以被嵌入到低成本的微控制器中，而不需要做任何修改。它具有與Windows兼容的FAT文件系統(tǒng)、不依賴于平臺(tái)、易于移植、代碼和工作區(qū)占用空間非常小、多種配置選項(xiàng)等特點(diǎn)。

(3)嵌入式USB Mass Device開發(fā)技術(shù)。儀器采用模擬U盤導(dǎo)出數(shù)據(jù)，涉及USB Mass Storage大容量存儲(chǔ)的相關(guān)開發(fā)技術(shù)，MCU廠家以中間件的方式提供相應(yīng)平臺(tái)的移植包，同時(shí)提供相關(guān)應(yīng)用案例，開發(fā)時(shí)可參考和借鑒。

(4)高低壓電磁屏蔽、隔離技術(shù)。高頻開關(guān)電源提供高壓，在高壓大電流發(fā)送時(shí)內(nèi)部形成大的電磁干擾，造成控制失控和影響數(shù)據(jù)采集精度。采取低壓與高壓部分完全電氣隔離及相互之間空間布局的合理性，低壓部分加裝屏蔽盒，引出線采用多芯屏蔽線和磁環(huán)屏蔽及注意走向等措施。

(5)尖峰吸收技術(shù)。在高壓大電流由AB供電與假負(fù)載供電相互切換發(fā)送時(shí)在高壓上形成很高的尖峰電壓，造成系統(tǒng)干擾并危及IGBT模塊的安全。采取高壓電容緩沖，RC電路、壓敏電阻、高壓瞬態(tài)抑制二極管等措施對尖峰進(jìn)行吸收和抑制。

(6)高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘技術(shù)。要求發(fā)射機(jī)時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘嚴(yán)格同步，如何簡單、低成本地獲取高精度時(shí)間系統(tǒng)尤為重要。結(jié)合GPS時(shí)鐘無累積誤差和晶振時(shí)鐘無隨機(jī)誤差的特性，使用GPS 時(shí)鐘實(shí)時(shí)測量晶振時(shí)鐘頻率以及輸出時(shí)鐘相位，利用晶振頻差和輸出時(shí)鐘相位差調(diào)節(jié)電路分頻比，消除晶振時(shí)鐘累積誤差的同時(shí)與GPS時(shí)鐘保持同步。

(7)雙頻激電波形的產(chǎn)生及同步發(fā)送。高精度溫補(bǔ)晶振經(jīng)GPS模塊連續(xù)在線校準(zhǔn)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，驅(qū)動(dòng)FPGA的高頻及低頻方波信號(hào)發(fā)生器經(jīng)

波形合成電路形成雙頻混合波，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)逆變橋的功率開關(guān)，由A、B端向大地供雙頻復(fù)合電流。

4 結(jié)語

DDF20-1大功率時(shí)頻激電發(fā)射機(jī)將時(shí)域激電和頻域激電兩種功能融為一體，既能與時(shí)域激電接收機(jī)一起構(gòu)成傳統(tǒng)的大功率激電測量系統(tǒng)，又能和我司全新設(shè)計(jì)的時(shí)頻激電接收機(jī)一起構(gòu)成大功率時(shí)頻激電測量系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于金屬與非金屬礦產(chǎn)資源勘探、地下水資源勘探及工程地質(zhì)等領(lǐng)域。