CN104122591B - 一种海洋电法探测系统中的双频电流信号发送机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋电法探测系统中的双频电流信号发送机，包括电源管理单元、微处理器主控制单元、状态信息存储单元、驱动电路单元、数据采集单元、实时监控单元和通讯单元，微处理器主控制单元根据实际输出电流的两个频率以及检测的实际输出电流采样值经内部调节器后，获得具有高低两个频率的控制信号和载波信号，这三个信号作为控制信号输入双频电流产生电路，通过信号合成电路、驱动电路，控制逆变器的输出电流，从而在两个电极间获得所需要的双频电流。在每个高频率的波形中，包含了多个载波频率的脉冲波形，负载变化时，可以调整这些脉冲的占空比，调整输出电流为恒定值。本发明为利用海洋激发极化方法进行海洋矿产探测提供了技术支撑。

Description

一种海洋电法探测系统中的双频电流信号发送机

技术领域

本发明涉及一种海洋电法勘探信号发送装置，尤其是涉及一种海洋电法探测用的双频激电电法勘探电流信号发送机。

背景技术

目前陆上资源勘探与开采已经越来越困难，世界各国都将目光瞄准了海洋这一广阔又富饶的领域。电法探测，是各地球物理探测方法中种类最多，使用范围最广，适用性最强的一门分支学科。电法中的双频激电法是激发极化法的一种，自20世纪70年代后期双频激电法问世以来，在全国寻找金属矿产资源(金、银、铜、铅、锌、钼、锡、锰、硫等)、地震监测、地下水勘查和工程地质勘查等方面得到了广泛的应用。

基于双频激电法的双频激电仪器已在陆地上发展较为成熟，但是在海洋领域内国内的研究基本还处于空白。

发明内容

为了将双频激电电法探测应用于海洋领域,本发明的目的是提供一种用于海洋电法探测系统中的双频电流信号发送机，该发送机不仅能够根据甲板机发送的指令自动调整高低两种频率的大小，而且能对发送系统中实时检测的电流、电压、水深等信号通过隔离差分传输方式进行有效地传送。

本发明包括电源管理单元、微处理器主控制单元、状态信息存储单元、驱动电路单元、数据采集单元、实时监控单元和通讯单元，其中：微处理器主控单元是整个发送机系统的核心，它通过电源管理单元来控制各模块和设备的电源供给以及控制发送电流电源，继而控制每一个设备开始工作的时序；状态信息存储单元保存上位机发送的命令信息，防止发送装置异常掉电导致发送机工作状态信息丢失；驱动单元电路主要通过微处理器控制大电流隔离驱动光耦的开通和关断实现双频信号的产生；在微处理器主控单元控制下，数据采集单元采集双频电压、电流信号；实时监控单元采集温度和电池电压信号，得到的数据通过通讯单元传给水面甲板机；通信单元负责各单元间数据和命令的传递。

本发明工作过程如下：微处理器主控单元根据实际输出电流的两个频率以及检测的实际输出电流采样值经内部调节器后，获得的具有双频率f1、f2的控制信号和频率为fs的载波信号，三个信号作为控制信号输入双频电流产生电路，通过信号合成电路、驱动电路单元，控制逆变器的输出电流，从而在两对电极之间获得所需要的双频电流。在每个频率f2的波形中，包含了多个载波频率fs的脉冲波形，负载变化时，可以调整这些脉冲的占空比，调整输出电流为恒定值。

本发明的有益效果是：双频发送机同时供高、低两种频率的电流，接收机同时测量双频电位差；该方法的仪器不需归一化，直接读电位差并且直接用数字显示视幅频率，操作简便；发送可以不必稳流；该方法的仪器灵敏度高，精度高；仪器的抗干扰能力强，对工业干扰的压制能力特别强；仪器具有很强的抗电磁感应耦合能力；通过甲板机发送命令给发送机，产生最大电流20A的6种不同组合的双频电流信号。可以将双频激电电法应用于海洋领域，填补了该方法在海洋领域的空白，为利用海洋激发极化方法进行海洋矿产探测提供了一种技术支撑。

附图说明

图1是本发明的发送机产生的双频电流波形图。

图2是本发明的发送机功能框图。

图3是本发明的发送机硬件电路框图。

图4是本发明的发送机软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，1(a)图为频率f1的波形图，1(b)为频率f2的波形图，1(c)为频率fs的波形图，1(d)为双频电流波形图。微处理器主控单元根据实际输出电流的两个频率以及检测的实际输出电流采样值经内部调节器后，获得的具有高低两种频率f1、f2的控制信号和频率为fs的载波信号输入双频电流产生电路，通过信号合成电路、驱动电路单元，控制逆变器输出电流，从而在两对电极之间获得所需要的双频电流，在每个频率f2的波形中，包含了多个载波频率fs的脉冲波形，负载变化时，可以调整这些脉冲的占空比，调整输出电流为恒定值。

如图2所示，本发明的发送机的功能主要包括设置、校准、工作和查询。设置功能主要是根据工作需要设置工作模式，主要为发送频率、记录电流的间隔时间，以及恢复为发送机默认工作模式等功能；校准功能是发送机产生低压校准信号；工作功能主要为实时显示发送电流值、电压值和温度值；查询功能主要对发送机所存储的电流数据进行实时查询，供电电压等系统状态查询以及删除数据。

工作过程：在PC机上打开上位机软件，进入主界面后设置发送机工作频率、电压和电流值和电流值存储的间隔，打开微处理器主控电源，发送机初始化自检，自检成功后向PC机返回自检成功信息，PC机向发送机的微处理器发送设置工作频率、电压和电流的命令，设置成功后返回设置成功信息，微处理器在状态信息存储单元中清除之前存储的设置参数，存储当前设置的参数，控制电源管理单元打开发送机供电电源，数据采集单元采集输出的电流、电压值，微处理器根据实际输出电流的两个频率以及检测的实际输出电流采样值经内部调节器后，获得具有高低两种频率的控制信号和载波信号输入双频电流产生电路，通过信号合成电路、驱动电路单元，控制逆变器输出电流，从而在两对电极之间获得所需要的双频电流，数据采集单元将测得的电压值、电流值和温度值实时传输给PC上位机，PC机在到达设置的存储间隔后将数据存储一次，实时监控单元实时监测电压值、电流值和温度值，当达到或超过预设值时报警并通知微处理器停止输出控制信号和发送机供电电源，故障解除后发送机重新工作。

如图3所示，发送机硬件主要包括电源及其管理模块、DSP微控制器模块、双频激励主控制模块和其他辅助模块。

电源及其管理模块中，主要包括发送机输出供电电源电路、电源分档切换电路和系统供电电源电路。为适合海底海洋环境，工作时系统选用高能量密度比的磷酸铁锂（LiFePO4）电池，工作电压较低，体积比能量和重量比能量偏低，激励电池组容量为130Ah，电压为24V，控制电池组容量为15Ah，电压为12V，该电池可以反复冲放电使用，最大频次为1000次，而且不会起火、爆炸，同时能够适应海洋低温环境工作；设计了三档电压切换电路，电压等级为12V，24V，48V，可以动态调整输出的负载容量，调节输出电流（最大20A），也可以通过改变输入连接端子实现0V～48V内三档切换。系统采用全密封型塑料封装的小型电磁继电器，大电流，低导通电阻，能在恶劣环境下工作（低温，高温，震动）并采用两个继电器接点并联工作方式，进一步降低导通电阻，更好的实现低功耗；系统供电电源采用转换效率较高的小功率隔离电源模块，主电源采用12V电池输入，转换为5V，在此基础上产生需要的电压，主要有： ，供DSP和逻辑工作，变换为3.3V，供DSP小系统工作，，运算放大器，AD工作，，给主电路驱动电源工作，上桥臂2组，下桥臂共用一组，功率采用2W电源，，主电路切换开关驱动采用一组单独电源供电，切换包括12V，24V，48V，相当于有三组电源和驱动；，外部串口通讯RS-232/485的独立电源。

系统微处理器主控制单元采用低功耗、功能强大的数字信号处理信号DSP为控制核心，不仅具有其它微处理器和单片机嵌入系统的优点，而且还具有独特的高速数字信号处理能力。系统硬件电路设计主要包括控制电源电路，信号检测及其调理电路，DSP控制电路。控制电源电路包括输入电源，DSP工作电源，运算放大器模拟部分电源。电路中输入电压范围为9V～18V，控制板工作电源有5V，3.3V，正负12V；信号检测调理部分主要包括电流信号检测，电压信号检测，过流信号保护及其报警。检测的电流信号经过阻抗匹配，极性转换后分为两路，一路直接进入DSP的内部10位AD转换器，另外一路进入14位ADC转换器，提高电流的检测精度，电路中电流的最小分辨率为0.6mA。设计了相应的硬件过流保护电路有效保护功率管处于过流状态而不会损害，将产生的双极性电流信号经过绝对值电路，取其最大值送入比较器电路中，当主电路电流超过设定值时光耦副边输出低电平，从而产生封管信号，使得关闭开关信号，停止电压输出；DSP控制电路采用TI公司的16位DSP芯片TMS320LF2407A来设计，产生高低两种频率的控制信号和载波信号输入双频电流产生电路，通过信号合成电路、驱动电路，控制逆变器输出电流，从而在电极间获得所需要的双频电流。为保存发送机工作中有用数据和信息，外扩了一个16位1M的RAM芯片IS61WV102416，能够实时的保存有用信息，如电压、电流、故障信息、双频频率、以及一些外部控制命令等。

主控制电路采用H桥回路，通过控制TLP250的开通和关断实现双频信号的产生，控制上管、下管的信号采用4组独立的PWM开关信号，增加了控制的灵活性。

辅助电路模块主要包括：电压检测，电流检测，温度监测，信号调理，AD转换，SPI掉电保存，SCI串行通讯等。电压检测主要检测两路输入激励电源，为监视外部电源电压提供数据，采用线性光耦隔离放大器HCPL788J，可以分辨最小2mV的电压变化，辨识电压范围为100:1，具有较宽的电压线性范围；双频激电供电电流的检测精度对计算幅频率（频域极化率）和视电阻率有着较大的影响，电流检测精度越高视电阻率计算精度越高，为了提高电流检测的精度，其一，采用高精度的电流传感器CSNEl51，线性度优于0.2％；其二，采用高精度的宽电压输入范围的A／D转换器AD7610；其三，采用差分放大电路实现输入信号的最大满量程放大，采用OPA2227运放来实现；为了监视发送机工作的温度，采用外部电源单独供电的两片DS18B20数字温度监测芯片；为了保存PC机发送的工作模式，参数状态以及发送机自身的工作信息，选用ST公司的M95320存储芯片，存储空间为4096*8bit，共计32Kbit的存储空间；设计了SCI串行通讯接口电路，实现发送机和PC机的命令和数据交换，同时为了保证数据实现远程稳定、可靠传输，在发送机和PC机之间采用了有源的带光电隔离的232转485通讯转换板；将检测到的电压、电流信号经过信号调理电路送给多路模拟开关分时选通，由AD转换器得到相应的数值量，同时对电路中的电流进行处理，如果电流大于设定的值，保护动作切断回路，同时发送给PC机报警；为了低功耗节能运行， PC机控制发送机的控制电源。由PC机给出发送机开通和关断命令，采用光隔离继电器PVG612S保持控制信号和电源的电气隔离。

如图4所示，软件程序基于上述硬件结构实现不同频率和不同幅值的脉宽电流控制，高频值和频比通过甲板机传送至发送机，在系统运行后将回路中的电流值传至甲板机，达到实时控制电流高低频率发生，实时监控电流的作用。具体的程序执行过程如下：电流幅值的变化是通过改变母线电压或者是串接在母线上的电阻来实现；频率的变化是通过程序中的波形发生子程序来实现，具体实现时主要通过计时来控制正向电流，零电流和负向电流。软件主要包括初始化、中断处理和通讯程序。

初始化主要包括系统初始化、I/O口初始化、程序中所用到的变量的初始化、定时器初始化和AD输入较零。系统初始化主要包括对系统控制和状态寄存器1、2进行设置，主要完成CPU工作的模式、CPU工作的时钟频率、以及相应模块的使能操作（如使能系统的ADC模块），看门口的使能操作，CPU中断标志寄存器IFR和CPU中断屏蔽寄存器IMR的设置；I/O口初始化，主要完成对I/O口服用控制寄存器MCRA、MCRB、MCRC和端口A,B,C,D,E,F数据方向控制寄存器的设置。对I/O口复用控制寄存器用来控制选择I/O引脚作为基本功能或一般I/O引脚功能。数据方向控制寄存器主要完成当I/O引脚用作一般I/O引脚功能时，用数据和方向控制寄存器可控制数据和I/O引脚的方向，这些寄存器直接和I/O引脚相连，通过控制I/O口的高低来控制脉宽；程序中所用到的变量的初始化主要完成对程序中要用到的一些变量的初始化，比如一些常用的时间计数变量的清零。定时器初始化，主要完成对定时器1控制寄存器的设置；AD输入较零，为了提高AD的采样准确度，需要除去AD的零漂的影响，程序初始化时加上了AD输入较零子程序。

为了提高控制的实时性，将AD采样子程序，电流给定子程序（波形发生子程序），占空比计算子程序放在中断中。AD采样子程序主要完成对负载电流的采样；电流给定，即波形发生子程序，主要用来确立在高频周期、低频周期以及电流的幅值，当位于低频周期的上半个周期时，高频周期中的上半个周期的电流给定值为正，下半个周期的电流给定值为零。当位于低频周期的下半个周期时，高频周期中的上半个周期的电流给定值为负，下半个周期的电流给定值为零。

发送机和PC机通过MAX232实现SCI数据通讯，PC机可以设置六种工作参数模式1.发送高频：9Hz，发送低频：0.6Hz，发送电压：12V；2. 发送高频：9Hz，发送低频：0.6Hz，发送电压：24V；3. 发送高频：4.5Hz，发送低频：0.3Hz，发送电压：12V；4. 发送高频：4.5Hz，发送低频：0.3Hz，发送电压：24V；5. 发送高频：15Hz，发送低频：1Hz，发送电压：12V；6. 发送高频：15Hz，发送低频：1Hz，发送电压：24V。自检模式，主要为进入自检模式、自检数据读取命令、继续自检和退出自检。工作模式主要为进入工作模式、终止工作、继续正常工作和更新工作参数模式。

Claims (2)

1.一种海洋电法探测系统中的双频电流信号发送机，其特征在于它包括电源管理单元、微处理器主控单元、状态信息存储单元、驱动电路单元、数据采集单元、实时监控单元和通讯单元，其中：微处理器主控单元是整个发送机系统的核心，它通过电源管理单元来控制各模块和设备的电源供给以及控制发送电流电源，继而控制每一个设备开始工作的时序；状态信息存储单元保存甲板机发送的命令信息，防止发送装置异常掉电导致发送机工作状态信息丢失；驱动电路单元通过微处理器主控单元控制大电流隔离驱动光耦的开通和关断实现双频信号的产生；在微处理器主控单元控制下，数据采集单元采集双频激电压、电流；实时监控单元采集温度和电池电压信号，得到的数据通过通讯单元传给甲板机；通讯单元负责各单元间数据和命令的传递；

微处理器主控单元根据实际输出电流的两个频率以及检测的实际输出电流采样值经内部调节器后，获得的具有双频率f1、f2的控制信号和频率为fs 的载波信号，三个信号作为控制信号输入双频电流产生电路，通过信号合成电路、驱动电路单元，控制逆变器的输出电流，从而在两对电极之间获得所需要的双频电流，在每个频率f2的波形中，包含了多个载波频率fs的脉冲波形，负载变化时，可以调整这些脉冲的占空比，调整输出电流为恒定值。

2.根据权利要求 1 所述的双频电流信号发送机，其特征在于所述微处理器主控单元采用低功耗 TMS320LF2407 为控制核心。