微型一體化井下電阻率探管的設(shè)計(jì)

宮 琛

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南232001）

0 引言

測(cè)井儀是在煤礦勘探和開發(fā)過程中進(jìn)行測(cè)量、記錄、分析井下巖層與地質(zhì)或流體的物理特性，并對(duì)井下油氣煤進(jìn)行評(píng)價(jià)與檢測(cè)的一種技術(shù)裝置[1-2]。測(cè)井儀主要針對(duì)井下各種情況的參數(shù)進(jìn)行探測(cè)。本文設(shè)計(jì)的井下電阻率探管，即對(duì)井下的礦井介質(zhì)實(shí)現(xiàn)采集，傳輸，存儲(chǔ)等功能。

傳統(tǒng)的電阻率探管，由于體積較大、笨重、不便于攜帶等一些問題，導(dǎo)致在很多特殊地形無法測(cè)量，而且功能單一，僅采取數(shù)據(jù)，無法立即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能耗高。本文提出了一種小型一體化電阻率探管，以STM32F103單片機(jī)為核心，內(nèi)置32k到128k的閃存，速度快，性能強(qiáng)，外設(shè)多，實(shí)現(xiàn)了高性能、低成本、低功耗的目標(biāo)。同時(shí)采用集成電路，整體電路符合本安電路設(shè)計(jì)要求，讓系統(tǒng)更加小型化[3-4]。在數(shù)據(jù)傳輸方面采用了CAN總線數(shù)據(jù)傳輸方式，使得數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定，高效，快速。很好的減輕了工作負(fù)擔(dān)，縮短了工作時(shí)間，同時(shí)降低了工作成本。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)主要為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。軟件系統(tǒng)由初始化模塊、在線模式、離線模式、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。該電阻率探管的主要功能就是測(cè)量鉆孔中巖石，礦石的電阻率。在測(cè)量電阻率時(shí)，要給巖層供入電流，并測(cè)量巖層在不同位置上因供入電流而產(chǎn)生的電位差，從而計(jì)算出視電阻率。同時(shí)通過CAN數(shù)據(jù)采集卡，與PC機(jī)相連。測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，可以經(jīng)過運(yùn)算處理得到最終的測(cè)量結(jié)果，同時(shí)可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)與傳輸?shù)忍幚怼?/p>

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電阻率探管整體由單片機(jī)控制模塊、發(fā)射模塊、接收模塊、存儲(chǔ)模塊、通訊模塊、電源模塊構(gòu)成。單片機(jī)控制模塊用于對(duì)用戶命令的響應(yīng)并對(duì)采集到的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行算法上的處理，進(jìn)行處理篩選符合條件的數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的測(cè)量精度，同時(shí)對(duì)其他模塊進(jìn)行控制。發(fā)射模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)量信號(hào)的發(fā)射處理。接收模塊用于對(duì)發(fā)射后的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行接收并通訊于存儲(chǔ)模塊。存儲(chǔ)模塊對(duì)控制模塊處理篩選后的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)。通訊模塊可以與含有CAN模塊的設(shè)備或具有數(shù)據(jù)采集卡的PC通訊。電源模塊向整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。整體硬件電路參考了本安防爆規(guī)范：GB3836.4-2000。考慮到本安防爆對(duì)設(shè)備耗電流的規(guī)定，所以盡量選取了低功耗的芯片，使電阻率探管整體耗電量降低到10mA。

2.1 單片機(jī)控制模塊

核心芯片采用了100針引腳基于cortex-M3處理內(nèi)核的新一代ARM芯片STM32F103。該芯片自帶了CAN通訊模塊，只需外接CAN收發(fā)器即可實(shí)現(xiàn)CAN總線通訊，簡化了電路設(shè)計(jì)，縮小了電路板體積，具有優(yōu)異的實(shí)時(shí)性能與杰出的功耗控制，最大限度的控制了該測(cè)井儀的能耗。在最大程度的集成整合的基礎(chǔ)上縮小了產(chǎn)品的體積，從而使得儀器輕便易攜帶。其豐富的IO口及各種外設(shè)資源更多是能夠滿足各種嵌入式控制領(lǐng)域的需求?？紤]到性價(jià)比我們選用這款芯片。

2.2 發(fā)射模塊

在常規(guī)直流電法勘探中，僅存在2個(gè)回路，其中一個(gè)為供電回路（稱為AB回路），另一個(gè)為測(cè)量回路（稱為MN回路）。ABMN在空間上組成某一種測(cè)量裝置。測(cè)量電阻率只需精確測(cè)量MN兩端的電壓與AB回路中的電流，并將所測(cè)參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可。

2.3 接收模塊

采集部分主要分為采集前置電路與AD采樣部分。由于地電信號(hào)非常的微弱，故而必須將其放大同時(shí)對(duì)噪聲進(jìn)行處理濾波，減少干擾，因此需要采集前置電路部分，它主要由四個(gè)部分組成，分別是：低通濾波部分、儀表放大器部分，差分放大部分和跟隨器部分。為了避免周邊環(huán)境例如雷電等產(chǎn)生的高頻干擾，需要在最前端添加低通濾波電路。之后為了降低信號(hào)的共模干擾同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行增益放大接入由兩個(gè)運(yùn)放TLV2402組成的儀表放大器電路。再此后將雙端輸入信號(hào)通過一個(gè)差分放大電路，更好的抑制共模比，進(jìn)一步增益信號(hào)，同時(shí)轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)給跟隨器，通過跟隨器提升輸入阻抗。

2.4 存儲(chǔ)模塊

用SD卡進(jìn)行存儲(chǔ),考慮到成本沒有采用文件管理芯片,而是采用了軟件的方式通過STM32F103直接操控SD卡的讀寫,同時(shí)通過移植FATFS文件管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡文件的管理。

2.5 通訊模塊

由于采集節(jié)點(diǎn)在礦井下，故向下通訊必須考慮到礦井下通訊的特殊性：距離遠(yuǎn)、干擾大、充滿易爆氣體、潮濕等。綜合以上因素，選擇了CAN總線來實(shí)現(xiàn)向下通信。CAN總線具有傳輸距離遠(yuǎn)抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，滿足礦井內(nèi)使用的要求。同時(shí)核心芯片STM32F103自帶的CAN模塊，僅需要在外面集成一個(gè)收發(fā)器即可完成。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在硬件電路的基礎(chǔ)上，需要對(duì)芯片STM32F103進(jìn)行軟件程序的編寫，使得電阻率探管按照指定的方式工作，完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、初步處理以及對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙δ?。軟件系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊。并可分為在線模式與離線模式。

具體主程序流程圖如圖2所示，程序首先進(jìn)行初始化，設(shè)置芯片STM32F103內(nèi)部各個(gè)工作寄存器的內(nèi)容，以及其他電路的初始狀態(tài)。其中初始化主要包括單片機(jī)、SPI、CAN總線、CH376、串口以及時(shí)鐘初始化。

電阻率探管通過向測(cè)試介質(zhì)中供入方波，測(cè)量方波的電流（AB）和電壓（MN），以獲得介質(zhì)的視電阻率和視極化率。電阻率探管離線或在線啟動(dòng)探管后，進(jìn)入發(fā)射、采樣和計(jì)算數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)AB回路發(fā)射雙極性電流脈沖要求：脈沖類型固定：雙極性脈沖。脈沖寬度固定：占空比1:1，脈寬500ms，每次發(fā)射時(shí)長共2500ms。

4 結(jié)語

本文提出的電阻率探管，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不僅適應(yīng)各種復(fù)雜地形，擴(kuò)大了儀器的使用范圍；在結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步優(yōu)化，使得整體輕便，易于攜帶；降低了功耗，延長了工作時(shí)間；采用CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，提高了傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與實(shí)時(shí)性。實(shí)驗(yàn)證明本系統(tǒng)具有良好的性能，能夠很好的滿足礦下探測(cè)的需要。

［1］龐巨豐,李長星,施振飛,等.測(cè)井原理及儀器[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

［2］斯倫貝謝測(cè)井公司.測(cè)井解釋原理及應(yīng)用[M].李舟波,潘葆芝,譯.北京:工業(yè)出版社,1991:5-6.

［3］孔測(cè)井系統(tǒng)[J].工礦自動(dòng)化,2013,39(3):88-91.

［4］李盟,郭家虎,周陽,周琦.CAN總線在井下測(cè)井儀中的應(yīng)用[J].工礦自動(dòng)化,2014,40(1):101-104.