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，研究電場隨時間變化(充電和放電過程)的特性，稱為直流激發(fā)極化法，又稱為時間域激電法(TDIP)。發(fā)射機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

1.1 功能指標

(1)工作模式。時間域或雙頻兩種工作模式。時間域工作模式輸出雙極性50%占空比方波，預存多個供電脈寬時間可選，也可自定義供電脈寬。雙頻模式輸出雙頻雙極性合成方波，預存多個頻組可選，手動切換頻組，每個頻組的主頻(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)實時存儲高精度時間戳周期或全波形電流數(shù)據(jù)。

(4)GPS與高精度溫補晶振相結(jié)合提供同步時鐘。

(5)主機預留通訊接口同步控制平衡負載箱，實現(xiàn)發(fā)電機或電網(wǎng)負載平衡。

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

(7)設備通過USB接口進行導入/導出數(shù)據(jù)。

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

(9)實時箱體內(nèi)部溫度監(jiān)測，超過溫度報警閾值自動啟動保護功能。

(10)機箱兩側(cè)一進一出兩個風扇在自動/手動開關(guān)控制下強制散熱。

(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)部設有過壓、欠壓、過流、防反接等保護功能，三種電源根據(jù)電壓高低自動轉(zhuǎn)換。

1.2 性能指標

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

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

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

2 設計原理

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

逆變橋是整個高壓輸出電路的核心部分，由四組大功率IGBT組成。A、B分別對應發(fā)射機面板高壓輸出接線柱(接大地供電電極)，HV+、HV-分別對應面板的高壓輸入接線柱(外接直流高壓)，如圖3所示。當控制信號使a兩組IGBT閉合、b兩組IGBT斷開時，輸出電壓A為正，B為負；a兩組斷開、b兩組閉合時，輸出電壓A為負，B為正；當a、b都斷開時，A、B無輸出。通過控制a、b兩組IGBT的導通時間和順序，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 硬件設計

采用FPGA(MAX10)+MCU(STM32F7XX)+移動終端的方式實現(xiàn)，F(xiàn)PGA與MCU通過8位高速并行總線進行數(shù)據(jù)交換，MCU與移動終端通過WiFi通訊。FPGA負責實時邏輯控制，如實時數(shù)據(jù)采集、GPS校時的同步時基模塊管理、時間域/雙頻激電波形的產(chǎn)生、保護邏輯控制及其他實時輸入/輸出信號的產(chǎn)生等。MCU負責控制性事務管理，如任務調(diào)度、數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)及狀態(tài)上傳、本地人機交互等功能。移動終端負責無線式人機交互等純事務性管理，如數(shù)據(jù)及狀態(tài)圖形化呈現(xiàn)和人機交互等功能。

本方案采用控制與管理相分離的設計思路，F(xiàn)PGA負責實時控制，MCU負責控制性事務管理及本地人機交互，移動終端負責無線人機交互，三者通過總線和WiFi進行信息交換，這樣的設計思路可以充分發(fā)揮FPGA、MCU及移動終端各自的優(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，適合于需要復雜時序邏輯控制和高實時性要求的場合，可以用來產(chǎn)生復雜的波形和一些高實時性輸入/輸出要求的邏輯控制，MCU具備較強的數(shù)據(jù)計算、邏輯處理能力和編程靈活的特點，適合于需要較強控制性事務管理功能的場合，移動終端借助Android平臺優(yōu)勢可以用來顯示界面以及應用程序等。

2.3 軟件設計

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

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

3 關(guān)鍵技術(shù)難點分析及解決思路

(1)基于嵌入式實時操作系統(tǒng)。本儀器在嵌入式實時操作系統(tǒng)FreeRTOS下基于STM32CubeF7的HAL庫進行多任務程序設計，F(xiàn)reeRTOS具有可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活、實時、開源免費、可靠、易用、多平臺支持等特點，適用于資源受限的深度嵌入式系統(tǒng)平臺。

(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是一個為小型嵌入式系統(tǒng)設計的通用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、易于移植、代碼和工作區(qū)占用空間非常小、多種配置選項等特點。

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

(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供電與假負載供電相互切換發(fā)送時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行吸收和抑制。

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

(7)雙頻激電波形的產(chǎn)生及同步發(fā)送。高精度溫補晶振經(jīng)GPS模塊連續(xù)在線校準產(chǎn)生標準時鐘信號，驅(qū)動FPGA的高頻及低頻方波信號發(fā)生器經(jīng)

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

4 結(jié)語

DDF20-1大功率時頻激電發(fā)射機將時域激電和頻域激電兩種功能融為一體，既能與時域激電接收機一起構(gòu)成傳統(tǒng)的大功率激電測量系統(tǒng)，又能和我司全新設計的時頻激電接收機一起構(gòu)成大功率時頻激電測量系統(tǒng)，可廣泛應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)等領域。