并行高密度电法发射系统

1万 · 2019-4-29 20:24

并行高密度电法发射系统
高密度电阻率法是在常规电法基础上发展起来的一种阵列勘探方法，通过一次性布置
数百个电极，即可实现一片区域的电性数据测量。该方法主要用于老矿区深陷探测、地下
水资源探测、堤坝渗漏检测等一系列工程地质问题研究。高密度电法是一种先进的物理勘
探方法，但由于目前市场上的仪器结构受限，其往往不具备太高的工作效率。此外，这类
仪器多具有发射信号单一，功耗大，抗干扰能力差，采样精度不高，体积笨重的缺点，这
就导致此类仪器工作范围的局限性。
为解决传统仪器的不足，本文借鉴分布式地震观测系统的数据测量方式，实现了并行
测量方式，通过对主控电路、发射电路进行优化设计，最终实现了并行高密度电法发射系
统的设计。本文对发射系统的相关技术进行了研究，主要包括系统方案设计、硬件电路设
计、软件程序设计及关键技术的研究。硬件设计主要包括各主控单元和各模块单元电路的
设计，以及PCB电路板设计。软件设计主要包括ARM控制程序的设计和FPGA逻辑控制
时序的设计，其中ARM控制程序由C语言实现，FPGA时序逻辑则采用Verilog HDL硬
件描述语言实现。设计过程中对相关硬件进行了电路调试，软件程序进行了时序和功能仿
真。
此外本文对IGBT尖峰电压吸收、信号同步触发及系统可靠性设计等关键问题进行了
深入研究，设计了相关电路和功能模块，并对电路及模块测试仿真，均可实现设计要求，
针对某些模块撰写了相关学术论文，最后对该系统进行了相关测试，对测试结果进行了分
析与介绍。
**最后对本设计进行了总结与展望，并介绍了下一步的工作内容。

1万 · 2019-4-29 20:26

开发利用城市地下空间，是优化城市空间结构和管理格局，增强地下空间之间以及地
下空间与地面建设之间有机联系，促进地下空间与城市整体同步发展，缓解城市土地资源
紧张的必要措施，对于推动城市由外延扩张式向内涵提升式转变，改善城市环境，建设宜
居城市，提高城市综合承载能力具有重要意义[[1]
在长期的浅层地下结构探测实践中，涌现出了许多方法技术手段如高密度电阻率仪、
工程地震仪、地质雷达等，也取得了较好的探测效果。但随着经济、社会的发展，对地下
空间探测的要求越来越高，这些经典的探测手段己经不能完全胜任城市地下空间精细探测
的要求，这主要表现在:
   }1)城市地下结构勘探深度会变大，勘探精度需进一步提升，传统的探测手段很难
在200米深度上实现精细探测;
   }2)遭遇的人文干扰越来越严重，以前工程探测可以选择在晚上工作以避开人文干
扰，现在即使在晚上也无法保证取得可靠探测结果;
   (3)施工场地空间狭小，大型仪器设备很难施展，需要仪器更加轻便;
   (4)地表硬化，接地问题影响突出;
   (5)地下地质情况复杂，单一方法或单一参数很难取得精细探测效果，需要多方法、
多参数的综合探测、相互约束，以提高对地下地质体的识别与分辨能力。

1万 · 2019-4-29 20:26

因此急需研制一种并行分布式高密度电法探测系统，通过适当提高系统发射功率改善
信噪比、增大勘探深度;通过采用多道并行同步测量、多次覆盖和迭加技术等提高系统抗
干扰能力;通过获取多种测量参数从不同侧面提供对地下地质体的刻画能力;通过提高系
统输入阻抗部分解决城市地下空间探测的接地问题;通过系统微型化设计使之适应城市狭
小施工环境。从而实现精细探测城市地下空间的目标，为城市地下空间开发利用提供方法
技术支撑。本文基于此研究背景，通过对硬件电路设计、软件编程及相关技术进行研究，
从而设计了并行高密度电法发射系统。

1万 · 2019-4-29 20:27

高密度电法的雏形是20世纪80年代初英国学者设计的电阻率测深偏置装置系统，80
年代中期日本地质计测株式会社通过电极转换板实现了高密度电阻率法数据快速自动采
集，80年代后期高密度电阻率法传入中国，国内各地矿单位开展了高密度电阻率法的科
研工作，高密度电阻率法在我国得到迅速的发展[[4]。高密度电阻率法是基于常规电阻率勘
探发展而来的一种阵列勘探方法，它以地下介质间的电化学特性之间的差异为基础，通过
研究人工施加稳定电流场源在地下的空间分布规律，从而探测地下不均匀地质体与围岩电
性差异的地球物理探测方法。它的理论基础与常规电阻率法是一致的，不同的是所应用的
方法和技术。高密度电法在实际工作时往往需要布设高密度的测量点，数量为几十到上百，
每个测量点放置相应电极，用于接收或发射。每次启动工作时需设置其中两个测点的电极
用于发射，其余的电极用于接收。发射电极用于产生稳定电流，接收电极用于采集数据，
通过主机控制实现发射与接收电极的相互转换，实现发射电极的任意组合，从而得到每个
测量点不同的测量数据。将测量数据传输至上位机，通过对数据进行处理可以得到整个测
量区域地电断面的结构图示。与其他常规勘探方法比较而言，高密度电阻率法通过一次布
设，可以实现多点测量，提高了地质勘探的工作效率。

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高密度电法来源于上世纪七十年代末期的阵列电法探测思想，上世纪八十年代末期我
国开始了对该方法及其应用技术的研究，从理论与实际结合的角度探讨并完善了方法理论
及有关技术问题。随着各研究单位对高密度电阻率法的深入研究，该测量方法也逐渐被广
大勘探团队所使用。近年来高密度电法在国家重大工程规划中的地质调查、工程选址、地
下结构探测等各勘探领域得到了广泛应用，并获得了较好的地质探测效果和很大的社会经
济效益[6]
国内自引进高密度电法以来，有很多单位都开始从事此方法的理论及方法技术研究，
一些地方并开始研制相关电法仪器。最初这类电法仪器的结构为:工程电法仪通过导线或
多芯电缆与电极连接，再依靠机械式转换开关实现电极的控制转换;后来开始逐渐出现采
用分布式电极转换开关的仪器。一直以来，国内研究高密度电法方法技术和仪器的高校主
要为中国地质大学、吉林大学等。此外，有重庆地质仪器厂、北京地质仪器厂、骄鹏集团、
重庆奔腾数控技术研究所等多个公司厂家在生产和销售高密度电法系统。一直以来国外也
有许多公司在生产和销售高密度电法仪，主要为AGI公司、ABEM公司、IRIS公司等。
这些公司研发生产的高密度电法仪器的价格通常在7万美元上下，每套仪器配置60个电
极。国外的电法仪的测量主机多数都是与电极转换开关分离的，少数仪器是将主机与开关
单元结合在一起[7]。

1万 · 2019-4-29 20:28

高密度电法是由常规电法发展而来，其仪器本身是一个多电极测量系统，其一般由测
量主机和自动或人工电极转换开关构成。故根据其连接方式的差别，通常把这类测量仪分
为集中式电极转换方式和分布式电极转换方式。
1.对于集中式电极转化方式的仪器，其结构为每个电极都分别通过一条可以发射、
接收分时复用的导线与集中式电极转换盒连接，电极转换盒的输出与电测仪相连，集中式
高密度电法仪结构示意图如图1.1所示。

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这类仪器具有以下特征:
   (1)由于供电线与接收线分时复用，且连线数与电极数相等，电极线线径不可能太
大，因此供电电流不会太大，一般小于1-2安培;
   (2)仪器可以实现一次供电多道接收，但接收道数取决于电测仪与电极转换开关连
线数量和电测仪本身的通道数;
   (3)实际进行测量时，模拟信号是通过长线传输到电测仪输入端，这就导致系统抗
干扰能力差。
2.对于分布式电极转换方式的仪器，其结构为所有电极都通过一条多芯电缆(一般
为6-8芯，供电线2芯、接收线2芯、电源线2芯、控制线2芯，其中电源和控制线可复
用)与系统主机连接，分布式高密度电法仪结构示意图如图2.2所示。

1万 · 2019-4-29 20:29

这类仪器具有以下特征:
   C1)供电线与接收线长距离紧密平行铺设，极易引起供电信号直接祸合到接收通道
中引起干扰;
   C2)每次测量，只能有两个电极作为发射，其他两个电极作为接收，不能实现多道
同时a}n」量;
   (    3) aJ}」量信号通过长电缆传输到电测仪接收端，很容易受外界信号干扰。
综上所述，无论是采用集中式结构或是分布式结构，它们都有共同的缺点:供电电流
较小，勘探深度有限;测量信号为模拟信号经长电缆传输，非常容易受外界电磁干扰，使
测量精度变差;而且每次供电只能有两个接收通道，工作效率很低;接收与发射共用相同
电极，使其稳定性较差，测量结果也会变差。

1万 · 2019-4-29 20:30

传统高密度电法勘探仪器具有很多优点同时也存在许多不足之处，通过分析这些仪
器的优缺点，可以得出未来高密度电法探勘的总体发展趋势，主要表现为勘探技术追求“三
高”、“三多”、“三微”、“一抗”和方法技术应用追求“攻深”、“攻新”、“攻细”。
1.追求“三高”、“三多”、“三微”、“一抗”
所谓“三高”是指高灵敏度、高分辨率、高精度。仪器的灵敏度、分辨率和精度指标
提高了，就可以在同样勘探效果的前提下，适当减小供电电流，减轻发射机工作压力。
所谓“三多”是指多参数、多功能、多系列。为使测量效果变得更好，可以对多个参
数进行测量分析，从而更准确还原其本质。同时各种参数测量结果的相互验证与互补，也
有利于提高测量结果的可靠性。因此多参数、多功能、多系列将是今后高密度电法勘探技
术发展的方向之一。
所谓“三微”是指微功耗、微体积、微重量。由于物探仪器应用环境的特殊性，追求
仪器功耗、体积、重量的最小化将是永不过时的话题。
所谓“一抗”指的是抗干扰能力。随着社会文明和经济的快速发展，物探工作所遇到
的干扰种类越来越多、强度越来越大。因此仪器自身的抗干扰能力将是权衡其性能的关键
指标。
2.追求“攻深”、“攻新”、“攻细”
所谓“攻深”是指在保证精度的前提下，提高探测深度。随着社会的发展，各交通系
统不断向大深度地下轨道交通发展，城市地下空间的开发利用也在向200米深度推进，对
深部不良地质体的探测需求越来越迫切。
所谓“攻新”是指拓展方法技术的适应领域，使其在能够发挥作用的领域都得到应用，
取得效果。
所谓“攻细”是指提高探测精度和分辨率，发现细小地质信息，精确刻画细小地质体。
这就需要观测仪器具有高采样、高道数、高密度覆盖、高传输率等能力。

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传统高密度电法仪的主机同时完成发射波形和采集数据的功能，由于主机每次只能控
制两个电极作为接受，故需要多次测量才能得到此次布设区域的所有的电性数据。这就造
成了实际工作时效率偏低的问题，且模拟信号经长线传输易产生较大干扰。
为了解决上述问题，本文依托中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所承担的
“地下空间探测并行高密度电法系统预研究”项目，采用理论研究与实际应用结合的研究
方法，通过分析高密度电法的工作原理和目前高密度电法仪存在的优缺点，研究并设计一
种效率更高、功能更多、操作更简易的并行式高密度电法发射系统，本设计的总体设计原
理与传统仪器基本相同，不同之处是将发射波形与采集数据功能进行分开单元设计。通过
设计并行式高密度电法发射系统，实现对所有接收系统的并行式控制，并完成电压波形的
发送、采样触发信号的发送、同步电流采样和数据存储以及高压IGBT模块的驱动功能。

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并行高密度电法发射主机是集发射控制、电流采样、数据存储和接收控制于一体的综
合测控系统，如图2.3发射主机设计方案框图所示，此发射系统共分为控制模块、功率模
块、电流采样模块、通信模块、数据存储模块和电源模块等六个部分。其中控制模块主
要由ARM+FPGA及其外设电路构成，ARM外设电路主要包括以下几个部分:键盘及液
晶显示模块以实现人机交互功能;GPS模块以使系统获得较为精准的定位与时间信息。
通信模块则由CAN总线通信接口电路、RS422串口电路及预留W IFI模块组成，主要实
现与接收从机及上位机之间的互相通信。电源模块主要负责给系统提供电源，该部分由外
部铿电池及多个不同信号的DC-DC模块组成。数据存储模块用来存储控制程序、电流采
样数据及接收机的采集数据，由FPGA扩展的静态RAM与FLASH及ARM扩展的SD
卡组成。电流采样模块主要由电流传感器、模数转换器及运放组成，该模块用来实现对发
射电流进行同步采集功能。功率模块是也是本设计的重点部分，整个系统依靠该部分实现
电压信号的发射，本文选用两个IGBT半桥模块及相应的驱动模块进行功率模块的设计与
实现。

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并行高密度电法发射系统的主控单元与传统电法仪器相比，具有很大的创新性。传统
电法仪多采用PC 104工控机作为主控单元或选用_51单片机作主控芯片，PC工控机集成
度高，底层控制实现较难，且易于受环境因素影响，稳定性高的工业级工控机价格又很难
让人接受。而_51类单片机是CISC(集中指令)结构，运行速度较慢，且IO口驱动能力
较弱。故本设计摒弃传统仪器的控制模式，由CPU, FPGA和温补晶振组成控制模块，完
成对操作命令的解译执行、产生发射波形驱动信号、控制电流采样并保存数据、控制接收
机同步采集数据和接收并存储采集数据等功能。
本设计选择ARM+FPGA双核模式作为主控单元的控制方式，其中ARM芯片运算速
度快，外设丰富，体积小，功耗低，价格便宜，市场通用率高，更易于采购。FPGA为高
速CMOS工艺，功耗低，并可兼容CMOS, TTL电平，芯片具有大量的触发器和快速响
应的I/O引脚，使用硬件描述语言和并行运算的方式来实现快速原型设计和验证，使用非
常灵活。
主控单元的ARM芯片选用意法半导体公司的STM32F407系列芯片，该系列芯片的
特点是:外设资源丰富，具有极高的集成度，优异的实时性能和较低的开发成本。本设计
选用该系列芯片中的STM32F407ZET6作为主控芯片，该芯片采用先进的Cortex-M4内核，
增强的DSP处理指令，具有上兆的片上FLASH、上百字节的内嵌SRAM和灵活的外部
灵活的静态存储控制器接口(FSMC )，系统运行速度最高可到168MHz。此外该芯片具有
丰富的高级外设资源，其中系统外设包括114个通用IO口，通信互联外设包括SPI接口、
I2C接口、USB接口、CAN总线接口、SDIO接口、6个通用同步异步串口，控制外设包
括多个高级定时器、通用定时器、基本定时器，该芯片还具有嵌套的向量中断控制器
(NVIC)、浮点运算单元(FPU), 16通道直接存储器访问控制器(DMA )。这些丰富的
外设资源正是本设计选择其作为主控芯片的重要原因。如图3.2所示为主控芯片电路设计
原理图。

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本设计采样CAN总线方式实现发射系统与各接收单元之间的数据传输功能。CAN是
现场控制总线(Controller Area Network)的缩写，是IS O国际标准化的串行通信协议。
CAN总线因为具有高性能和可靠性的优点，被广泛应用于现代工业自动化领域。CAN总
线的发送和接收线均由两根差分信号线组成，这两根信号线电平分为显性电平和隐形电
平，CAN控制器通过判断两根差分信号线上的电位差来判断总线电平。此外，CAN总线
具有其他总线方式所不具有的特点，分别如下。
   C1)多主控制性。
   C2)系统的柔软性。
   (3)通信速度较快，通信距离远。
   (4)具有错误检测、错误通知和错误恢复功能。
   (5)故障封闭功能。
   C6)连接节点多。

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与传统高密度电法仪相比，并行高密度电法发射系统在数据采集方面进行了较大改
变，本系统只需通过向分离的接收从机发送同步采样时钟即可实现数据采集功能。在实际
工作中由于发射系统与接收系统相距较远，最大距离可达上百米，故需要选取一种较为合
适的通信协议。RS422串行协议最大传输距离可达1200米，最大传输速率为l OMb/s。采
用平衡双绞线差分传输，双绞线长度与传输速率成反比，即使如此传输线长为100米时，
传输速率也可达1Mb/s，且差分传输方式抗干扰能力更强，适合本系统使用。为此本设计
中给FPGA扩展了两个RS422串口驱动电路，驱动芯片选用Maxim公司生产的低功耗收
发器MAX48_5，该收发器的转换速率最高可以达到2._SMbps。该器件无论工作在何种状态
时，电流均处于较低数值，从而大大降低了工作损耗。而且该芯片在短路时可将输出端设
为高阻态，从而阻断短路电流。当作为接收驱动时，信号开路状态下，又能够使其以高电
平输出，从而减小外界的输入干扰。目前在RS422通信领域，该芯片应用最为广泛，使
用量也较为庞大，同时MAX48_5也有很好的性价比。本设计在FPGA与RS422驱动之间
加入一层隔离电路，目的是为了防止外界干扰通过传输线进入控制单元。隔离芯片选用
ADI公司的ADUM 1400，该芯片为单向四通道隔离芯片，隔离电压高达上万伏，工作功
耗低，具有高数据速率、高共模瞬变抗扰能力。如图3.8所示为RS422串口驱动电路。