基于以太网的多频激电仪自动测试软件开发

姚红春,陈儒军,2,3,刘胜利

(1.中南大学 信息物理工程学院,湖南长沙 410083;2.中南大学 计算机科学与技术博士后流动站,湖南长沙 410083;3.中国石油集团 东方地球物理公司博士后科研工作站,河北涿州 072751)

0 前言

多频激电仪是在中国工程院院士何继善提出的双频激电法[1、2]和伪随机多频激电法[3、4]基础上,开发出来的一套电法勘探仪器[5]。该仪器包括发送机、接收机和发送机控制器。其中,发送机是在发送机控制器的控制下,向大地发送各种波形频率的交流信号,而接收机用于接收大地的响应信号。

随着电法仪器精度要求的不断提高,电法仪器的性能测试变得越来越重要[6～8],也是仪器出厂前的必要步骤。而在野外勘探过程中,接收机性能对勘探数据的准确性起着决定性影响。目前,对接收机的性能测试,需要在人工参与下先进行数据采集,再进行数据处理,然后对处理结果进行分析。这种测试方式往往需要消耗大量时间,如果需要对几台仪器进行性能测试,消耗时间还会成倍增加。作者在本研究中,试图克服上述缺点,利用基于以太网(局域网)自动化并行测试思想[9～12],实现多频激电仪接收机的批量快速测试。

1 多频激电仪接收机简介

多频激电仪接收机硬件,是由电场信号放大与滤波电路、A/D转换电路、标定信号发生电路、PC/104嵌入式计算机系统,以及GPS同步电路组成[5]。标定信号发生电路能够产生各种波形频率的信号,可用作仪器故障检测和数据处理时的标定信号。PC/104嵌入式计算机系统使用了W indows98操作系统,可支持各种高级语言开发的可视化软件,而且利用仪器的外接键盘和触摸屏,还可进行可视化人机交互。利用网卡和网线接口,可以实现PC机与仪器的数据传输功能。

2 测试系统结构

本测试系统的硬件连接如图1所示(见下页)。在图1中,计算机和N台多频激电仪接收机组成了一个小型局域网。其中,计算机的IP地址被设置为固定的192.168.1.2,以便接收机上线时主动与计算机握手连接。接收机的地址可在192.168.1.3～192.168.1.254之间选择,故连接到计算机的接收机数量N最大可达252。

在该系统中,计算机也被称作主站,它负责管理联网接收机的各种状态,向选定接收机发送测试任务,接收测试结果,并以图形或者报告形式显示给用户。接收机也被称为从站,它负责接收主站发送来的各种测试命令,解析命令,并按命令执行各种测试任务。在完成测试任务后,上传采集数据和处理结果。

主站与从站通过这种分工合作的方式,可以实现多台仪器的自动化并行测试。

3 主站软件设计

主站软件运行在计算机上面,负责实现主站在系统中的各项功能。该软件利用VC++编程环境,结合MATCOM插件以及N I公司Measurement Studio控件开发完成[13～15],具有很好的可视化界面和数据处理能力,其界面如图2所示。

图1 测试系统硬件连接图Fig.1 Diagram of hardware configuration of the testing system

图2 主站软件主界面Fig.2 Main interface of master station software

该软件实现联机仪器管理,测试任务生成,以及分发、采集数据的接收、处理和结果的显示,以及存储等功能。其结构框架如图3所示,后面对各模块分别介绍。

3.1 TCP/IP通信模块

在该系统中,主站与从站之间采用TCP/IP协议进行通信。由于主站需要同时和多个从站进行连接,故TCP/IP的传输层采用用户数据报协议(UDP)。UDP在一般的网络传输过程中,存在着不可靠性问题,本系统在TCP/IP的应用层对每个数据报进行编号和校验,保证了数据传输的可靠性[16、17]。而且由于局域网之间数据传输的高可靠性,一般不存在数据的丢失。

该模块负责区分心跳握手数据,命令数据及仪器测试数据。其中,心跳握手数据包可及时更新各从站的在线信息;命令数据包括分发的测试任务信息和从站的反馈信息。仪器测试数据主要是从站返回的采集数据和处理结果。

3.2 联机仪器管理模块

由于整个系统在运行过程中可能会出现从站上下线的情况,故在主站软件中设计了联机仪器管理模块,利用该模块可实现各从站的上下线提示,从站IP地址管理,从站工作状态管理等。

3.3 任务设置模块

该模块为主站对从站的任务生成模块,其任务信息中包含三类参数:

(1)采样参数,包括了采样频率、采样时间及采样次数的设置。

(2)测试项目,主要对内部信号源测试、放大器测试、仪器内部噪音测试中的一个或几个测试项目进行选择。

(3)测试仪器,主要是对需要测试的从站进行选择。

3.4 性能分析与结果存储模块

在接收到从站上传的采集数据或处理结果后,用户可通过主站软件将各从站的测试结果显示出来,并将所有从站的处理结果以测试报告的形式存储起来。

因为测试内容比较多,作者在本系统中设计了标准化测试报告的储存格式,总体思路是层层有序地对数据加头文件并打包。通过统一的头文件格式识别测试仪器,测试内容,测试次数,参数设置信息,原始数据以及处理结果等。用户可以通过软件读取每个从站的测试报告,对原始数据及处理结果再次进行分析。

4 从站软件设计

从站软件运行在多频仪接收机上面,负责实现从站在系统中的各项功能。该软件利用VC++编程环境结合MATCOM插件开发完成,具有很好的可视化界面和数据处理能力,其界面如图4(见下页)所示。

该软件实现主站指令解释,测试任务的执行,数据的采集处理,结果显示存储及数据返回等功能,其结构框架如图5(见下页)所示。

后面将对主要模块进行介绍。

4.1 数据采集和处理模块

从站从网络接收到数据后,进行指令解释,即将任务信息中的采样参数和测试项目放入相应缓冲区中;然后从站按照缓冲区中的采样参数,设置采样时间,采样频率,采样次数,再根据缓冲区中的测试项目让滤波器,内部标定信号源以及放大器处于不同状态下进行采样;在采样结束后,再根据测试项目进行数据处理,并返回处理结果和采集数据。

图3 主站软件结构框图Fig.3 Structure ofmaster station software

图4 从站软件界面Fig.4 Interface of slave station software

图5 从站软件结构框图Fig.5 Structure of slave station software

4.2 性能测试方法模块及测试结果分析

4.2.1 内部标定信号源测试

内部标定信号源可以产生双频波、三频波、五频波、七频波等波形,产生信号的频率范围为0.001 kHz～256 kHz,振幅范围为5 mV～5 000 mV。它主要为接地电阻测量,接收机标定和接收机故障诊断提供激励信号。

该项目测试的目的,就是为了确定标定信号各频谱的误差。其默认测试方法为:先将标定信号源的输出设置为1 000 mV,频率为0.25 Hz;然后依次选择方波、双频波、三频波、五频波等波形,每个波形采样时间长度为16 s,采样频率为100 Hz。如果需要,用户也可自定义测试参数和测试任务。在采集完成后,软件自动对测量信号的波形和频谱进行分析,图6和图7分别为五频波测试的波形和振幅谱。

图6 伪随机五频波波形(0.25 Hz/1000 mV)Fig.6 Waveform of pseudo-random 5-frequency wave(0.25 Hz/1000 mV)

图7 伪随机五频波振幅谱(0.25 Hz/1000 mV)Fig.7 Amplitude spectrum of pseudo-random 5-frequency wave

表1为伪随机五频波频谱实测值与理论值之间的对比。从表1可以看出,该信号的每个频谱都在误差范围内,满足了标定信号的要求。

表1 伪随机五频波各频谱实测值与理论值的比较Tab.1 Spectrum comparison between measured values and theoretical values for pseudo-random 5-frequency wave

4.2.2 放大倍数测试

接收机的放大器分为三级(前放、中放和主放),每一级有四档。本项目测试的目的是为了确定仪器各级放大器的放大误差,其测试信号通过内部标定信号源产生,默认方法为:先将输入信号设置为方波50 mV/1 Hz;然后依次改变每一级的放大倍数进行数据采集。如果需要,用户也可自定义测试参数和测试任务。在采集完成后,从站软件能自动计算出等效输入信号的最大值、最小值、峰～峰值和平均值。

表2是对50 mV/1 Hz输入信号进行各级放大后的测试结果。表2中的相对误差为峰～峰值与理论值之间的相对误差。

表2 放大倍数测试结果Tab.2 Results of gain test

由于每级放大倍数的测试误差很接近,故每级只列出了其中一档放大倍数的测试结果。从测试结果可以看出,所测接收机的主放和中放的放大倍数误差小,而前放的放大倍数误差较大。这是由于主放和中放是集成程控放大器,放大倍数由内部精密电阻控制,而前放未定制精密电阻。

4.2.3 噪音测试

接收机噪音是影响测量精度最重要的因素,与放大倍数、仪器电子元件、A/D转换器和电路结构有关。该项目的测试目的是确定仪器在不同放大倍数、不同滤波条件下等效输入噪音。其默认测试方法分为二步:

(1)不使用陷波器和低通滤波器,测量前置放大器放大倍数为1倍、10倍、100倍,其它放大器放大倍数为1时的噪音。

(2)使用陷波器和低通滤波器,测量前置放大器放大倍数为1倍、10倍、100倍,其它放大器放大倍数为1时的噪音。如果需要,用户也可以自定义测试参数和测试任务。

表3是在默认测试方法下测试的等效输入噪音。

表3 等效输入噪音测试结果Tab.3 Results of noise test for equivalent input

从表3中可以看出,随着放大倍数的增大,该接收机的等效输入噪音降低。当放大倍数减小时,有无滤波器影响对接收机影响不大。当放大倍数为100倍时,50 Hz陷波器和低通滤波器有明显效果。

5 结论

作者在本系统实现了多频激电仪接收机的批量自动化测试,以及多台仪器的并行测试,完成了仪器的内部信号源、放大器及内部噪音的测试。与原有的测试方法相比,该系统减轻了试验人员的劳动强度,提高了测试精度和工作效率,而且为多频激电仪接收机批量远程评价与诊断提供了技术支持。

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