CN103308950A - 一种多功能的电磁发射仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能的电磁发射仪，包括系统控制单元、波形合成及保护单元、功率驱动电路、H桥电路、发射单元、显示单元、同步模块和存储单元，系统控制单元含有微控制器，波形合成及保护单元含有现场可编程门阵列(FPGA)，四个功率MOSFET管组成H桥发射电路，A/D采集单元由霍尔电压传感器和微控制器内部A/D组成，显示单元由电阻式触摸屏组成。本发明用微控制器和FPGA实现了多种波形的产生，波形数据在SD卡中可任意修改与添加，电流值数据存储在U盘内及实时在触摸屏上显示。本发射仪将频率域与时间域集成于一体，使用触摸式设计实现人机交互，简化电路，集成度更高，体积更小，功耗低，通过外部供电方便野外作业。

Description

一种多功能的电磁发射仪

技术领域

本发明涉及一种地球物理勘探用的设备，具体地说是一种能产生不同种类的时间域和频率域波形，将时间域与频率域功能集成于一体的多功能的电磁发射仪。

背景技术

当今社会电磁探测的应用越来越广，包括矿产资源勘探，石油勘探，工程勘探，地下溶洞探测，地下埋藏物和管线探测等等。特别是在能源勘察方面具有重要的意义。但是国内的很多电磁探测仪器功能较单一，例如国内公开的发明专利“一种地电场伪随机三频地电响应测量装置及方法”，该装置只能实现一种三频伪随机信号的发送，只实现了频率域的单一功能。还公开了“多功能电法勘探信号发送机控制器”，该发送机只能向地下发送电信号，在地下形成电场。且该发送机能发射的波形由于存储设备的限制，不能存储大量波形数据，灵活性不大。基于上述存在的问题，需要开发一种新的电磁发射仪，将时间域与频率域的功能融合在一起，实现多功能的电磁发射仪。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述的技术问题，而提供一种结构简单易操作，能发射多种类的波形，实现时间域与频率域发射的功能的多功能的电磁发射仪。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：提供一种多功能的电磁发射仪，包括系统控制单元、波形合成及保护单元、功率驱动电路、H桥电路、发射单元、显示单元、同步模块和存储模块；

所述的系统控制单元分别与存储模块、波形合成及保护单元和显示单元双向电连接；所述的同步模块与波形合成及保护单元单向电连接；所述的波形合成及保护单元与功率驱动电路单向电连接，波形合成及保护单元输出两路波形，将两路波形输入到功率驱动电路，进行功率的放大，增加其驱动能力；所述的功率驱动电路与H桥电路单向电连接；所述的H桥电路与发射单元连接；所述的H桥电路与系统控制单元单向电连接，将电压值送到系统控制单元；

所述的系统控制单元由微控制器组成；波形合成及保护单元包含FPGA；功率驱动电路包含2片桥电路驱动芯片；H桥电路由四个功率MOSFET管组成发射桥电路，H桥电路中还含有A/D采集单元，由霍尔电压传感器和微控制器内部A/D组成；发射单元含有发射接口电路和发射线圈或发射专用电极，发射线圈采用多股铜芯的电缆线制作；同步模块采用全球定位系统GPS或北斗卫星导航系统Compass，实现电磁发射仪与电磁接收仪的时间同步功能；存储模块由SD卡与U盘组成，将波形数据存储在SD卡内，将电流值数据存储在U盘内；显示单元采用电阻式触摸屏。所述的A/D采集单元为模拟/数字信号转换采集单元。

所述的系统控制单元的微控制器，用于存储模块、波形合成及保护单元、显示单元的数据通信与命令控制，同时实现A/D采集的功能，当微控制器采集到的电压值或者电流值过载时，微控制器向波形合成及保护单元发送一个报警信号，停止波形合成及保护单元继续向功率驱动电路发送波形，停止系统工作，等待故障排除后继续工作。

所述的波形合成及保护单元的FPGA用于将微控制器的波形数据进行合成，并将合成处理的波形传送到功率驱动电路。

所述的H桥电路中的霍尔电压传感器将发射的电流值转换为电压值，微控制器使用内部的A/D采集该电压值信号，经过微控制器转换，实现电流值的测量。

所述的显示单元为电阻式触摸屏，电阻式触摸屏的指令通过串口与微控制器进行通信，同时微控制器将A/D采集到的电流值实时显示在触摸屏上。

所述的系统控制单元可以采用微控制器，或单片机或ARM处理器。本发明的多功能的电磁发射仪系统控制单元采用微控制器，将微控制器与存储模块相连，其中，SD卡与微控制器的SPI接口相连，U盘接口与微控制器的USB接口相连；微控制器与波形合成及保护单元相连，微控制器将波形数据送到波形合成及保护单元内完成波形合成；微控制器与显示单元实现数据的双向传输，可以将上位机设定的数据参数传输给微控制器，同时还能将A/D采集到的电压值经过微控制器处理转换为电流值，并送到显示单元显示。

本发明的多功能的电磁发射仪所述的波形合成及保护单元选择FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，用于实现将微控制器的波形数据进行合成，并将波形传送到功率驱动电路，同时还对微控制器报警信号进行响应，一旦有报警信号就停止波形合成，切断与功率驱动电路的波形信号的传输。

本发明的多功能的电磁发射仪，所述的发射单元含有发射接口电路和发射线圈或发射专用电极，J14为接口电路设计，发射线圈采用多股铜芯的电缆线制作，可以更换为线圈或专用电极。

本发明的多功能的电磁发射仪，所述的系统控制单元微控制器采用STM32F103芯片，波形合成及保护单元采用EP1CT144芯片，功率驱动电路采用IR2104芯片，但也可选用其他任意能够实现该功能的芯片；包括H桥电路，可选其他能够实现H桥电路驱动的任一款芯片，触摸屏可选用能够实现本发明所需的操作功能的触摸屏。

本发明的多功能的电磁发射仪与已有的电磁发射仪相比所具有的优点是：

1、本发明应用了大容量的存储技术，应用微控制器和FPGA使得本发明能够产生更多物探所需的单极性方波，双极性方波，多频点的伪随机波形，以及各种用户自定义波形，能够将产生的波形应用于电法或者磁法的勘探。本发明中波形数据在SD卡中可任意修改与添加，同时能够实时显示发射波形的电流值，并将电流值记录到U盘，方便后续的数据处理与反演计算。

2、本发明采用了全球定位系统GPS或北斗卫星导航系统Compass，增加了与接收机之间的准确通信，相比于有线的同步信号，增大了本发明的工作范围，提高了工作效率。

3、本发明选用的微控制器在仪器停止工作时处于睡眠状态，可以进入低功耗模式，当触摸屏有操作时，微控制器即被唤醒，开始正常工作，因此本仪器在功耗上相比其他电磁发射仪有明显的降低。

4、本发射仪将频率域与时间域集成于一体，时间域与频率域两种方法的实现可以增加现场作业时的可靠性，将两种方法同时对同一地区进行采集作业，有利于实现对两种结果的相互论证，确保采集作业的有效性。小型化的设计有利于在野外的携带，可以在复杂多变的地质环境中正常作业，同时减轻了作业人员的负担。

5、本发明的多功能的电磁发射仪结构简单，使用触摸屏作为人机交互的界面，使操作更加方便和人性化，触摸式设计也简化了电路设计，集成度更高，体积小，功耗低，工作可靠性高，本发射仪同时通过外部供电方便电源的更换与携带，适用于山间林中作业，小型化的设计，使得本发明适应复杂多变的地形的能力增强。

附图说明

图1本发明的一种多功能的电磁发射仪的系统结构框图。

图2为本发明采用的一种微控制器的结构图。

图3为本发明的微控制器与触摸屏接口的电路接线图。

图4 为本发明的微控制器与2个单刀双掷开关S1、S2的电路接线图。

图5为本发明的微控制器与发光二极管的电路接线图。

图6为本发明的微控制器与2个晶振Y1、Y2的电路接线图。

图7为本发明的微控制器与接口JTAG的电路接线图。

图8为本发明的微控制器与运放OPA2227的电路接线图。

图9为本发明的USB接口与微控制器的电路接线图。

图10为本发明的SD卡接口与微控制器的电路接线图。

图11为本发明的波形合成及保护单元的FPGA与微控制器的电路接线图。

图12 为本发明的FPGA与晶振Y3、SMA接口J13、Signal1（J6）的电路接线图。

图13为本发明功率驱动电路与外部信号连接接口的电路图。

图14为本发明H桥电路与霍尔电压传感器的电路连接图。

图15为本发明的一种多功能的电磁发射仪的整体安装结构示意图。

上述图中：1-面板，2-同步模块接口，3-触摸屏，4-发射接口，5-电源接口，6-电源开关，7-STM32F103与FPGA电路板，8-功率驱动电路板，9-H桥电路板，10-GPS同步模块，11-中间层隔板，12-仪器箱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1：本发明的一种多功能的电磁发射仪，其结构如图1所示。包括系统控制单元、波形合成及保护单元、功率驱动电路、H桥电路、发射单元、显示单元、同步模块和存储模块。

所述的系统控制单元分别与存储模块、波形合成及保护单元和显示单元双向电连接；所述的同步模块与波形合成及保护单元单向电连接；所述的波形合成及保护单元与功率驱动电路单向电连接，波形合成及保护单元输出两路波形，将两路波形输入到功率驱动电路，进行功率的放大，增加其驱动能力；所述的功率驱动电路与H桥电路单向电连接；所述的H桥电路与发射单元连接；所述的H桥电路与系统控制单元单向电连接，将电压值送到系统控制单元；所述的系统控制单元的微控制器采用STM32F103芯片，波形合成及保护单元包含FPGA，功率驱动电路包含2片桥电路驱动芯片，H桥电路由四个功率MOSFET管组成发射桥电路，H桥电路中还含有电流采集功能，由霍尔电压传感器和微控制器内部A/D组成，发射单元采用多股铜芯的电缆线作为发射天线进行波形发射，同步模块采用北斗卫星导航系统Compass，实现电磁发射仪与电磁接收仪的时间同步功能；存储模块由SD卡与U盘组成，将波形数据存储在SD卡内，将电流值数据存储在U盘内；显示单元采用电阻式触摸屏。

本实施例微控制器与外围的电路接线如图2所示。触摸屏接口的电路接线图参见图3，LCD（J1）为触摸屏的接口，STM32F103（U1）为微控制器芯片。触摸屏接口LCD（J1）的1，2，3引脚与+5V电压相连，用来给液晶屏供电， LCD（J1）的4脚与芯片U1的23脚I/O0相连， LCD（J1）的5脚与芯片U1的25脚RXD相连，LCD（J1）的6脚与芯片U1的26脚TXD相连， LCD（J1）的7脚与U1的24脚BUSY相连，LCD（J1）的8，9，10引脚与GND直接相连。

本发明微控制器与2个单刀双掷开关S1、S2的电路接线参见图4，单刀双掷开关SW-SPDT（S1）的2脚通过电阻R1与微控制器芯片STM32F103（U1）的94脚BOOT0相连，单刀双掷开关SW-SPDT（S1）的1脚直接与GND相连，单刀双掷开关SW-SPDT（S1）的3脚与+3.3V电源相连，单刀双掷开关SW-SPDT（S2）的2脚通过电阻R2与芯片STM32F103（U1）的37脚BOOT1相连，单刀双掷开关SW-SPDT（S2）的1脚直接与GND相连，单刀双掷开关SW-SPDT（S2）的3脚与+3.3V电源相连。

本发明微控制器与发光二极管的电路接线参见图5，发光二极管（LED1）的RESET端口与微控制器芯片STM32F103（U1）的14脚RESET相连。

本发明微控制器与2个晶振Y1、Y2的电路接线参见图6，晶振Y1的OSCI端口与微控制器芯片STM32F103（U1）的12脚OSCI相连，晶振Y1的OSCO端口与芯片U1的13脚OSCO相连，晶振Y2的OSC32I端口与芯片U1的8脚OSC32I相连，晶振Y2的OSC32O端口与芯片U1的9脚OSC32O相连。

本发明微控制器与接口JTAG的电路接线参见图7。接口JTAG（J2）的1，2脚接+3.3V电压，接口JTAG（J2）的3脚与微控制器芯片STM32F103（U1）的90脚PB4相连，接口JTAG（J2）的5脚与芯片U1的77脚PA15相连，接口JTAG（J2）的7脚与芯片U1的72脚PA13相连，接口JTAG（J2）的9脚与芯片U1的76脚PA14相连，接口JTAG（J2）的13脚与芯片U1的89脚PB4相连，接口JTAG（J2）的15脚与芯片U1的14脚RESET相连，接口JTAG（J2）的4，6，8，10，12，14，16，18，20脚直接与GND相连。

本发明微控制器与运放OPA2227的电路接线参见图8，运放OPA2227（U3）的1脚与微控制器芯片STM32F103（U1）的15脚Data相连，同时运放U3的6脚与运放U3的1脚相连，运放U3的7脚通过电阻R12与接口Headr2（J5）的1脚V_Data相连，运放U3的3脚接+5V电压，运放U3的12脚直接与GND相连。

本发明存储模块为SD卡与U盘组成，将波形数据存储在SD卡内，将电流值数据存储在U盘内。USB接口与微控制器的电路接线参见图9。J3为USB接口，J4为SD接口，接口USB（J3）的1脚接+5V电压，接口USB（J3）的2脚通过电阻R7与微控制器芯片STM32F103（U1）的70脚USM_DM相连，接口USB（J3）的3脚通过电阻R6与芯片U1的71脚USB_DM相连，接口USB（J3）的4，5，6引脚与GND相连，

本发明存储单元SD卡接口与微控制器的电路接线参见图10，存储模块SD卡接口SD_SPI（J4）的1脚与微控制器芯片U1的29脚CD_CS相连，接口J4的2脚与芯片U1的32脚SD_MOSI相连，接口J4的3，6脚接GND，接口J4的4脚与+3.3V电压相连，接口J4的5脚与芯片U1的30脚SD_SCLK相连，接口J4的7脚与芯片U1的31脚SD_MISO相连，接口J4的8，9脚通过电阻R10与+3.3V电压相连，接口J4的10脚与芯片U1的17脚SD_IST相连，同时接口J4的10脚通过电阻R9与+3.3V电压相连，接口J4的11脚与芯片U1的16脚SD_WP相连，同时接口J4的11脚通过电阻R8与+3.3V电压相连。

本发明波形合成及保护单元的FPGA与微控制器、晶振Y3、SMA接口（J13）、Signal1（J6）的电路接线如图11、12所示。芯片EP1CT144(U2)的37脚与微控制器芯片U1的81脚D7相连，芯片U2的38脚与芯片U1的82脚D6相连，芯片U2的39脚与芯片U1的83脚D5相连，芯片U2的40脚与芯片U1的84脚D4相连，芯片U2的41脚与芯片U1的85脚D3相连，芯片U2的42脚与芯片U1的86脚D2相连，芯片U2的47脚与芯片U1的87脚D1相连，芯片U2的48脚与芯片U1的88脚D0相连，芯片U2的49脚与芯片U1的55脚CON7相连，芯片U2的50脚与芯片U1的56脚CON6相连，芯片U2的51脚与芯片U1的57脚CON5相连，芯片U2的52脚与芯片U1的58脚CON4相连，芯片U2的53脚与芯片U1的59脚CON3相连，芯片U2的56脚与芯片U1的60脚CON2相连，芯片U2的57脚与芯片U1的61脚CON1相连，芯片U2的58脚与芯片U1的62脚CON0相连，芯片U2的72脚与芯片U1的64脚Alarm相连，晶振Y3的3脚通过R14与芯片U2的16脚CLKIN相连，SMA接口（J13）的1脚与芯片U2的110脚SYN1相连，Signal1（J6）的4脚与芯片U2的106脚DriveOut1相连，Signal1（J6）的3脚与芯片U2的105脚DriveOut2相连，Signal1（J6）的2脚与芯片U2的104脚ENA相连。

功率驱动电路与外围接口的电路连接如图13所示。功率驱动电路由2片驱动芯片及外围器件组成，芯片IR2104（U4）的1脚通过电容C12与DGND相连，芯片U4的2脚与接口Signal2（J12）的4脚IN1相连，芯片U4的3脚与接口Signal2（J12）的2脚ENA相连，芯片U4的4脚与接口Signal2（J12）的1脚DGND直接连接，芯片U4的5脚与接口DRIVER_OUT1_2（J11）的3脚Drive2相连，芯片U4的6脚与接口DRIVER_OUT1_2（J11）的2脚相连，同时芯片U4的6脚通过电容C14与芯片U4的8脚相连，同时芯片U4的1脚通过快恢复二极管FR157（D6）与芯片U4的8脚相连，芯片U4的7脚与接口DRIVER_OUT1_2（J11）的4脚Drive1相连。

芯片IR2104（U5）的1脚通过电容C13与DGND相连，芯片U5的2脚与接口Signal2（J12）的3脚IN2相连，芯片U5的3脚与接口Signal2（J12）的2脚ENA相连，芯片U5的4脚与DGND直接连接，芯片U5的5脚与接口DRIVER_OUT3_4（J10）的3脚Drive4相连，芯片U5的6脚与接口DRIVER_OUT3_4（J10）的2脚相连，同时芯片U5的6脚通过电容C15与U5的8脚相连，同时芯片U5的1脚通过快恢复二极管FR157（D7）与芯片U5的8脚相连，芯片U5的7脚与接口DRIVER_OUT3_4（J10）的4脚Drive3相连，接口DRIVER_OUT3_4（J10）的1脚与接口Signal2（J12）的1脚DGND相连。

H桥电路与霍尔电压传感器的电路连接如图14所示。所述的H桥电路单元由4个MOSFET管（Q1、Q2、Q3、Q4）及外围器件组成，同时H桥电路中还包括U6霍尔电压传感器，霍尔电压传感器将发射的电流值转换为电压值，控制系统使用内部的AD，采集该电压值，经过控制系统转换，实现电流值的测量。

MOSFET管（Q1）的Drive11引脚与接口DRIVER_IN1_2（J7）的4脚Drive11相连，MOSFET管（Q2）的Drive22引脚与接口J7的3脚Drive22相连，MOSFET管（Q3）的Drive33引脚与接口DRIVER_IN1_2（J8）的4脚Drive33相连，MOSFET管（Q4）的Drive44引脚与接口J8的3脚Drive44相连，电阻R24的VS11端与接口J7的2脚VS11相连，电阻R25的VS22端与接口J8的2脚VS22相连，接口L（J14）的1脚与霍尔电压传感器JLB-1（U6）的1脚In-相连，电阻R24的In+端与U6的2脚In+相连， U6的3脚接-12V电压， U6的4脚接+12V电压， U6的5脚通过电阻R15与接口Header1（J9）的1脚H_GND相连,同时U6的5脚与接口Header1（J9）的2脚H_Data相连。

实施例2：本发明的一种多功能的电磁发射仪，其安装结构如图15所示。所述的发射仪包括面板1、同步模块接口2、触摸屏3、发射接口4、电源接口5、电源开关6、STM32F103与FPGA电路板7、功率驱动电路板8、H桥电路板9、GPS同步模块10、中间层隔板11、仪器箱12。同步模块接口2设在面板上与GPS同步模块10相连，触摸屏3设在面板上，发射接口位于仪器箱12的后面，用来连接发射线圈或者电极，电源接口5位于仪器箱12的后面，用来提供仪器工作的电源输入，电源开关6是整个发射仪的电源总开关，位于仪器箱12的后面。STM32F103与FPGA电路板7，功率驱动电路板8和H桥电路板9固定于同一水平面的中间层隔板11上。

本发明的多功能的电磁发射仪结构简单，集成度高，体积小，功耗低，工作可靠性高，将频率域与时间域集成于一体，适用于山间林中作业，小型化的设计，使得本发明适应复杂多变的地形的能力增强。

Claims (5)

1.一种多功能的电磁发射仪，包括系统控制单元、波形合成及保护单元、功率驱动电路、H桥电路、发射单元、显示单元、同步模块和存储模块；其特征在于：

所述的系统控制单元分别与存储模块、波形合成及保护单元和显示单元双向电连接；所述的同步模块与波形合成及保护单元单向电连接；所述的波形合成及保护单元与功率驱动电路单向电连接，波形合成及保护单元输出两路波形，将两路波形输入到功率驱动电路，进行功率的放大，增加其驱动能力；所述的功率驱动电路与H桥电路单向电连接；所述的H桥电路与发射单元连接；所述的H桥电路与系统控制单元单向电连接，将电压值送到系统控制单元；

所述的系统控制单元由微控制器组成；波形合成及保护单元包含FPGA；功率驱动电路包含2片桥电路驱动芯片；H桥电路由四个功率MOSFET管组成发射桥电路，H桥电路中还含有A/D采集单元，由霍尔电压传感器和微控制器内部A/D组成；发射单元含有发射接口电路和发射线圈或发射专用电极，发射线圈采用多股铜芯的电缆线制作；同步模块采用全球定位系统GPS或北斗卫星导航系统Compass，实现电磁发射仪与电磁接收仪的时间同步功能；存储模块由SD卡与U盘组成，将波形数据存储在SD卡内，将电流值数据存储在U盘内；显示单元采用电阻式触摸屏。

2.根据权利要求1所述的多功能的电磁发射仪，其特征在于：所述的系统控制单元的微控制器，用于存储模块、波形合成及保护单元、显示单元的数据通信与命令控制，同时实现A/D采集的功能，当微控制器采集到的电压值或者电流值过载时，微控制器向波形合成及保护单元发送一个报警信号，停止波形合成及保护单元继续向功率驱动电路发送波形，停止系统工作，等待故障排除后继续工作。

3.根据权利要求1所述的多功能的电磁发射仪，其特征在于：所述的波形合成及保护单元的FPGA用于将微控制器的波形数据进行合成，并将合成处理的波形传送到功率驱动电路。

4.根据权利要求1所述的多功能的电磁发射仪，其特征在于：所述的H桥电路中的霍尔电压传感器将发射的电流值转换为电压值，微控制器使用内部的A/D采集该电压值信号，经过微控制器转换，实现电流值的测量。

5.根据权利要求1所述的多功能的电磁发射仪，其特征在于：所述的显示单元为电阻式触摸屏，电阻式触摸屏的指令通过串口与微控制器进行通信，同时微控制器将A/D采集到的电流值实时显示在触摸屏上。

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