彭 祥，张益胜，龙祥忠，王洪军，李秀杰，李 丽，何懿珺

(中地装(重庆)地质仪器有限公司，重庆400033)

0 引言

激发极化法(IP)是根据岩石、矿石的激发极化效应来寻找金属和解决水文地质、工程地质等问题的一种电法勘探方法。发射机通过供电电极向大地供电，在稳定电流(或直流脉冲)的激发下，岩石和矿石中产生激发极化效应，研究电场随时间变化(充电和放电过程)的特性，称为直流激发极化法，又称为时间域激电法(TDIP)。发射机通过供电电极向大地供特定频率的交变电流，观测电场随频率的变化(频率特性)而表现出来的激发极化效应称为交流激发极化法，又称频率域激电法(FDIP)。激发极化法的应用范围日益广泛，除寻找铜矿床外，在找铁、找煤、找铅锌矿，以及在超基性岩区找镍铬矿和金矿等都取得了一定的地质效果。激发极化法在矿产普查勘探中发挥了重要作用，可以发现一些大型低品位的硫化矿体(其他物探方法是难以奏效的)。

1 主要技术指标

1.1 功能指标

(1)工作模式。时间域或双频两种工作模式。时间域工作模式输出双极性50%占空比方波，预存多个供电脉宽时间可选，也可自定义供电脉宽。双频模式输出双频双极性合成方波，预存多个频组可选，手动切换频组，每个频组的主频(高频)、频比可选，相位差固定。

(2)测量参数(显示)。高压、AB电流、接地电阻、输出功率。

(3)实时存储高精度时间戳周期或全波形电流数据。

(4)GPS与高精度温补晶振相结合提供同步时钟。

(5)主机预留通讯接口同步控制平衡负载箱，实现发电机或电网负载平衡。

(6)移动终端(手机或平板)通过WiFi与发射主机通信设置参数、控制工作过程和显示相关信息。

(7)设备通过USB接口进行导入/导出数据。

(8)监测保护功能。①输入高压过压、欠压、波动监测保护功能；②AB电极过流、开路监测保护功能；③供电AB电极接地电阻实时监测功能；④供电AB电极输出功率监测功能。

(9)实时箱体内部温度监测，超过温度报警阈值自动启动保护功能。

(10)机箱两侧一进一出两个风扇在自动/手动开关控制下强制散热。

(11)仪器内置11.1 V、10.4 Ah锂电池组与外接12 V直流电源、AC220 V交流电源(外接电源适配器)三种工作模式，内部设有过压、欠压、过流、防反接等保护功能，三种电源根据电压高低自动转换。

1.2 性能指标

DDF20-1大功率时频激电发射机的性能参数见表1，图1为发射机的外观图。

表1 DDF20-1大功率时频激电发射机性能参数表Table 1 Performance parameter table of DDF20-1 high power time frequency IP transmitter

图1 DDF20-1大功率时频激电发射机Fig.1 DDF20-1 high power time frequency IP transmitter

2 设计原理

2.1 系统原理

图2为系统原理图。

图2 系统原理框图Fig.2 System principle block diagram

发射机电路包括FPGA核心电路、MCU最小系统电路、IGBT驱动电路、高压开关电路(逆变桥)、过流保护指示、电流电压采样等部分。

逆变桥是整个高压输出电路的核心部分，由四组大功率IGBT组成。A、B分别对应发射机面板高压输出接线柱(接大地供电电极)，HV+、HV-分别对应面板的高压输入接线柱(外接直流高压)，如图3所示。当控制信号使a两组IGBT闭合、b两组IGBT断开时，输出电压A为正，B为负；a两组断开、b两组闭合时，输出电压A为负，B为正；当a、b都断开时，A、B无输出。通过控制a、b两组IGBT的导通时间和顺序，即可在AB端收到所需的高压脉冲。

图3 逆变桥示意图Fig.3 Diagram of Inverter Bridge

2.2 硬件设计

采用FPGA(MAX10)+MCU(STM32F7XX)+移动终端的方式实现，FPGA与MCU通过8位高速并行总线进行数据交换，MCU与移动终端通过WiFi通讯。FPGA负责实时逻辑控制，如实时数据采集、GPS校时的同步时基模块管理、时间域/双频激电波形的产生、保护逻辑控制及其他实时输入/输出信号的产生等。MCU负责控制性事务管理，如任务调度、数据存储，数据及状态上传、本地人机交互等功能。移动终端负责无线式人机交互等纯事务性管理，如数据及状态图形化呈现和人机交互等功能。

本方案采用控制与管理相分离的设计思路，FPGA负责实时控制，MCU负责控制性事务管理及本地人机交互，移动终端负责无线人机交互，三者通过总线和WiFi进行信息交换，这样的设计思路可以充分发挥FPGA、MCU及移动终端各自的优势，FPGA具备高速并行处理和硬件现场可编程的特点，适合于需要复杂时序逻辑控制和高实时性要求的场合，可以用来产生复杂的波形和一些高实时性输入/输出要求的逻辑控制，MCU具备较强的数据计算、逻辑处理能力和编程灵活的特点，适合于需要较强控制性事务管理功能的场合，移动终端借助Android平台优势可以用来显示界面以及应用程序等。

2.3 软件设计

MCU管理子系统软件基于STM32CubeF7的HAL库为开发平台，采用嵌入式实时操作系统FreeRTOS、嵌入式文件系统FatFs、DSP库、USB库等中间件，同时参考HAL库和其他第三方提供的工程实例，利用模块化、工程化设计思路，降低软件开发难度，缩短开发周期，提高软件的稳定性和可维护性。该方案充分发挥了组件、工程实例和资料丰富的优势，软件开发的很多基础性工作可以不做，开发者大部分工作主要集中在应用开发上。

移动终端在Android Studio集成开发环境下开发，借助Android平台丰富的系统资源，可以开发出炫丽友好的界面和易于操作及强大数据管理功能的应用程序。

3 关键技术难点分析及解决思路

(1)基于嵌入式实时操作系统。本仪器在嵌入式实时操作系统FreeRTOS下基于STM32CubeF7的HAL库进行多任务程序设计，FreeRTOS具有可移植、可裁减、调度策略灵活、实时、开源免费、可靠、易用、多平台支持等特点，适用于资源受限的深度嵌入式系统平台。

(2)嵌入式文件系统开发技术。为了采用文件化管理工程数据和模拟U盘导出数据，仪器中必须带有文件系统，由于仪器资源有限，采用轻量级嵌入式文件系统FatFs。FatFs是一个为小型嵌入式系统设计的通用FAT文件系统模块，FatFs的编写遵循ANSI C，并且完全与磁盘I/O层分开，它独立于硬件架构，可以被嵌入到低成本的微控制器中，而不需要做任何修改。它具有与Windows兼容的FAT文件系统、不依赖于平台、易于移植、代码和工作区占用空间非常小、多种配置选项等特点。

(3)嵌入式USB Mass Device开发技术。仪器采用模拟U盘导出数据，涉及USB Mass Storage大容量存储的相关开发技术，MCU厂家以中间件的方式提供相应平台的移植包，同时提供相关应用案例，开发时可参考和借鉴。

(4)高低压电磁屏蔽、隔离技术。高频开关电源提供高压，在高压大电流发送时内部形成大的电磁干扰，造成控制失控和影响数据采集精度。采取低压与高压部分完全电气隔离及相互之间空间布局的合理性，低压部分加装屏蔽盒，引出线采用多芯屏蔽线和磁环屏蔽及注意走向等措施。

(5)尖峰吸收技术。在高压大电流由AB供电与假负载供电相互切换发送时在高压上形成很高的尖峰电压，造成系统干扰并危及IGBT模块的安全。采取高压电容缓冲，RC电路、压敏电阻、高压瞬态抑制二极管等措施对尖峰进行吸收和抑制。

(6)高精度实时时钟技术。要求发射机时钟与接收机时钟严格同步，如何简单、低成本地获取高精度时间系统尤为重要。结合GPS时钟无累积误差和晶振时钟无随机误差的特性，使用GPS 时钟实时测量晶振时钟频率以及输出时钟相位，利用晶振频差和输出时钟相位差调节电路分频比，消除晶振时钟累积误差的同时与GPS时钟保持同步。

(7)双频激电波形的产生及同步发送。高精度温补晶振经GPS模块连续在线校准产生标准时钟信号，驱动FPGA的高频及低频方波信号发生器经

波形合成电路形成双频混合波，再经驱动电路驱动逆变桥的功率开关，由A、B端向大地供双频复合电流。

4 结语

DDF20-1大功率时频激电发射机将时域激电和频域激电两种功能融为一体，既能与时域激电接收机一起构成传统的大功率激电测量系统，又能和我司全新设计的时频激电接收机一起构成大功率时频激电测量系统，可广泛应用于金属与非金属矿产资源勘探、地下水资源勘探及工程地质等领域。