ATS-SR地電儀研制與試驗(yàn)

嚴(yán) 興，柴劍勇

（廣東省地震局，廣東 廣州 510070）

ATS-SR地電儀研制與試驗(yàn)

嚴(yán) 興，柴劍勇

（廣東省地震局，廣東 廣州 510070）

針對自主研制的ATS-SR（自動切換繼電器）地電儀的硬件系統(tǒng)特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中的一些具體要求，基于Microchip公司的PIC16F877A芯片，開發(fā)了一套軟件系統(tǒng)，包括測控軟件 （下位機(jī)軟件）和數(shù)據(jù)處理分析軟件 （上位機(jī)軟件），系統(tǒng)的介紹了依托地電儀硬件電路的測控軟件與數(shù)據(jù)處理軟件各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)原理與程序流程，并分析了其技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢。在實(shí)際測量河北邢臺大柏舍大地電阻率的實(shí)驗(yàn)中，表現(xiàn)出良好的測量穩(wěn)定性。

地電阻率；ATS-SR地電儀；軟件

引言

地震孕育過程中，經(jīng)常伴有地下介質(zhì)電阻率的變化及大地電流和自然電場的變化。觀測這些變化 （主要是地殼上部介質(zhì)電阻率的變化），提取地震前地下介質(zhì)的電信息，并探討其與地震之間的關(guān)系，以進(jìn)行地震預(yù)報(bào)，是地電觀測的主要任務(wù)，同時(shí)也可以用于研究活斷層及構(gòu)造活動特性。

1966年邢臺地震以來，定點(diǎn)地電阻率觀測已成為我國地震前兆觀測的常規(guī)手段，投入觀測的地電阻率臺站有百余個(gè)，在多次大震之前，地電阻率觀測都顯示了明顯的異常，所以不失為一種有效的地震前兆預(yù)報(bào)方法。

目前國內(nèi)地電臺站多采用地表布極，四級對稱測量方法，這種布極裝置條件下，供電電場在地表以上不存在，所以稱為半空間分布，半空間地電測量的電力線大部分集中于地表附近，受地表干擾因素 （降雨，人為等）影響很大。

ATS-SR型地電儀應(yīng)用于深井觀測中，電極布設(shè)在地表以下的深孔中，近似為全空間測量，這種情況下，地表層電阻率的干擾變化對視電阻率觀測值的影響很小，可以有效地消除地表干擾。

近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，微機(jī)處理技術(shù)也得到廣泛應(yīng)用，使得儀器在集成度與穩(wěn)定性上可以有很大提高。ATS-SR新型地電儀系統(tǒng)改進(jìn)了電壓測量方式，并且開發(fā)了數(shù)據(jù)處理與日報(bào)表生成等上位機(jī)程序，使整套儀器擁有測量穩(wěn)定性高，操作方便，結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)。本文結(jié)合ATS-SR型地電儀的硬件技術(shù)特點(diǎn)，介紹軟件系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)簡介

該套軟件系統(tǒng)包括兩部分：測控和數(shù)據(jù)處理。測控軟件燒錄在電路板的 CPU（PIC16F877A）上，用于定時(shí)測量或接收中斷控制從而實(shí)現(xiàn)電路控制和數(shù)據(jù)的采集發(fā)送；數(shù)據(jù)處理軟件安裝在PC機(jī)上，對測控電路進(jìn)行必要的中斷控制，并接收測控電路發(fā)來的原始數(shù)據(jù)，將其保存于PC機(jī)上用于生成日報(bào)表。

2 地電儀硬件系統(tǒng)簡介

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)是建立在硬件基礎(chǔ)上的，地電儀的硬件系統(tǒng)如圖1所示，包括CPU （PIC16F877A）、計(jì)數(shù)模塊、時(shí)鐘芯片、液晶顯示、數(shù)據(jù)存儲、串口通信、模擬電流輸入等。

圖1 地電儀硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware structure of the earth resistivity apparatus

地電儀按照初始設(shè)置的時(shí)間間隔定時(shí)進(jìn)行測量，可以通過PC機(jī)上的上位機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)儀器參數(shù) （包括系統(tǒng)時(shí)間、測量間隔等）的讀取與設(shè)置，手動即時(shí)測量，參數(shù)標(biāo)定等。這里采用中斷的方式來進(jìn)行控制。PIC16F877A提供有內(nèi)置的串行通信模塊，在異步方式下，等同于計(jì)算機(jī)上的串行接口RS232。上位機(jī)軟件通過串行口COM1發(fā)出指令，從而在PIC上引起接收中斷，通過對收到字節(jié)內(nèi)容的判斷，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的中斷控制，從而實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對硬件電路的測量控制。

采用獨(dú)立供電的時(shí)鐘電路芯片DS1302來控制系統(tǒng)時(shí)間，DS1302可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號來對系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行讀取或設(shè)置。

測量過程中，除了實(shí)時(shí)的將結(jié)果發(fā)送給 PC機(jī)，另外，電路上采用兩片 EEPROM（24C1024，可存儲2 M位數(shù)據(jù)）用隨機(jī)的方式保存近一個(gè)月的數(shù)據(jù)，方便在數(shù)據(jù)丟失情況下從電路板上調(diào)取備份。

計(jì)數(shù)模塊用來測量供電電位與自然電位，是電路的主要部分，在此我們選擇了一批新的集成芯片，改進(jìn)了電壓測量方式，首先將電壓信號經(jīng)V/F轉(zhuǎn)換為頻率信號 （V=a×F-b），采用高速器件測周法，用待測信號的2 047個(gè)周期作為24 MHz標(biāo)準(zhǔn)脈沖的計(jì)數(shù)閘門時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)用24位高速 (100 MHz)計(jì)數(shù)器記錄下標(biāo)準(zhǔn)脈沖的個(gè)數(shù)N，則可算得待測信號的周期：t=N/（2 047×24 000）ms，電壓值V=1/t×a-b，從而反算得到更加精確的待測電壓值。測量分辨率 （按被測電壓值為200 mV計(jì)）：N=1/200×2 047×24 000=245 640，計(jì)數(shù)器分辨率為±1，則此電路電壓測量的最高分辨率為：±1/N×200=±0.000 81 mV。計(jì)數(shù)模塊的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 計(jì)數(shù)模塊電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Circuit structure of the counter module

3 地電儀測控軟件結(jié)構(gòu)

地電儀的測控軟件系統(tǒng)由液晶顯示、上電計(jì)數(shù)、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等部分組成。在功能模塊實(shí)現(xiàn)的過程中，使用了RS232的串口協(xié)議、串口接收中斷等。

3.1 指令基礎(chǔ)

測控軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)建立在儀器的 CPU（PIC16F877A）的指令集基礎(chǔ)上，PIC16F877A所應(yīng)用的是PIC16F87X所提供的35個(gè)指令所組成的精簡指令集?；旧线@些指令的執(zhí)行都可以在一個(gè)指令周期內(nèi)完成，對于使用了特定速度的震蕩時(shí)鐘的單片機(jī)，一個(gè)指令周期的時(shí)間是已知的，那么在編寫程序的過程中，我們便可以直接的估算出所編寫程序代碼需要多少時(shí)間來執(zhí)行。對于地電儀這種有時(shí)間限制的程序流程，我們就可以對程序代碼做比較精簡的規(guī)劃。

3.2 軟件流程

程序的基本流程：上電后首先對相關(guān)寄存器及模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，不斷讀取時(shí)鐘信息進(jìn)行顯示及判斷，當(dāng)?shù)竭_(dá)整點(diǎn)時(shí)，即分鐘值為0時(shí)進(jìn)行一次基本的測量過程，隨后進(jìn)行結(jié)果數(shù)據(jù)的處理，顯示和存儲。本次測量結(jié)束后繼續(xù)顯示時(shí)鐘，等待下一次測量。在等待的過程中，可以接受中斷設(shè)置，更改有關(guān)參數(shù)，或進(jìn)行標(biāo)定等特定流程。主程序流程圖如圖3所示。

3.2.1 主測量模塊

測量時(shí)首先將OOM置1，打開測控電路的總開關(guān)，在進(jìn)行適當(dāng)延時(shí)后，分別對水平和垂直方向的兩組電極重復(fù)進(jìn)行3次供電測量。每次供電測量包括正向供電與撤電和反向供電與撤電各一次，在供電時(shí)記錄下供電電壓Vg、供電電流VI，撤電后記錄自然電壓Ve，從而可計(jì)算電阻率

這里的K為裝置系數(shù)。進(jìn)行正反兩次供電是為了消除殘留電流影響。將每個(gè)通道正反向的三組數(shù)據(jù)都進(jìn)行保存，用于后面的數(shù)據(jù)處理。一次基本的測量過程的程序流程圖如圖4所示。

圖3 主程序流程圖Fig.3 The flow chart of main program

圖4 基本測量過程程序流程圖Fig.4 The flow chart of basic measurement process

3.2.2 計(jì)數(shù)處理模塊

供電電壓Vg與自然電壓Ve是通過24位高速 （100 MHz）計(jì)數(shù)器記錄下標(biāo)準(zhǔn)脈沖的個(gè)數(shù)N，再反算得到分辨率較高的電壓值的。電壓讀取流程如圖5所示。供電電流VI是采用單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化得到的。單片機(jī)的第5引腳提供AD轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)正電壓輸入，AD轉(zhuǎn)換器可以將輸入的模擬電信號轉(zhuǎn)化為10位二進(jìn)制數(shù)0～1 023，從而可以算得供電電流的真實(shí)值。

3.2.3 中斷處理模塊

為了使測控電路的時(shí)鐘走時(shí)準(zhǔn)確，需要定期進(jìn)行校正。時(shí)鐘芯片DS1302的時(shí)間讀取與時(shí)間設(shè)置，參數(shù)a、b、Fc等的不定期標(biāo)定，及某些時(shí)刻的實(shí)時(shí)測量，都采用中斷的方式來實(shí)現(xiàn)。中斷的流程如圖6所示。

在一次基本的測量過程中，所有的中斷都是被屏蔽的，此時(shí)單片機(jī)不響應(yīng)外界的中斷請求，是為了保證測量過程的完整性。其余等待測量的時(shí)間，串口接收中斷是開啟的。按照我們自行約定的協(xié)議，上位機(jī)程序可向單片機(jī)發(fā)出如下中斷：

圖5 計(jì)數(shù)處理流程圖Fig.5 The flow chart of count process

圖6 中斷分類Fig.6 Interrupt types

（1）時(shí)鐘讀取中斷：PC機(jī)向串口發(fā)送一個(gè)字節(jié)9 A，單片機(jī)接收到后，判斷該字節(jié)是否為9 A，若是，則向串口回復(fù)6字節(jié)的時(shí)間數(shù)據(jù)如2010年5月1日8時(shí)8分8秒為：100501080808

（2）時(shí)間設(shè)置中斷：PC機(jī)向串口發(fā)送頭字節(jié)8C+6字節(jié)時(shí)間數(shù)據(jù)+尾字節(jié)33，單片機(jī)接收到這串字節(jié)后，通過判斷頭尾字節(jié)得知6字節(jié)的時(shí)間數(shù)據(jù)，然后將其設(shè)置為當(dāng)前時(shí)間。

（3）參數(shù)標(biāo)定中斷：PC機(jī)向串口發(fā)送一個(gè)字節(jié)BD，單片機(jī)判斷到BD后即轉(zhuǎn)入標(biāo)定測量程序，此時(shí)PC機(jī)向串口發(fā)送一個(gè)字節(jié)BD，即可使單片機(jī)結(jié)束標(biāo)定，回復(fù)到正常流程。

（4）即時(shí)測量中斷：PC機(jī)向串口發(fā)送一個(gè)字節(jié)FC，單片機(jī)判斷為FC后立即轉(zhuǎn)入基本測量程序并進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和保存。

4 地電儀數(shù)據(jù)處理軟件

上位機(jī)軟件采用VC編寫，可與單片機(jī)進(jìn)行通訊設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的參數(shù)設(shè)置，手動即時(shí)測量，原始測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入及報(bào)表生成等。單片機(jī)每小時(shí)向上位機(jī)傳送一組測量結(jié)果，上位機(jī)每天新建一個(gè)以日期命名的文本文檔，以追加的方式接收單片機(jī)的數(shù)據(jù)。報(bào)表生成程序可以根據(jù)選定的某天的原始數(shù)據(jù)，生成該天小時(shí)值的報(bào)表。程序界面如圖7所示。

圖7 程序界面Fig.7 The program interface

5 技術(shù)特點(diǎn)

首先，改進(jìn)了電壓計(jì)量方式，采用高速器件測周法，用待測信號的2 047個(gè)周期作為標(biāo)準(zhǔn)脈沖的計(jì)數(shù)閘門時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)用24位高速 (100 MHz)計(jì)數(shù)器記錄下標(biāo)準(zhǔn)脈沖的個(gè)數(shù)N，從而反算得到更加精確的待測電壓值。

測量電壓電流的過程中，采用一正一負(fù)雙向間隔供電方式，消除了單向殘余電流的影響。并且采取了連測3組的方式，有效地消除了偶然誤差。

在將測量結(jié)果向PC機(jī)傳送的同時(shí)，將其按照日期存儲于24C1024芯片上，最多可保存近一個(gè)月的原始數(shù)據(jù)，方便了數(shù)據(jù)丟失情況下的調(diào)取。

考慮到測量與控制方式的多樣性，具有手動實(shí)時(shí)測量與自動定時(shí)測量兩種方式。

上位機(jī)的報(bào)表生成程序采用科學(xué)的計(jì)算方式對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行評估與取舍，在河北省邢臺柏舍大地電阻率的測量試驗(yàn)中，測量結(jié)果表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

6 測量結(jié)果

我們在河北邢臺柏舍地電臺進(jìn)行了現(xiàn)場地電阻率實(shí)驗(yàn)。測區(qū)內(nèi)地形平坦，無明顯高差，電極分布在農(nóng)田里，地面有農(nóng)作物耕作，地下水分布均勻，無大地下徑流。測區(qū)電性結(jié)構(gòu)導(dǎo)電性能較好，性能穩(wěn)定；觀測環(huán)境內(nèi)無重大干擾源。本次試驗(yàn)為井下電阻率觀測，在水平和垂直方向上采用對稱四極布極方式布設(shè)電極，水平向每個(gè)電極埋深為100 m，電極之間間隔20 m，依次是供電極A、測量極M、測量極N、供電極B；垂直向電極埋深依次為20 m，40 m，60 m，80 m，從上到下依次為供電極B、測量極N、測量極M、供電極A。電極全部為筒狀鉛電極，電極引線為鋼、銅絲絞合芯橡膠絕緣聚乙烯護(hù)套電纜。K1，K2分別為水平方向和垂直方向的裝置系數(shù)，設(shè)水平向電極埋深為H0，則

計(jì)算結(jié)果K1，K2分別為250.63，251.33。

我們采用定時(shí)測量的方式記錄了從2010年3月29日至2010年4月18日共21天的數(shù)據(jù)。表1為4月6日測得的24組小時(shí)值及均值和方差，表2為21天的日均值方差及總的均值和方差。

說明：每個(gè)小時(shí)值為3組正反向平均后的均值，電阻率每組正反向平均后與昨日的日均值進(jìn)行比較，其差值大于昨日各小時(shí)方差平均值5倍者判定為超差，不參與小時(shí)值運(yùn)算；各小時(shí)的電阻率值與昨日日均值比較，其差值大于昨日日均方差的5倍者判定為超差，不參與日均值的計(jì)算。

表1 2010年4月6日的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 The experimental result on Apr 6th

從已有的觀測結(jié)果來看，井下觀測的信噪比高于地面觀測，并且觀測結(jié)果重復(fù)性較好。

7 結(jié)語

自主開發(fā)的地電儀測控軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了可維護(hù)性。并且充分考慮到了測量與控制方式的多樣性，具有手動實(shí)時(shí)測量與自動定時(shí)測量兩種方式，上位機(jī)軟件采用中斷的方式對其進(jìn)行控制，并且具有自動調(diào)數(shù)，生成日報(bào)表等功能。具有操作方式靈活，智能程度高等特點(diǎn)。通過近一個(gè)月的實(shí)際測量實(shí)驗(yàn)，其測量結(jié)果的穩(wěn)定性得到了驗(yàn)證。

下一步，將繼續(xù)對其網(wǎng)絡(luò)化控制進(jìn)行深入的研究和開發(fā)。

表2 2010年3月29日至4月18日的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 The experimental result from Mar 29 to Apr 18

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Abstract：Based on the chip named PIC16F877A,a PIC product of Microchip company,and the technical characteristic of the new-type earth resistivity apparatus(ATS-SR)that we proposed,we developed a software system that includes observing and controlling software and data process software.This paper systematically introduced the design theory and the program flow and analyzed its technical characteristics and advantages.The system exhibited prominent measuring stability in the examination at Baishe earth resistivity station.

Keywords：Earth resistivity;ATS-SR earth resistivity apparatus;Software

Development and Test of the ATS-SR Earth Resistivity Apparatus

YAN Xing,CHAI Jianyong
(Earthquake Administration of Guangdong Province,Guangzhou 510070,China)

P315.61

A

1001-8662（2010）04-0087-10

2010-04-20

嚴(yán) 興，男，1981年生，助理工程師.主要從事地震前兆觀測工作. E-mail:xyan_2004@163.com.