ATS-SR地电仪研制与试验

严 兴，柴剑勇

（广东省地震局，广东 广州 510070）

ATS-SR地电仪研制与试验

严 兴，柴剑勇

（广东省地震局，广东 广州 510070）

针对自主研制的ATS-SR（自动切换继电器）地电仪的硬件系统特点，结合实际应用中的一些具体要求，基于Microchip公司的PIC16F877A芯片，开发了一套软件系统，包括测控软件 （下位机软件）和数据处理分析软件 （上位机软件），系统的介绍了依托地电仪硬件电路的测控软件与数据处理软件各个模块的设计原理与程序流程，并分析了其技术特点与优势。在实际测量河北邢台大柏舍大地电阻率的实验中，表现出良好的测量稳定性。

地电阻率；ATS-SR地电仪；软件

引言

地震孕育过程中，经常伴有地下介质电阻率的变化及大地电流和自然电场的变化。观测这些变化 （主要是地壳上部介质电阻率的变化），提取地震前地下介质的电信息，并探讨其与地震之间的关系，以进行地震预报，是地电观测的主要任务，同时也可以用于研究活断层及构造活动特性。

1966年邢台地震以来，定点地电阻率观测已成为我国地震前兆观测的常规手段，投入观测的地电阻率台站有百余个，在多次大震之前，地电阻率观测都显示了明显的异常，所以不失为一种有效的地震前兆预报方法。

目前国内地电台站多采用地表布极，四级对称测量方法，这种布极装置条件下，供电电场在地表以上不存在，所以称为半空间分布，半空间地电测量的电力线大部分集中于地表附近，受地表干扰因素 （降雨，人为等）影响很大。

ATS-SR型地电仪应用于深井观测中，电极布设在地表以下的深孔中，近似为全空间测量，这种情况下，地表层电阻率的干扰变化对视电阻率观测值的影响很小，可以有效地消除地表干扰。

近年来随着计算机技术的飞速发展，微机处理技术也得到广泛应用，使得仪器在集成度与稳定性上可以有很大提高。ATS-SR新型地电仪系统改进了电压测量方式，并且开发了数据处理与日报表生成等上位机程序，使整套仪器拥有测量稳定性高，操作方便，结果直观等优点。本文结合ATS-SR型地电仪的硬件技术特点，介绍软件系统各部分的设计与实现。

1 系统简介

该套软件系统包括两部分：测控和数据处理。测控软件烧录在电路板的 CPU（PIC16F877A）上，用于定时测量或接收中断控制从而实现电路控制和数据的采集发送；数据处理软件安装在PC机上，对测控电路进行必要的中断控制，并接收测控电路发来的原始数据，将其保存于PC机上用于生成日报表。

2 地电仪硬件系统简介

软件系统的设计实现是建立在硬件基础上的，地电仪的硬件系统如图1所示，包括CPU （PIC16F877A）、计数模块、时钟芯片、液晶显示、数据存储、串口通信、模拟电流输入等。

图1 地电仪硬件结构Fig.1 Hardware structure of the earth resistivity apparatus

地电仪按照初始设置的时间间隔定时进行测量，可以通过PC机上的上位机软件来实现仪器参数 （包括系统时间、测量间隔等）的读取与设置，手动即时测量，参数标定等。这里采用中断的方式来进行控制。PIC16F877A提供有内置的串行通信模块，在异步方式下，等同于计算机上的串行接口RS232。上位机软件通过串行口COM1发出指令，从而在PIC上引起接收中断，通过对收到字节内容的判断，能够很方便的实现相应的中断控制，从而实现PC机对硬件电路的测量控制。

采用独立供电的时钟电路芯片DS1302来控制系统时间，DS1302可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号来对系统时间进行读取或设置。

测量过程中，除了实时的将结果发送给 PC机，另外，电路上采用两片 EEPROM（24C1024，可存储2 M位数据）用随机的方式保存近一个月的数据，方便在数据丢失情况下从电路板上调取备份。

计数模块用来测量供电电位与自然电位，是电路的主要部分，在此我们选择了一批新的集成芯片，改进了电压测量方式，首先将电压信号经V/F转换为频率信号 （V=a×F-b），采用高速器件测周法，用待测信号的2 047个周期作为24 MHz标准脉冲的计数闸门时间，在此时间内用24位高速 (100 MHz)计数器记录下标准脉冲的个数N，则可算得待测信号的周期：t=N/（2 047×24 000）ms，电压值V=1/t×a-b，从而反算得到更加精确的待测电压值。测量分辨率 （按被测电压值为200 mV计）：N=1/200×2 047×24 000=245 640，计数器分辨率为±1，则此电路电压测量的最高分辨率为：±1/N×200=±0.000 81 mV。计数模块的电路结构如图2所示。

图2 计数模块电路结构Fig.2 Circuit structure of the counter module

3 地电仪测控软件结构

地电仪的测控软件系统由液晶显示、上电计数、A/D转换、数据处理、数据存储、数据导出等部分组成。在功能模块实现的过程中，使用了RS232的串口协议、串口接收中断等。

3.1 指令基础

测控软件系统的设计与实现建立在仪器的 CPU（PIC16F877A）的指令集基础上，PIC16F877A所应用的是PIC16F87X所提供的35个指令所组成的精简指令集。基本上这些指令的执行都可以在一个指令周期内完成，对于使用了特定速度的震荡时钟的单片机，一个指令周期的时间是已知的，那么在编写程序的过程中，我们便可以直接的估算出所编写程序代码需要多少时间来执行。对于地电仪这种有时间限制的程序流程，我们就可以对程序代码做比较精简的规划。

3.2 软件流程

程序的基本流程：上电后首先对相关寄存器及模块进行初始化设置，不断读取时钟信息进行显示及判断，当到达整点时，即分钟值为0时进行一次基本的测量过程，随后进行结果数据的处理，显示和存储。本次测量结束后继续显示时钟，等待下一次测量。在等待的过程中，可以接受中断设置，更改有关参数，或进行标定等特定流程。主程序流程图如图3所示。

3.2.1 主测量模块

测量时首先将OOM置1，打开测控电路的总开关，在进行适当延时后，分别对水平和垂直方向的两组电极重复进行3次供电测量。每次供电测量包括正向供电与撤电和反向供电与撤电各一次，在供电时记录下供电电压Vg、供电电流VI，撤电后记录自然电压Ve，从而可计算电阻率

这里的K为装置系数。进行正反两次供电是为了消除残留电流影响。将每个通道正反向的三组数据都进行保存，用于后面的数据处理。一次基本的测量过程的程序流程图如图4所示。

图3 主程序流程图Fig.3 The flow chart of main program

图4 基本测量过程程序流程图Fig.4 The flow chart of basic measurement process

3.2.2 计数处理模块

供电电压Vg与自然电压Ve是通过24位高速 （100 MHz）计数器记录下标准脉冲的个数N，再反算得到分辨率较高的电压值的。电压读取流程如图5所示。供电电流VI是采用单片机的AD转换模块转化得到的。单片机的第5引脚提供AD转换的基准正电压输入，AD转换器可以将输入的模拟电信号转化为10位二进制数0～1 023，从而可以算得供电电流的真实值。

3.2.3 中断处理模块

为了使测控电路的时钟走时准确，需要定期进行校正。时钟芯片DS1302的时间读取与时间设置，参数a、b、Fc等的不定期标定，及某些时刻的实时测量，都采用中断的方式来实现。中断的流程如图6所示。

在一次基本的测量过程中，所有的中断都是被屏蔽的，此时单片机不响应外界的中断请求，是为了保证测量过程的完整性。其余等待测量的时间，串口接收中断是开启的。按照我们自行约定的协议，上位机程序可向单片机发出如下中断：

图5 计数处理流程图Fig.5 The flow chart of count process

图6 中断分类Fig.6 Interrupt types

（1）时钟读取中断：PC机向串口发送一个字节9 A，单片机接收到后，判断该字节是否为9 A，若是，则向串口回复6字节的时间数据如2010年5月1日8时8分8秒为：100501080808

（2）时间设置中断：PC机向串口发送头字节8C+6字节时间数据+尾字节33，单片机接收到这串字节后，通过判断头尾字节得知6字节的时间数据，然后将其设置为当前时间。

（3）参数标定中断：PC机向串口发送一个字节BD，单片机判断到BD后即转入标定测量程序，此时PC机向串口发送一个字节BD，即可使单片机结束标定，回复到正常流程。

（4）即时测量中断：PC机向串口发送一个字节FC，单片机判断为FC后立即转入基本测量程序并进行数据的处理和保存。

4 地电仪数据处理软件

上位机软件采用VC编写，可与单片机进行通讯设置，从而实现单片机的参数设置，手动即时测量，原始测量数据导入及报表生成等。单片机每小时向上位机传送一组测量结果，上位机每天新建一个以日期命名的文本文档，以追加的方式接收单片机的数据。报表生成程序可以根据选定的某天的原始数据，生成该天小时值的报表。程序界面如图7所示。

图7 程序界面Fig.7 The program interface

5 技术特点

首先，改进了电压计量方式，采用高速器件测周法，用待测信号的2 047个周期作为标准脉冲的计数闸门时间，在此时间内用24位高速 (100 MHz)计数器记录下标准脉冲的个数N，从而反算得到更加精确的待测电压值。

测量电压电流的过程中，采用一正一负双向间隔供电方式，消除了单向残余电流的影响。并且采取了连测3组的方式，有效地消除了偶然误差。

在将测量结果向PC机传送的同时，将其按照日期存储于24C1024芯片上，最多可保存近一个月的原始数据，方便了数据丢失情况下的调取。

考虑到测量与控制方式的多样性，具有手动实时测量与自动定时测量两种方式。

上位机的报表生成程序采用科学的计算方式对原始数据进行评估与取舍，在河北省邢台柏舍大地电阻率的测量试验中，测量结果表现出良好的稳定性。

6 测量结果

我们在河北邢台柏舍地电台进行了现场地电阻率实验。测区内地形平坦，无明显高差，电极分布在农田里，地面有农作物耕作，地下水分布均匀，无大地下径流。测区电性结构导电性能较好，性能稳定；观测环境内无重大干扰源。本次试验为井下电阻率观测，在水平和垂直方向上采用对称四极布极方式布设电极，水平向每个电极埋深为100 m，电极之间间隔20 m，依次是供电极A、测量极M、测量极N、供电极B；垂直向电极埋深依次为20 m，40 m，60 m，80 m，从上到下依次为供电极B、测量极N、测量极M、供电极A。电极全部为筒状铅电极，电极引线为钢、铜丝绞合芯橡胶绝缘聚乙烯护套电缆。K1，K2分别为水平方向和垂直方向的装置系数，设水平向电极埋深为H0，则

计算结果K1，K2分别为250.63，251.33。

我们采用定时测量的方式记录了从2010年3月29日至2010年4月18日共21天的数据。表1为4月6日测得的24组小时值及均值和方差，表2为21天的日均值方差及总的均值和方差。

说明：每个小时值为3组正反向平均后的均值，电阻率每组正反向平均后与昨日的日均值进行比较，其差值大于昨日各小时方差平均值5倍者判定为超差，不参与小时值运算；各小时的电阻率值与昨日日均值比较，其差值大于昨日日均方差的5倍者判定为超差，不参与日均值的计算。

表1 2010年4月6日的实验结果Table 1 The experimental result on Apr 6th

从已有的观测结果来看，井下观测的信噪比高于地面观测，并且观测结果重复性较好。

7 结语

自主开发的地电仪测控软件采用模块化设计，增强了可维护性。并且充分考虑到了测量与控制方式的多样性，具有手动实时测量与自动定时测量两种方式，上位机软件采用中断的方式对其进行控制，并且具有自动调数，生成日报表等功能。具有操作方式灵活，智能程度高等特点。通过近一个月的实际测量实验，其测量结果的稳定性得到了验证。

下一步，将继续对其网络化控制进行深入的研究和开发。

表2 2010年3月29日至4月18日的实验结果Table 2 The experimental result from Mar 29 to Apr 18

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Abstract：Based on the chip named PIC16F877A,a PIC product of Microchip company,and the technical characteristic of the new-type earth resistivity apparatus(ATS-SR)that we proposed,we developed a software system that includes observing and controlling software and data process software.This paper systematically introduced the design theory and the program flow and analyzed its technical characteristics and advantages.The system exhibited prominent measuring stability in the examination at Baishe earth resistivity station.

Keywords：Earth resistivity;ATS-SR earth resistivity apparatus;Software

Development and Test of the ATS-SR Earth Resistivity Apparatus

YAN Xing,CHAI Jianyong
(Earthquake Administration of Guangdong Province,Guangzhou 510070,China)

P315.61

A

1001-8662（2010）04-0087-10

2010-04-20

严 兴，男，1981年生，助理工程师.主要从事地震前兆观测工作. E-mail:xyan_2004@163.com.