DDF20-1大功率時頻激電發(fā)射機的設計

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、工程地質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效果。激發(fā)極化法在礦產普查勘探中發(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)機箱兩側一進一出兩個風扇在自動/手動開關控制下強制散熱。

(11)儀器內置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驅動電路、高壓開關電路(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/雙頻激電波形的產生、保護邏輯控制及其他實時輸入/輸出信號的產生等。MCU負責控制性事務管理，如任務調度、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 關鍵技術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。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，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。儀器采用模擬U盤導出數(shù)據(jù)，涉及USB Mass Storage大容量存儲的相關開發(fā)技術，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。高頻開關電源提供高壓，在高壓大電流發(fā)送時內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。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。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)雙頻激電波形的產生及同步發(fā)送。高精度溫補晶振經GPS模塊連續(xù)在線校準產生標準時鐘信號，驅動FPGA的高頻及低頻方波信號發(fā)生器經

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

4 結語

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資源勘探、地下水資源勘探及工程地質等領域。