基于LabVIEW的瞬变电磁控制软件设计

韩英杰， 林 昊， 段清明

(吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春 130000)



基于LabVIEW的瞬变电磁控制软件设计

韩英杰， 林 昊， 段清明

(吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春 130000)

针对自主研发的瞬变电磁系统，设计了控制软件。瞬变电磁法作为电法勘探中的一种重要方法，具有施工效率高、观测灵敏、耦合佳、分辨能力强等优点，使得它在许多地质勘探中成为首选方法。基于图形化编程开发环境LabVIEW平台上开展了对瞬变电磁控制软件的设计，完成了发射电流控制，多通道数据采集、预处理、显示及保存等功能，实现了对仪器的全自动化控制。经过测试和验证，证明瞬变电磁系统的数据准确、有效。表明瞬变电磁控制软件可以稳定、有效地工作。

瞬变电磁； LabVIEW； 控制软件； 数据采集

0 引 言

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method, TEM)作为电法勘探中的一种重要方法，因其具有施工效率高、观测灵敏、耦合佳、分辨能力强等优点，使得它在许多地质勘探中成为首选方法[1-3]。目前广泛应用的瞬变电磁装置大多是建立在嵌入式技术基础上，需要大量的硬件开发工作，开发周期长，功能单一，数据信息存储量不大。

LabVIEW不仅可以应用于数据处理等方面应用程序的开发，其最大的优势还在于测控系统的开发。它不仅提供了大量经典的信号处理控件和信号分析工具，而且LabVIEW还非常容易和各种数据采集硬件集成，可以和多种主流的工业现场总线通信以及与大多数通用标准的实时数据库连接[4]。它已经成为图形化编程语言的工业标准[5]。基于LabVIEW开发的测控系统，在科研与工程的各个领域得到广泛应用。

利用LabVIEW设计的瞬变电磁系统由发射装置、采集装置和操作软件平台组成。控制软件实现了对接收机的控制及对发射电流和关断时间的显示与存储，完成了对瞬变电磁信号多通道采集、状态监测、成图、叠加、存储及预处理等功能。

1 控制软件总体设计

瞬变电磁系统是通过LabVIEW对发射机参数进行设置，进而控制发射机发出所需频率以及占空比的双极性方波，然后对MSP-140801数据采集卡驱动子VI进行调用的基础上，实现对瞬变电磁信号的采集、显示、记录及预处理的功能。

瞬变电磁控制软件的总体框图如图1所示，包括发射部分控制、接收部分控制、状态监测3大主功能模块，各主功能模块又根据实现功能的不同，分为若干子功能模块。系统控制软件开发流程如图2所示。

图1 瞬变电磁控制软件总体功能框图

图2 系统控制软件开发流程图

2 发射部分软件设计

对发射部分的控制主要是对发射波形的频率和占空比选择的控制。将不同的频率和占空比的组合设为不同的控制字，通过选择不同的控制字与硬件，进行通信，发射所需波形。由于系统的通讯和连接是通过USB口来实现的，因此本文采用了一款型号为MC100的USB控制卡，该控制卡提供14路IO引脚，通过调用内部函数控制每个引脚的传输方向(输入或输出)、输出状态(高电平/低电平/高阻/弱上拉)、以及读取每个IO引脚的状态。

动态链接库简称DLL，库内存放的是可供应用程序使用的函数、变量等[6]。很多硬件设备的驱动程序也往往是以DLL方式提供。在LabVIEW中，通过调用库函数节点(CLF)来访问动态链接库(DLL)，进而调用API函数使应用程序与驱动程序通信[7]。由于MC100提供了动态链接库，通过对其提供的DLL的调用，完成参数配置，即可实现控制软件对发射机的控制。发射控制部分程序框图如图3所示。

图3 发射控制部分程序框图

在瞬变电磁法勘探中，发射机的关断时间是一个重要参数，虽然关断时间一般很短,但对二次瞬变场的影响却是严重的。① 它损失了TEM 方法探测浅部结构的能力；② 它降低了TEM 方法的分辨能力[8-9]。

LabVIEW可以通过属性节点对本地或远程应用程序实例、VI或对象获取访问LabVIEW类的私有数据。本文通过属性节点的调用，实现了关断时间的自动测量[10]。

3 采集部分软件设计

为了保证瞬变电磁系统的正常、稳定运行。在瞬变电磁控制软件部分设置了对发射电流的采集、显示及存储，以此来监测发射机的工作状态。同时对接收到的二次场信号进行采集、显示、预处理、保存等，实现对测量数据进行实时监测，以便后续的反演解释。

3.1 采集控制策略

采集程序模型有各部分相对独立结构，顺序循环结构和“生产者—消费者”模式。本文采用的是“生产者—消费者”模式，如图4所示。

图4 “生产者—消费者”模式

在“生产者—消费者”模型中，采用队列作为缓存，将采集到的数据直接存放到缓存中，这一过程耗时极少[11]。即采集模块运行多快，就以多快的速度将数据放到缓存中去。而在队列的另一端，只要队列中有数据，就将数据提取出来进行操作。队列缓存的引入使数据采集，处理成图和叠加保存3个模块可以同时运行。在程序运行过程中，LabVIEW会将其自动多线程运行，既保证了对程序的实时监测又节省了程序运行的时间[12]。

3.2 信号数据的预处理

TEM勘探到的信号中包含大量的干扰信号，如不对有用信息进行处理，反演得到的计算结果误差较大。因为，在对瞬变电磁数据进行存储之前，需要对二次场信号进行一定的处理。

3.2.1 强信号干扰剔除

在TEM中，二次场信号为随时间增加而不断衰减的信号，若采集的数据不符合衰减趋势，应进行强干扰剔除[13]。首先计算衰减曲线在各测点的斜率，计算出平均值及方差，并对斜率超差的测点进行校正，即当第i个测点超差时，以其前一点的斜率为基础，加归一得到斜率值k1，同时计算测点的临近下一点的加归一斜率值k2，则有

k=Ck1+(1-C)k2

(1)

(2)

同时采用保留-替代准则[13]，其判断依据为

(3)

式中，

具体流程图如图5所示。

图5 保留-替代流程图

3.2.2 信号的分段放大校正

由于瞬变电磁信号的特点是早期信号幅值较大，中晚期信号幅值较小。晚期信号可达到微伏级别[14-15]，为了提高数据采集精度，系统设计中采用对中晚期信号以高放大倍数采集、对早期信号以低放大倍数采集的分段放大方式。具体的实现方式为采集卡通过5个通道同时采集二次场数据，由于每个通道采集数据放大倍数不一致，5个通道采集的数据在保存之前，需要对放大倍数进行归一化处理。放大倍数归一化处理后，每个通道数据截取相应部分拼接为一组完整的瞬变电磁信号数据。采取这种方式，不仅能保证每个通道需要截取的信号部分不饱和，最重要的是提高采集数据精确度高。然而由于每个通道放大倍数存在误差等因素，并不能完全按照设计的放大倍数进行采集，因此需要在软件中对其进行校正。程序框图如图6所示。

图6 5个通道数据拼接程序框图

3.2.3 信号的滤波及叠加处理

为了消除采集信号中的杂波成分，在信号实时采集波形输入显示控件前利用LabVIEW中自带的信号处理工具包中的滤波器进行滤波处理。滤波器控件可以实现对软件滤波器类型、滤波形式、上截止频率、下截止频率及滤波阶数等设置默认值，也可以引入输入控件对其在前面板中进行实时修改，具有较高的灵活性。

图7 信号数据叠加程序框图

4 测试实验

使用瞬变电磁仪器样机，1 m×1 m发射线圈，1 m×1 m接收线圈的情况下在地质宫电磁屏蔽室对系统进行测试，得到采集到的电流、信号波形分别如图8、图9所示。

图8 采集的电流波形

图9 采集的信号波形

5 结 语

使用LabVIEW完成了对瞬变电磁控制软件的设计，配以数据采集卡等较少数硬件，实现了对瞬变电磁系统运行状态的监控和对信号的采集、处理、显示以及存储等功能。后通过在甘肃省天水市麦积山隧道对瞬变电磁系统进行测试，经过对采集存储的数据进行反演分析。同时利用吉林大学自主研制的JLMRS-III型核磁共振找水仪对同一位置进行了验证性实验，结论具有一致性，证明瞬变电磁系统的数据准确、有效。表明瞬变电磁控制软件可以稳定、有效地工作。

[1] 蒋邦远.瞬变电磁法勘探[M]. 北京: 地质出版社, 1998.

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Control Software Design of TEM Based on LabVIEW

HANYing-jie,LINHao,DUANQing-ming

(College of Instrumentation and Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130000, China)

Control software is designed for the system of transient electromagnetic method(TEM)which was developed independently. TEM is an important method in electrical prospecting, it has highly constructive efficiency, sensitive observation, optimal coupling, and high resolution capability. Hence, it has become a preferred method in geological exploration. Control software of TEM is developed based on the LabVIEW platform to provide a graphical programming development environment. The functions involve the emission current control, multi-channel data acquisition, preprocessing, data display and save, etc. It realizes the automatic control of the instrument. The test and contrast results show that the data of TEM system are accurate and valid. Also it manifests that the control software can work stably and efficiently.

TEM; LabVIEW; control software; data acquisition

2015-08-03

国家重大科学仪器设备开发专项(2011YQ030133)

韩英杰(1991-)，男，河南洛阳人，硕士生，主要研究方向为电气测试技术及仪表。

Tel.: 15143089021; E-mail: hanyj0208@163.com

段清明(1966-)，男，河南洛阳人，教授，主要研究方向为地球物理方法与仪器。

Tel.: 18686638929; E-mail: duanqm@jlu.edu.cn

TH 763

A

1006-7167(2016)01-0072-04