大地电磁天然场远程测量系统的设计

(武汉职业技术学院电子信息工程学院1，湖北 武汉 430074；华中科技大学自动化学院2，湖北 武汉 430074)

0 引言

电磁法是地球物理勘探中电法勘探的重要分支，它基于地下岩石的导电性、导磁性和介电性的差异，根据电磁感应原理，观测和研究人工或天然形成的电磁场的分布规律，并对数据进行处理和解释，从而解决地质问题。电磁法分为频率域和时间域电磁法，其中频率域电磁法分为大地电磁法(magnetotelluric method,MT)、音频大地电磁法(audio magnetotelluric method,AMT)、可控源音频大地电磁法(controllable source audio-frequency magnetotelluric method,CSAMT)[1]。

随着经济的发展，各种矿产资源的需求量越来越大，导致资源的开采逐步转向深部，因此深部探测越来越受到重视。频率域电磁法是深部探测中重要的探测手段之一。由于电磁波在地下传播具有趋附效应，因此地球的深部探测多采用MT或AMT。通过这两种测量方法所获取的信号多为低频或甚低频(n×10-4～n×102Hz)信号，需要进行长时间测量，且信号微弱(微伏到毫伏级)。因此，数据采集动态范围大。基于此，本文提出并实现了一种能够对大地电磁信号进行高精度采集，并利用GPRS通信技术实现无人值守的长时间测量的系统。

1 系统总体设计

根据被测信号的特点，测量系统的整体方案如图1所示，主要分为传感器、多通道数据采集电路、数字控制电路、GPRS通信电路、PC上位机5个部分。

信号调理电路、24 bit ADC、FPGA组成了多通道数据采集电路，完成大地电磁信号数据的放大与滤波、A/D转换、数字信号处理等。数字控制电路以低功耗的ARM控制器STM32为核心，完成对数据采集电路和GPRS模块的控制。GPRS模块可利用现有的移动通信网络传输大地电磁信号测量数据和控制信号。由于移动网络运营商为GPRS和Internet之间提供了无缝连接的网关GPRS支持节点(gateway GPRS support node，GGSN)[2]，因此GPRS通信模块只需向连接到Internet并拥有固定IP的PC上位机发送数据即可。上位机主要完成整个测量系统的控制，并为用户提供人机交互控制界面。

图1 系统整体结构

2 硬件设计

2.1 传感器

在大地电磁信号的测量中，需要同时采集不同方向的电信号和磁信号。其中，电信号可利用铁或铜电极来采集。但如果在较差的接地条件下，电极本身的金属离子会和周围物质发生离子交换等电化学反应，从而产生较大的极化电压，严重时会将有用信号完全淹没，降低信噪比。因此，为提高测量精度，可以采用不极化电极。这种电极一般由石膏、二氯化铅、氯化钠、水配制而成，具有频带宽、极差电压小、稳定性高等特点，因此特别适用于长时间的地电观测。磁信号采用磁感应传感器采集，并将磁场信号转换为电信号。

2.2 数据采集电路

数据采集电路以24位ADC和FPGA为核心，其结构如图2所示。

图2 数据采集电路结构

系统主要测量的是大地电磁自然场的信号，该信号主要集中在低频或甚低频段。由于1/f低频干扰对系统影响较大[3]，因此，在设计中前置放大器采用斩波稳零放大器ICL7650。这种放大器与普通的运算放大器有所不同，可有效消除1/f噪声的影响。

低通滤波器用于消除高频噪声的影响。由于低通滤波器输出的信号为单端信号，为了提高信号的共模抑制比，需要在模数转换之前将其转换为差分信号。本设计采用TI公司的低噪声差分放大器，单芯片即可实现信号的转换。

由于大地电磁信号变化范围为微伏级到毫伏级，因此要求ADC具有较大的动态范围，本设计采用TI公司的Σ-Δ型24位ADS131E04。该ADC的最高数据输出率达到64 kS/s，信噪比为118 dB，具有4个转换通道，满足系统的动态范围要求。

ADS131E04接口为串行外设接口 (serial peripheral interface，SPI)，因此在电路中利用FPGA进行串行到并行数据的转换和缓存。此外，在FPGA内部增加了有限长单位冲激响应 (finite impulse response，FIR)数字滤波器。相比较于模拟滤波器，数字滤波器参数调整方便，稳定性高且不存在参数漂移的问题。

2.3 GPRS通信电路

GPRS通信电路以华为的GSM/GPRS移动通信模块MG323为核心。该模块可工作在GSM850/900/1 800/1 900 MHz这4个频段，支持数据、语音、短信通信，通过AT命令即可进行指令和数据传输。GPRS通信电路结构如图3所示。

图3 GPRS通信电路结构

MG323共有40个引脚，可以划分为5类，即数据、控制、SIM卡、音频和电源接口[4]。STM32控制器通过串口等5个引脚即可实现对MG323的控制和数据的读取。其中有3个控制和状态引脚。SYNC引脚作为MG323工作状态指示引脚，可以表示关闭或休眠、SIM卡没有插入或正在进行网络登录，已登录进网络并处于待机等状态。IGT为MG323工作的启动引脚，上电后MG323并不能马上开始工作，必须通过ARM给IGT引脚输入大于100 ms的低电平脉冲且电平下降时间不能超过1 ms。Power_down引脚为电源关闭脚。

SIM卡有4个控制引脚与MG323上对应的同名脚相连。其中，SIM_RST为复位引脚；SIM_CLK为串行数据的时钟引脚；SIM_DATA为串行数据引脚；SIM_PRES为SIM卡状态引脚，当SIM卡与MG323连接后，该引脚输出高电平，反之为低电平。

经病菌室内分离培养，发现病原菌可在金丝小枣树体及病残体和枣园周围的杨树、榆树、刺槐树、桃树、苹果树和梨树上越冬，其中病枣果和杨树是主要越冬场所。囊孢壳菌越冬后，5月下旬至9月中旬分生孢子器形成并散发分生孢子，8月中下旬子囊孢子和分生孢子同时散发。病原菌孢子随风、雨传播，通过伤口和气孔侵入。6月上旬病原菌开始侵染枣吊、果柄，7月上旬开始侵染枣果，8月下旬为病原菌对枣果的侵染高峰期。因此，8月下旬即为金丝小枣浆烂果病的防治关键期。

3 软件设计

3.1 FPGA程序

FPGA程序主要完成串行数据到并行数据的转换、数字滤波和数据缓存等功能。

串行数据到并行数据的转换功能由Serial_Parallel和READ_buffer两个模块完成。其中，Serial_Parallel模块用于将串行数据转换为并行的32位数据。由于数据实际只有24位，因此高8位的数据补零。而READ_buffer模块用于将每次A/D转换数据进行缓存，并通知下一级模块数据已经转换完毕。

数字滤波由FIR数字滤波器模块完成，该模块可由Matlab中的数字滤波器工具FDAtool来进行设计。软件中提供有不同截止频率的低通和高通滤波器，设计步骤如下。

① 在FDAtool中配制滤波器参数，主要有滤波器类型、设计方法、滤波器阶数、采样率和截止频率等。

② 进行滤波器分析，确认滤波器的幅频特性与相频特性是否满足要求。

③ 导出滤波器参数并进行量化，以便能在FPGA硬件语言中使用。

④ 利用硬件描述语言 (hardware description language，HDL)代码生成器生成VHDL语言，即可在FPGA工程文件中生成相应的数字滤波器模块。

3.2 GPRS控制程序

对于GPRS模块，MG323控制的关键是AT指令集，它是终端设备和移动终端之间交互的规则。由于MG323内嵌TCP/IP协议栈，因此无需考虑底层协议。具体的控制步骤如下。

① 硬件确认工作：通过AT指令“AT+IPR”设置波特率；然后通过指令“AT+CPIN”确认SIM卡工作是否正常；通过指令“AT+CSQ”检查移动网络的信号质量，返回的数值越大,表明信号越强。

② 模块初始化：设置接入网关、移动终端类型、确认本手机号GPRS业务是否开通。接入网关是根据目前使用的移动运营商来选择。在本设计中通过指令“AT+CGDCONT”选择“CMNET”即移动梦网[6]；通过指令“AT+CGCLASS”设置模块的工作类型；通过指令“AT+CGREG”确认GPRS注册是否成功。

③ 进行网络附着和网络连接点设置:通过指令“AT+CGATT”进行网络附着，激活分组数据协议(packet data protocol，PDP)，同时获得此次登陆所分配到的动态IP；通过指令“AT+CIPCSGP”设置网络连接点。

④ 设置数据传输的目的IP地址:通过指令“AT+CIPSTART”设置目的TCP/IP地址。目的地址需要用户在PC上位机中查询得到。如果PC不是直接连接到Internet中而是通过路由器登陆网络的，还需要在路由器设置中为本机分配唯一的端口号，并添加到下位机的目的地址。这样下位机采集到的数据在到达路由器之后才能正确地转发到正确的端口即计算机中。

⑤ 发送数据:通过指令“AT+CIPSEND”发送采集到的数据。

移动终端可以在GPRS网络上永不掉线，但是移动网络运行商为了提高网络资源利用率，会定时不进行数据传输，占用网络资源的移动终端会强行下线，而每次重新上线后移动终端会分配到新的动态IP。因此，移动终端要维持网络的不间断连接必须定时和网络进行交互，称作“心跳”[7]。在设计中，下位机定时向上位机发送“心跳包”，“心跳包”信息包括当前动态IP和系统状态，这样可以维持和上位机的网络连接，同时报告当前状态。

3.3 PC上位机程序

PC上位机程序分为网络通信和人机交互界面两个部分，采用VB编程。人机交互界面主要分为4个部分：数据采集参数设置、网络设置、数据采集端状态显示和数据保存。在程序设计中，网络通信主要是利用VB提供控件WinSock来实现[8-11]，该控件是Microsoft对Socket编程接口的集成。设计中用到的控件属性、方法和事件如下。

① 属性：Protocol设定为sckTCPProtocol，即使用TCP协议；RemoteHostIP返回本机当前的IP；State返回当前的状态，如网络打开、侦听、已连接等。

② 方法：主要是指网络通信的各种操作。“Listen”是将PC置于侦听监测状态；“Accept”是接收下位机的连接要求；“Connect”用于发出连接下位机的请求；“SendData”用于发送数据到指定地址；“GetData”用于从缓冲区中取出下位机发送过来的数据。

③ 事件：作为网络通信过程中各种操作的触发，类似于中断。“ConnectRequest”为下位机发出连接请求的触发；“DataArrival”为与下位机建立连接后接收到数据的触发。

4 测试

4.1 数据采集电路性能测试

数据采集电路性能测试主要是电路的噪声水平和动态范围测试。噪声水平的测试采取将输入端短路并接地，然后观察ADC输出电压的水平。当电路增益为1、采样率为64 kHz时的噪声水平如图4所示。噪声幅值约为15 μV，且在短路情况下存在约20 mV的直流偏置，该直流偏置可以在数据处理中进行校正。

图4 采集电路噪声水平

图5 采集电路测量的极值信号

4.2 远程通信能力测试

远程通信测试主要对数据传输和控制性能进行测试。由于不同的区域，移动运营商会根据当地网络资源的使用情况来动态设定心跳时间，以定时监测移动终端的在线状态，因此心跳时间的设定在不同的区域有所不同[12]。为了保证下位机和上位机的不间断连接，在调试过程中要设定合理的时间。频率既不能太高，消耗过多资源，也不能太低，造成被强行下线；同时要经过长时间的跑机测试。经测试，系统设定为10 s。上位机和下位机联调结果表明，连续运行3 d，系统性能稳定，接收到的数据包完整，满足大地电磁信号测量的时间要求。

在野外试验中，远程传输回PC机的电通道测量数据如图6所示。根据结果可以观察到，两个电场测量通道的曲线趋势相同，说明两个通道的一致性比较好。同时，曲线具有较好的相关性，说明接收到的信号应来自同一个激励源。由于在野外试验中，远端采样点布置在干扰较少的地方，因此可以排除其他主动场源干扰；测量数据的场源是大地电磁天然场，说明整个测量系统运行正常。

图6 测量结果

5 结束语

本文在大地电磁探测原理的基础上，设计并实现了基于GPRS的大地电磁测量系统。野外联调测试结果表明，系统通过采用24位ADC和数字滤波技术，能够对MT、AMT和CSAMT信号进行高精度的数据采集，动态范围满足系统要求。同时，利用商用的GPRS网络实现了远程控制与数据传输，从而可以进行长时间的无人值守测量，适合在多种场合运用。

[1] 程志平.电法勘探教程[M].北京：冶金工业出版社，2007：20-30.

[2] 王磊，冯占军.基于GPRS网络的嵌入式无线数据采集系统设计[J].测控技术，2007，26(9)：17-19.

[3] 张俊.高分辨、低漂移地震数据采集技术的研究与实验[D].北京：中国地震局地震预测研究所，2011.

[4] 张艳格.基于QtE和GPRS的无线数据采集系统在城市供水网中的应用[D].北京：北京邮电大学，2012.

[5] 杨萌，王祖强.基于FPGA的像素探测器数据缓存设计[J].电子技术应用，2011，37(9)：92-96.

[6] 李明军，尹文明.基于GPRS的大棚智能监控系统[J].电子技术应用，2006(8)：83-85.

[7] 李利军，肖兵.基于GPRS的分布式油田远程监控系统的设计[J].贵州大学学报：自然科学版，2009，26(5)：89-92.

[8] 李信斋.基于GPRS的城市路灯监控系统的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2010.

[9] 赵亮，黎峰.GPRS无线网络在远程数据采集中的应用[J].计算机工程与应用，2005，26(9)：2552-2554.

[10]黄承安，张跃，云怀中.基于GPRS的远程仪表监控系统[J].电测与仪表，2003，40(8)：42-45.

[11]王益祥，牛江平.远程无线抄表系统的研究[J].自动化仪表，2011，32(3)：4-7.

[12]田锦.GPRS数据分包长度和心跳包间隔性能分析[J].电讯技术，2012，52(4)：576-580.