微型一体化井下电阻率探管的设计

2015-08-22宫琛

科技视界 2015年2期

宫琛

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232001）

0 引言

测井仪是在煤矿勘探和开发过程中进行测量、记录、分析井下岩层与地质或流体的物理特性，并对井下油气煤进行评价与检测的一种技术装置[1-2]。测井仪主要针对井下各种情况的参数进行探测。本文设计的井下电阻率探管，即对井下的矿井介质实现采集，传输，存储等功能。

传统的电阻率探管，由于体积较大、笨重、不便于携带等一些问题，导致在很多特殊地形无法测量，而且功能单一，仅采取数据，无法立即对数据进行分析，能耗高。本文提出了一种小型一体化电阻率探管，以STM32F103单片机为核心，内置32k到128k的闪存，速度快，性能强，外设多，实现了高性能、低成本、低功耗的目标。同时采用集成电路，整体电路符合本安电路设计要求，让系统更加小型化[3-4]。在数据传输方面采用了CAN总线数据传输方式，使得数据传输更加稳定，高效，快速。很好的减轻了工作负担，缩短了工作时间，同时降低了工作成本。

1 系统总体设计

该系统总体设计主要为硬件系统和软件系统组成。硬件系统框图如图1所示。软件系统由初始化模块、在线模式、离线模式、数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块组成。该电阻率探管的主要功能就是测量钻孔中岩石，矿石的电阻率。在测量电阻率时，要给岩层供入电流，并测量岩层在不同位置上因供入电流而产生的电位差，从而计算出视电阻率。同时通过CAN数据采集卡，与PC机相连。测量得到的数据，可以经过运算处理得到最终的测量结果，同时可以对结果进行存储与传输等处理。

2 系统硬件设计

电阻率探管整体由单片机控制模块、发射模块、接收模块、存储模块、通讯模块、电源模块构成。单片机控制模块用于对用户命令的响应并对采集到的多组数据进行算法上的处理，进行处理筛选符合条件的数据，提高数据的测量精度，同时对其他模块进行控制。发射模块实现了对测量信号的发射处理。接收模块用于对发射后的测量信号进行接收并通讯于存储模块。存储模块对控制模块处理筛选后的信号进行存储。通讯模块可以与含有CAN模块的设备或具有数据采集卡的PC通讯。电源模块向整个系统进行供电保证系统的正常运行。整体硬件电路参考了本安防爆规范：GB3836.4-2000。考虑到本安防爆对设备耗电流的规定，所以尽量选取了低功耗的芯片，使电阻率探管整体耗电量降低到10mA。

2.1 单片机控制模块

核心芯片采用了100针引脚基于cortex-M3处理内核的新一代ARM芯片STM32F103。该芯片自带了CAN通讯模块，只需外接CAN收发器即可实现CAN总线通讯，简化了电路设计，缩小了电路板体积，具有优异的实时性能与杰出的功耗控制，最大限度的控制了该测井仪的能耗。在最大程度的集成整合的基础上缩小了产品的体积，从而使得仪器轻便易携带。其丰富的IO口及各种外设资源更多是能够满足各种嵌入式控制领域的需求。考虑到性价比我们选用这款芯片。

2.2 发射模块

在常规直流电法勘探中，仅存在2个回路，其中一个为供电回路（称为AB回路），另一个为测量回路（称为MN回路）。ABMN在空间上组成某一种测量装置。测量电阻率只需精确测量MN两端的电压与AB回路中的电流，并将所测参数进行转换即可。

2.3 接收模块

采集部分主要分为采集前置电路与AD采样部分。由于地电信号非常的微弱，故而必须将其放大同时对噪声进行处理滤波，减少干扰，因此需要采集前置电路部分，它主要由四个部分组成，分别是：低通滤波部分、仪表放大器部分，差分放大部分和跟随器部分。为了避免周边环境例如雷电等产生的高频干扰，需要在最前端添加低通滤波电路。之后为了降低信号的共模干扰同时对信号进行增益放大接入由两个运放TLV2402组成的仪表放大器电路。再此后将双端输入信号通过一个差分放大电路，更好的抑制共模比，进一步增益信号，同时转换成单端信号给跟随器，通过跟随器提升输入阻抗。

2.4 存储模块

用SD卡进行存储,考虑到成本没有采用文件管理芯片,而是采用了软件的方式通过STM32F103直接操控SD卡的读写,同时通过移植FATFS文件管理系统实现对SD卡文件的管理。

2.5 通讯模块

由于采集节点在矿井下，故向下通讯必须考虑到矿井下通讯的特殊性：距离远、干扰大、充满易爆气体、潮湿等。综合以上因素，选择了CAN总线来实现向下通信。CAN总线具有传输距离远抗干扰能力强的特点，满足矿井内使用的要求。同时核心芯片STM32F103自带的CAN模块，仅需要在外面集成一个收发器即可完成。

3 系统软件设计

在硬件电路的基础上，需要对芯片STM32F103进行软件程序的编写，使得电阻率探管按照指定的方式工作，完成对数据的采集、初步处理以及对数据的传输等功能。软件系统分为数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块。并可分为在线模式与离线模式。

具体主程序流程图如图2所示，程序首先进行初始化，设置芯片STM32F103内部各个工作寄存器的内容，以及其他电路的初始状态。其中初始化主要包括单片机、SPI、CAN总线、CH376、串口以及时钟初始化。

电阻率探管通过向测试介质中供入方波，测量方波的电流（AB）和电压（MN），以获得介质的视电阻率和视极化率。电阻率探管离线或在线启动探管后，进入发射、采样和计算数据以及数据传输。对AB回路发射双极性电流脉冲要求：脉冲类型固定：双极性脉冲。脉冲宽度固定：占空比1:1，脉宽500ms，每次发射时长共2500ms。