基于嵌入式Linux系统的DZD-8多功能全波形直流电法仪

耿启立，陈　健，马　磊，王斌波

(1.中国地质装备集团有限公司,北京　100102；2.重庆地质仪器厂,重庆　400033)



基于嵌入式Linux系统的DZD-8多功能全波形直流电法仪

耿启立1，陈健2，马磊2，王斌波2

(1.中国地质装备集团有限公司,北京100102；2.重庆地质仪器厂,重庆400033)

本文在回顾国内直流电法仪器发展历程的基础上，重点阐述了基于ARM、FPGA技术和嵌入式Linux系统的DZD-8多功能全波形直流电法仪的系统设计及设计要点、系统特点、系统及性能指标测试、野外应用试验等。

嵌入式；Linux；多功能；全波形；电法仪

0　前言

直流电法勘探发展历史悠久，可追溯到19世纪初P.Fox用自然电场发现硫化金属矿床。直流电法仪器伴随着直流电法而诞生，由最初的指针式万用表起步发展。1985年，重庆地质仪器厂、北京地质仪器厂相继推出了DDC系列电子自动补偿电阻率仪和DWJ系列微机激电仪；1991年，重庆地质仪器厂推出了数字化的DZD系列多功能直流电法仪；1992年，山西平遥卜易水利电探仪器厂推出了激电综合找水仪器；2000年前后，骄鹏研发出了E60系列直流电法仪。直流电法仪器发展历程可分为四个阶段，分别是第一代的指针万用表式仪器、第二代的半自动化式仪器、第三代的51架构单片机式仪器和第四阶段的X86工控机架构仪器。

重庆地质仪器厂研发生产的DZD-6多功能电法仪，是以不带操作系统的单片机为控制核心，其在运行速度、显示、人机交互界面、功能升级等方面有设计提升空间。骄鹏公司研发的直流电法仪器均是以工控机PC104为控制核心，与单片机相比，功能更易扩展，易升级，但是以X86架构为基础的PC104主机功耗大，系统庞大，机体发热严重，在南方的夏天阳光直晒下，机体内温度不易散发，甚至死机崩溃。

近年来，以ARM架构处理器为控制核心的手持式设备发展迅速，尤其是智能手机和平板电脑，从数量上已经远远超过了X86架构的PC机，其具有体积小、功耗低、成本低、高性能的优点。与单片机相比，带MMU的ARM系列处理器能运行操作系统，应用软件开发更独立，人机交互界面丰富友好，升级方便。

现场可编程门阵列FPGA技术以并行处理，速度快而被广泛用于高端通讯、高速图像处理运算等领域。FPGA并行计算的特点，相当于多个传统的PC、单片机同时执行，同时可设计成多个固定功能的数字IC芯片，因此以FPGA为辅的数字控制系统在数字采集与带操作系统的ARM处理器间起重要的纽带衔接作用。

应用ARM、FPGA、嵌入式Linux操作系统等新技术，重庆地质仪器厂研发了全新的DZD-8多功能全波形直流电法仪，将直流电法仪从现有的第三代51架构单片机式仪器和第四代X86工控机架构仪器更新至低功耗、高可靠、低成本、便携及多通道并行采集的新一代直流电法仪，将前四代的“数字万用表”升级为多通道“数字示波器”，使野外物探工作者不仅能测电压、电流/电压，还能现场观看电压、电流波形，以感知工频干扰强弱、信号可靠程度等。

1　系统介绍

1.1系统原理与整体设计

1.1.1直流电法原理

直流电法是以各向同性的均匀半空间点电流源的电势分布为基础。假设各向同性的均匀半空间布设发射电流为I的A、B两个电流源，从而通过镜像法可以得到任意M、N两个位置的电势，将M、N电势相减就可以得到MN之间的电势差为：

从而得到用点电源测试得到的视电阻率：

因此只要已知A、B、M、N的位置及MN的接收电压和AB的发射电流，便可以计算出视电阻率。

1.1.2系统整体设计

DZD-8多功能全波形直流电法仪(图1所示)采用模块化设计理念，将系统分为应用软件、驱动软件、数字电路控制模块、模拟匹配放大量化模块及功率发射模块。应用软件与驱动软件分离，使用相同

的驱动软件，分别编写多参数直流电法数据采集软件、二维/三维高密度数据采集软件等不同功能的应用软件，便可以实现不同测量方法的数据采集，方便用户选择不同的功能模块，同时便于系统更新升级。系统的整体框架如图2所示。

图1　DZD-8多功能全波形直流电法仪及主界面

图2　仪器整机设计框图

DZD-8多功能全波形直流电法仪是以Cortex-A8处理器+FPGA处理器为控制核心，以高电压大电流IGBT为发射执行器件，以PulSAR架构AD为电压、电流双数字量化核心。系统整体以内置的16.8 V/12 Ah的锂电池为供电电源，分别通过隔离或不隔离DC/DC转换，产生各模块需要的电源。主控制单元Cortex-A8处理器主要完成数据的运算、存储及显示，辅控制单元FPGA处理器主要产生发射驱动波形、同步触发双AD采集、进行CIC数字滤波处理、协作GPMC总线高速传输及控制放大器增益。

1.2系统特点

1.2.1真正一机多功能

可以开展岩样测试仪、常规电阻率仪、长导线激电仪、多参数找水仪、短导线激电发射机、短导线激电接收机、集中式/分布式2D/3D高密度电阻率/极化率测量等。

1.2.2全波形采样

发射电流与接收电位同步全波形采集，可实时监测外界游离电干扰，后期可通过上位机软件对全波形电位进行任意时间段极化率的二次计算。

1.2.3测量参数多、应用广泛

电压、电流、视电阻率、测量误差、自然电位、自电梯度、视极化率、金属因数、半衰时、衰减度、激发比、偏离度、接地电阻及电压衰减曲线(即激电谱数据)。1.2.4超大供电功率、超宽量程、超高精度

高达7500 W的供电能力、80 Vp-p的超宽电压输入范围，1 μV电位重复精度；采用模拟与数字多级高精准滤波、信号增强技术和强噪声抑制技术获得极高的小信号测量精度，让仪器能更好地应用于高阻地区工作，获得更稳定、更准确的测量结果。1.2.5高可靠性与稳定性

接收部分MN输入端长期过压保护达1 000 V，具有防雷保护；发射部分有过流保护、AB开路检测及直流高压防反接保护能力；采用进口仪器专用机箱，采用进口IP67防护等级的推拉或卡口式高可靠连接器，仪器具有防潮、防尘、防水、寿命长等优点。

1.2.6户外强光直射可视

采用高亮24位真彩LCD大屏幕，阳光直射下清晰可视，全中文人机界面，采集参数设置、数据显示与存储、各种曲线绘制等快捷直观，轻松完成野外测量工作。

1.2.7轻便灵活

集大功率发射、高精度接收功能于一体，体积小、重量轻；设有“三极B”，用于联合剖面法和联合测深法，能自动测量ρsA和ρsB，无需手动切换，提高测量效率；可随时检查AB电极和MN电极接地情况，方便实用。

1.2.8超大存储容量

采用高速SD卡存储，最大支持128 GB，可存储上千万组数据；支持通过USB接口导出存储数据，计算机或PDA把仪器自动识别成通用U盘存储器，使用极其方便。

1.2.9超大容量智能电池

仪器内置进口智能锂电池，可读取温度、容量、健康状态等信息，充满电后可连续续航16 h。

2　系统设计要点

2.1超低噪声前放设计

模拟放大器以最低噪声为设计目标，低噪声模拟电流设计所需要关注的是集成运放本身的噪声和放大器级联的顺序。集成运放的噪声分为电压噪声和电流噪声，电压噪声是随时间变化的输入偏置电压分量，电流噪声是随时间变化的偏置电流分量，与集成运放的输入阻抗相关。测量直流信号还需要考虑集成运放的1/f噪声。

为了平衡低噪声，不因电极输入的工频干扰放大饱和，保证大信号测量范围，放大器按可控增益前放、低通滤波、可控增益前放、工频陷波的顺序级联

设计，同时考虑接地电阻测量、输入防雷保护、瞬间过压、自恢复保险等设计。

2.2大工频抑制比陷波设计

直流电法需要准确测出供电后大地的直流信号，但是随着工业的发展，城市工频游离电干扰越来越强，压制强工频干扰信号是硬件和软件设计必须考虑的。硬件采用高抑制比的双T型陷波结构，双T陷波器分为带反馈的和不带反馈的双T陷波器。带反馈双T陷波器的Q值高，50 Hz频点抑制比大，但电阻和电容值的误差对陷波影响明显。不带反馈的双T陷波器的Q值相对较低，50 Hz频点抑制比小，电阻和电容值的误差对陷波影响较小。

2.3高精全波形实时量化与高速传输设计

结合传统逐次逼近和Delta-Sigma的数字抽取滤波器优势，模拟信号量化采用增强型逐次逼近型AD和FPGA的CIC数字滤波抽取处理，实现高精度的模拟信号量化。FPGA是实时全波形与高速数据传输的载体，量化的数据用FPGA内部的FIFO缓存，FIFO与Cortex-A8处理器通过总线高速传输数据，速度可达到64 Mbit/s。

2.4应用软件及人机交互系统设计

应用软件以多页对话框为主架构，以嵌入式Linux操作系统的Cortext A8处理器为控制核心，以C++语言为基础、以数据库存储设置参数与测量数据，在强大的跨平台QTCreater集成环境下开发。

友好的人机交互界面平台通过外接高亮度LCD和4×6的IO矩阵键盘设计实现。

3　系统测试

3.1室内检验测试

3.1.1Vp与ηs指标测试

具体测量数值如表1所示。Vp误差≤±1‰；ηs误差：ηs>3%时，≤±2‰ ；ηs≤3%时，≤±0.05。

表1　Vp与ηs测量结果

3.1.2自电Vsp指标测试

具体测量数值如表2所示，自电Vsp的误差≤±1‰。3.1.3电流I指标测试

具体测量数值如表3所示，电流Ip的误差≤±2‰。

表2　自电Vsp测试结果

表3　电流I测量结果

3.1.4发射部分指标测试

测试结果表明：发射电压1 400 V，发射电流6 A，仪器工作正常。

3.1.5高低温老化、防震与防水测试

高温老化在无包装的工作状态下，随炉升温至60 ℃，保温8 h；低温老化在无包装的工作状态下，随炉降温至-10 ℃，保温2 h；运输振动在无包装的工作状态下，加速度为1g，保持2 h；防水测试模拟雨天工作，在无包装的工作状态下，将面板上浇满水，保持12 h。测试结果表明，高低温老化、运输振动过程中和过程后均正常工作，仪器在模拟的下雨天能正常工作，防水性能满足IP66要求。

3.2野外应用试验

重庆华夏园大观园供水井勘查项目前期由重庆渝碚实验检测中心进行了高密度电法探测，采用的是微分装置，测量结果如图3所示，推荐钻孔位置为距起点315 m，后实施的ZK1井出水250 m3/d。为了验证仪器和积累找水经验，在ZK1旁进行了激电测深工作，具体开展了四极测深和五极纵轴测深。

图3　微分高密度视电阻率图

3.2.1四极测深

四极测深装置模式在该地区测量的视极化率ηs值多数值为0～1之间，有些点值跳动很大，二次场衰减曲线波动大，有些尾部上升，说明该地区物性差异小。该测点50 Hz工频游离电干扰大，不适合做四极激发极化测深，测量的视电阻率Rs值误差在5%以内，但二次场微弱，除浅层几个测点外，衰减曲线不符合衰减规律。

利用RES1D商业一维软件反演结果如图4所示，反演解释覆土层约4 m，目标低阻异常在50～80 m。四极测深解释结果与钻孔资料相差比较大，解释分辨率也比较低，单从电阻率的角度很难准确定位含水层的位置。

3.2.2五极纵轴测深

五极纵轴测深的供电电极(AB)导线和接收电极(MN) 导线的布置是垂直关系，所以之间分布电容极小，几乎为0，电磁耦合干扰小。另一方面五极纵轴测深装置的电流密度主要分布在h<0.93L的范围内，其电流密度大于对称四极装置的电流密度，MN接收信号强。因此在强游离电干扰下，能比用对称四极测深获得更大的电位畸变值，从而可以得到关于勘探对象状况的较明显信息。原始采集数据分别绘制视电阻率ρs和视极化率ηs、半衰时Th、衰减度D，偏离度r，如图5所示。

图4　四极测深一维解释图

图5　多参数曲线图

从原始采集数据和实测曲线图看，该井有两个含水层，结合物探解释推断如下：

(1)第一个含水层在勘探深度为85～95 m处，对应实际钻探深度h=79.05～88.35 m之间。

(2)第二个含水层在勘探深度为125～135 m处，对应实际钻探深度h=120.9～133 m之间。

(3)结合(2)在勘探深度为145 m(对应实际钻探深度h=139 m)处，视极化率ηs=0.0087%为极低值异常，半衰时Th=140 ms为极低值异常，偏离

度r=144高值异常，衰减度D=124高值异常反映，推断该处为溶洞所致。结果与接龙找水ZK1钻井资料水文地质概况符合。

利用五极纵轴测深，抗干扰能力强。另一方面五极纵轴测深装置的电流密度主要分布在h<0.93L的范围内，其电流密度大，因此获得较大的电位畸变值，从而可以得到关于勘探对象状况的较明显信息，测量参数多，可以克服单一参数存在多解性不足，避免打干井，成井率高。同时证明了新研发的多功能全波形直流电法仪可准确地获取视电阻率、视极化率、半衰时、偏离度等参数。

4　结束语

DZD-8多功能全波形直流电法仪是重庆地质仪器厂在多年研制和生产先进电法仪器的基础上，集成应用电流电位全波形记录、32位A/D、大功率控制、嵌入式实时操作系统、现场可编程阵列逻辑等当今最新电子技术，研发的新一代多功能直流电法仪，仪器的体积和重量均显著缩小。仪器经过严格的指标测试，主要技术指标及功能领先于当前国内外同类仪器。通过重庆华夏大观园项目找水项目野外试验，DZD-8多功能全波形直流电法仪在野外复杂工频环境下能获得高质量的原始数据。该产品可广泛应用于金属与非金属矿产资源勘查，地下水资源/地热资源勘察等方面；亦可用于水利水电工程的坝基、大堤隐患，公路/铁路的桥梁隧道调查等工程地质勘察以及城市物探。

[1]张赛珍,王庆乙,罗延钟.中国电法勘探发展概况[J].地球物理学报,1994,37(S1):408-424.

[2]李金铭.电法勘探方法发展概况[J].物探与化探,1996,20(4):250-258.

[3]严加永,孟贵祥,吕庆田,等.高密度电法的进展与展望[J].物探与化探, 2012,36(4):576-584.

[4]李金铭.地电场与电法勘探[M].北京:地质出版社，2005.

2016-03-23

耿启立(1964-)，男，中国地质装备集团有限公司技术中心副主任兼重庆地质仪器厂总工程师，高级工程师，1984年毕业于长春地质学院地质仪器专业，长期从事地震、电法及嵌入式产品设计开发、研发团队管理、项目管理、质量技术管理、产品开发规划等工作，Tel：18600398326，E-mail: gengqili@cgeg.com.cn。

P631.33

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1009-282X(2016)04-0015-05