（地球探测与信息技术专业论文）电法虚拟仪器及应用初步研究.pdf

摘要 虚拟仪器是计算机技术在仪器仪表领域的应用所形成的种新型 的、富有生命力的仪器种类，它是计算机硬件资源、仪器测控硬件和 用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件之问的有效结合。电 法虚拟仪器充分利用虚拟仪器的特点，把计算机强大的计算、处理和 图形能力与仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，做到了方便、快 捷的进行一系列的电法工作。 本文论述了电法虚拟仪器的构成及应用到电法观测系统的初步研 究。首先从硬件平台和软件平台两方面论述了电法虚拟仪器构成的原 理和方法；接着介绍了虚拟仪器模拟电法观测系统；最后从模型实验 和野外应用两方面验证了电法虚拟仪器的工作效果。 电法虚拟仪器的硬件平台介绍了构成基本硬件环境的各独立硬件 单元。根据需要添加相应的硬件单元，将各硬件单元软件化，由此构 成虚拟仪器的硬件环境的基础。 利用m i c r o s o rc 6 0 所提供的程序员工作平台( p 、b ) 进行程序 设计来构成虚拟仪器的软件平台。利用该软件平台，可以软件化硬件 单元，可以完成多个应用工作软件的数据采集，实现快速傅立叶变换， 对数据进行必要的整理和处理，并实时显示采集数据和曲线。虚拟仪 器在本软件平台的控制下，可以获得多个虚拟仪器模拟观测系统和相 应的工作程序。 本文根据电法虚拟仪器的硬件平台和软件平台，完成了虚拟仪器 多个不同模拟电法观测系统的编制工作。电法虚拟仪器可构建出激电 法、电阻率法、自然电场法和瞬变电磁法等多种电法的模拟观测系统。 模型实验和野外应用的实例，表明电法虚拟仪器具有良好的应用 效果。 关键词电法虚拟仪器，硬件平台，软件平台，模拟观测系统 a b s t r a c t v i r t u a l i n s t n l n l e n t ( v i ) i s ak i n do fn e 、v s t y l e di n s t m m e n tw h i c h f b m e di nm e c o m p u t e r 印p l i c a t i o n o fi n s 廿u m e n t sa n da p p e a r a l l c e s i ti s t h es o u n d l m e f a t i o n o f c o m p u t e r h a r d w a r er e s o u r c e 、i n s 协】h l e n t m e a s u r i n g 锄d c o n 廿o l l i n gt e c b l l o l o g y 、m es o 脚a r er e l a t e dd a t a a 1 1 a j y z i n 卧p r o c e s sc o m m n i c a t i o n a n d g r 印h i c a l u s e ri n t 刚沁e e l e c t r i c a l r c u a li n s t m m e n t ( e v i ) m a k e sm nu s eo fm ec h a r a c t e r so f ，h a l l g i n g t o g e m e r t 1 1 e p o w e r f u lc a l c u l a t i n g 、鲈a p hp r o c e s s i n gc a p a b i l i 够o f e o m p u t e f a n d 娃l e m e a s u r i n g a n d c t r o 氆n ga b i l i t yo f 出e h a r d w a f e w i t h t h ee v i ，as e r i a lo fe l e c t r i c a lw o r kc a nb e 丘n i s h e dc o n v e n i e n t l ya n d q u i c h y t h ep r i m a 巧r e s e a r c hf o rm ec o n s t i t u t i o no ft h ee v ia n di t s a p p l i c a t i o na r ed i s s e r t a t e di nm ep a p e r f i r s t l y ，也ep r m c i p l ea n dm e m o d o f c o n s 协l c t i n g 也e h 幽a r e p l a t f b r m a i l ds o m v a r e p l a t f o r m a r e d i s c u s s e d ；s e c o n d l y ，m es i m u l a t e de i e c 仕i c a lo b s e r v a t i o ns y s t e m so fm e v ia r en a r r a t e d ；l a s t ，t l l ee 矗b c to fe a r et e s t i f i e df r o mb o mt 1 1 em o d e l e x p e r i m e n t s a 1 1 df i e l dw o r k t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo f 日1 ee i n c l u d e sl o t so fi n d 印e n d e n t h a r d w a r eu 1 1 i t s a c c o r d i n gt ot l l en e e do fw o r k ，a d d i n gt h eu n i t s 姐d s o f t e n 山e s eh a r d w a r eu n i t s t l l eh a r d w a r ee n v i r o m n e n to ft 1 1 ee v i i s f 0 珊e d t h e s o 胁a r ep l a t f o r mi sf o u n d e do nt h ep r o g r a m m e r sw 0 r k b e n c h ( p w b ) o fm i c r 0 3 0 f tc 6 o u n d e rt 圭1 ec o r l 仃o lo ft 1 1 es o f h v a r e p l a t f o r m ， m ed a t a a c q u i s i t i o n a i l d p r o c e s s i n g o f m a i l ya p p l i c a t i o n s o r w a r ec a l lb ea c c o m p l i s h e d ，d i ；p l a y i n gt 1 1 ed a t aa n dc u r v er e a lt i m e m a k e s 血ef i e l dw o r km o r ec o n v e n i e m t r a 工l s f e r r i n g m ed i 仃e r e n tu n i t so ft l eh a r d w a r e p l a t l 、0 h n a i l d c o r r e s p o n d i i 冯s u b m o d u l eo fm es o r w a r ep l a t f o m ，m a n ys i m u l a t e d g e o p h y s i c so b s e n ，a t i o ns y s t e m s a r ee s t a b l i s h e d m o d e l e x p e r i m e n t sa n d f l e l dw o r l ( sp o i mo mt h a tm ee v ih a sg o o d r e s u l t i i l 缱o r d se l e c t r i c a l n u a l i n s 咖m e n t ( e v i ) ，h a r d w a r ep l a t f o h n ， s o r w a r e p l a t f o m ，s i m u l a t e do b s e n r a t i o ns y s t e m i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得中南大学或其他单位的学 位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文 中作了明确说明。 作者签名：至壁垒日期：竺年二月j 生日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位 论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部 门规定送交学位论文。 作者签名：雄导师签名：l 遮丛日期：4 年三月望日 中南大学硕士学位论文电法虚拟仪器及应用初步研究 第一章绪论 1 1 虚拟仪器概述 1 1 1 虚拟仪器概念及其特点 虚拟仪器f v i m a ji n s 扛u m e n t ) 是计算机技术在仪器仪表领域的应用所形成的 种新型的、富有生命力的仪器种类，它是计算机硬件资源、仪器测控硬件和用于 数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件之间的有效结合【”。虚拟仪器不是虚 构的仪器，而是一种实在的仪器。一般来说，虚拟仪器包括虚拟仪器硬件和虚拟 仪器软件两大部分。虚拟仪器软件部分将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合 为一体，把计算机强大的计算、处理和图形能力与仪器硬件的测量、控制能力结 合在一起。 与传统仪器相比，虚拟仪器的特点在于 2 】= ( 1 ) 打破了传统仪器的“万能”功能概念，充分利用计算机技术； e 2 ) 强调“软件就是仪器”的新概念，软件在某种程度上可以完成传统仪器 不可能实现的硬件测试功能； ( 3 ) 减少了随时间漂移、需定期校准的分立式硬件，加上标准化总线的使用， 使系统的测量精度、速度和可重复性等大为提高； ( 4 ) 仪器或系统的功能、规模由用户自己定义，加上虚拟仪器的开放性和功 能软件的模块化，组建系统变得更加灵活、简单。虚拟仪器是建立在当今世界最 新的计算机和数据采集技术基础上的，技术更新较快。 表1 1 1 给出了传统仪器与虚拟仪器的不同之处。 表1 - 1 1 传统仪器与虚拟仪器比较 传统仪器虚拟仪器 仪器厂商定义用户自己定义 硬件是关键软件是关键 仪器功能、规模固定系统功能、规模可通过软件修改、增减 封闭的系统与其他设备连接受限 基于计算机的开放系统，可方便地同外设、 网络及其它应用连接 价格较贵 价格较低，可重复利用 技术更新慢技术更新快 开发和维护费用高软件结构大大节省开发和维护费用 中南大学硕士学位论文电法虚拟仪器及应用初步研究 1 1 2 虚拟仪器系统构成与软件设计技术 1 ) 虚拟仪器系统构成 虚拟仪器不强调每一个仪器功能模块就是一台仪器，而是强调选配一个或几 个带共性的基本仪器硬件来组成一个通用硬件平台，通过调用不同的软件来扩展 或组成各种功能的仪器或系统。 从构成要素讲，虚拟仪器系统是由计算机，应用软件和仪器硬件组成的。从 构成方式讲，则由以d a q ( d a t aa c q u i s m o n ) 板和信号调理部分为硬件来组成的 p c d a q 测试系统，以g p i b ( g e n e r a lp u i p o s ei n t e m c e ) ，v x i ( v m e b u s e x i e l l s i o n s f o r i n s t m m e m a t i o n ) ，串行总线、并行总线和现场总线等标准总线仪器为硬件方 式组成的g p i b 系统、v x i 系统、串行总线系统、并行总线系统和现场总线系 统等来构成虚拟仪器系鲥。 对于并行总线系统，由于采用外部通用接口的虚拟仪器硬件部件在微机外部 与计算机相联，因此电磁兼容特性良好。特别是增强并行接口e p p ，技术的复杂 性和成本都不会太高，是构建通用自动测试系统的一种良好选择搠。本系统就是 采用并行接口进行仪器与笔记本电脑的通信连接。 虚拟仪器系统构成如图1 1 1 所示： 叫信号调理 i + i 数据采集卡卜+ l 叫g r - b 接口仪器i - g r e 接口卡 i 测 - i 申行口，并行口仪器 i l a b v i e w 控 对 - v x i 总线仪器 i - v c + + 象其它软件 开发平台 - i现场总线设备1r 目 j。j 甘士u - n 嵇抖 1 7 。共匕计鼻矾馊仟 图1 1 1 虚拟仪器系统构成基本框图 2 ) 虚拟仪器软件设计的特征 基本硬件确定之后，要使虚拟仪器能按用户要求自行定义，必须有功能强大 的应用软件。虚拟仪器的应用软件由用户编制，可采用各种编程软件，如c 、 b a s i c ，可视化编程语言环境v i s u a lc + + 、s u a lb a s i c 等，其中基于图形的用户 接口和开发环境是软件工作中最流行的发展趋势，为简化计算机的编程迈出了可 2 中南大学硕士学位论文电法虚拟仪器及应用初步研究 喜的一步。软件的可重用性在虚拟仪器的设计中起着重要作用。 近年来，基于p c 枫和工作站基础上的图形接口标准及计算机计算能力的提 高，促进了图形开发软件包和图形开发环境的迅速普及，图形开发方式为每一个 虚拟仪器提供了可重用的代码模块，并允许用户从其它代码模块中分级调用。这 些重用部分是封装良好的、原始性的程序代码，理想情况下，重用部分应与硬件 i c 一样，可以不经过修改而被直接“插接”到其它程序中去。在虚拟仪器图形 软件开发平台研究方面，典型的产品是美国国家仪器公司( n i ) 的l a b v i e w 。 l a b v i e w ( l a b o r a t o r y r n j a l i n s 订u m e n t e n 百n e e r i n g ) 是一种图形化的编程开 发平台，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据 采集和仪器控制软件【5 ol a b v i e w 集成了与满足g p i b 、v x i 、r s 2 3 2 和r s 。4 8 5 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用t c p 佃、a c t i v e x 等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立 自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。 图形化的程序语言，又称为“g ”语言。使用这种语言编程时，基本上不写 程序代码，取而代之的是流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所 熟悉的术语、图标和概念，因此，l a b v i e w 是一个面向最终用户的工具。它可 以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系 统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大 提高工作效率。 利用l a b v i e w ，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的3 2 位编译 器。像许多重要的软件一样，l a b v i e w 提供了狮n d o w s 、u n 、l i n u x 、m a c i n t o s h 的多种版本。 由于时间关系，在本系统中虚拟仪器的应用软件用c 语言加上嵌入式汇编 语言编写，实现了虚拟仪器的测量和控制等功能，软件的具体组成和分析见第三 奎。 1 1 3 虚拟仪器的发展现状和应用 虚拟仪器技术经过十几年的发展，而今正沿着总线与驱动程序标准化、硬 软件模块化、编程平台的图形化和硬件模块的即插即用方向进步。以开放式模块 化仪器标准为基础的虚拟仪器标准正日趋完善，建立在虚拟仪器技术上的各种先 进仪器将会层出不穷【6 l 。 虚拟仪器技术在发达国家的推广应用十分普及，在电子测量领域、过程控制 领域，以及与人们的生活息息相关的许多其他领域，如电信、医学等方面。在国 内，近年来也开始有了利用虚拟仪器实现检测、控制等功能的例子： 中南大学硕士学位论文电法虚拟仪器及应用初步研究 虚拟仪器系统开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展，将之应用在测量 方面可以提高精确度，降低成本，并大大节省用户的开发时间，因此已经在测量 领域得到广泛的应用。美国的维吉尼亚州技术公司应用虚拟仪器技术开发了一种 光学测微计，用来测量m e m s 设备中硅晶片的厚度，分辨率可达到微米级。他 们的目标是使用现成的数据采集、图像处理等方面的工具来开发系统，以减少开 发时间和提高市场效益。该系统使用数据采集板输出模拟和数字信号来控制激光 器的开关，用图像采集板从c c d 摄像机获得晶片的图像，而p cs t e p4 c x 插入 板则用来控制x y 坐标。同时，l a b v i e w 能很快的产生用户图形接口，用于显 示、分析和控制。 由于虚拟仪器具有灵活的图形用户接口，强大的检测功能，同时又能与g p i b 和v x i 仪器兼容，因此很多工程师和研究人员都把它用于电信检测和场测试方 面。美国西雅图的a e i 音乐广播站的工程师使用虚拟仪器系统进行信号传播控 制，以保证音频信号在传送过程中保持高质量。该系统包括n i 公司的l a b v i e w 软件和数据采集板以及g p m 等硬件，可对该广播站天2 4 小时的音乐广播节 目进行监控，以使全美国的听众能收听到音色最佳的音乐。 现在，随着虚拟仪器系统的广泛应用，越来越多的教学部门也开始用它来建 立教学系统，不仅大大节省开支，而且由于虚拟仪器系统具有灵活、可重用性强 等优点，使得教学方法也更加灵活了。要想建立一个教学仪器系统，而又不花太 多的钱，可以利用l a b v i e w 建造一个计算机控制的虚拟仪器系统，这样就不必 购买昂贵的仪器设备，从而节省开支。 虚拟仪器系统已成为仪器领域的个基本方法，是技术进步的必然结果。今 天，它的应用已遍及各行各业。使用虚拟仪器进行研究、设计、测试，用户可缩 短系统的开发时间，节省开支。虚拟仪器还在其他很多领域包括航空、汽车、生 物医学等方面得到广泛应用。从交通监控系统到大学实验室，从部件自动测试到 工业过程控制，虚拟仪器应用的例子不胜枚举。相信未来，虚拟仪器将得到更多 的发展，应用范围也将越来越广。 1 2 电法虚拟仪器概述及论文研究内容 1 2 1 电法虚拟仪器概述 电法虚拟仪器是指应用到物探电法工作中的一种虚拟仪器，它同样包括硬 件部分和软件部分。电法虚拟仪器硬件部分由于专业性，有其特定的范围；软件 部分也是根据电法工作的特点而编制的。电法虚拟仪器实行硬件平台的单元化、 硬件单元的软件化和软件平台的模块化，提供了一个模拟电法观测系统的环境， 利用此环境可以构建出应用到电法勘探中的多个模拟观测系统，做到灵活、快捷、 中南大学硕 学位论文电法虚拟仪器及应用初步研究 经济的完成一系列的电法工作。 122 论文研究的主要内容 本文论述了电法虚拟仪器的构成及应用到电法观测系统的初步研究。在前人 工作的基础上【7 】 8 1 ，对电法仪器精密相干检测观测系统进行了完善、改进和功能 虚拟化扩充，实现了硬件平台的单元化、硬件单元的软件化和软件平台的模块化。 进而构建出多个模拟电法观测系统。 第二章介绍了构成电法虚拟仪器的基本硬件环境的各独立硬件单元。根据需 要添加相应的硬件单元，将各硬件单元软件化，由此构成虚拟仪器的硬件环境的 基础。 第三章详细论述了电法虚拟仪器软件平台的结构、组成及各功能子模块的作 用及实现方法。利用m i c r o s o f ic 6 0 所提供的程序员工作平台( p w b ) 进行程序 设计来构成虚拟仪器的软件平台。利用该软件平台，可以软件化硬件单元，可以 完成多个应用软件的数据采集，实现快速傅立叶变换，对数据进行必要的整理和 处理，并实时显示采集数据和曲线。虚拟仪器在本软件平台的控制下，可以获得 多个虚拟仪器模拟观测系统和相应的工作程序。 第四章根据前两章介绍的硬件平台和软件平台，完成了虚拟仪器多个不同模 拟电法观测系统的编制工作。电法虚拟仪器可构建出激电法、电阻率法、自然电 场法和瞬变电磁法等多种电法的模拟观测系统。 第五章给出了模型实验和野外应用的实例，指出电法虚拟仪器具有良好的应 用效果。 第六章是论文的最后一章，它总结了整个论文工作，并指出进一步研究探索 的方向。 中南大学硕士学位论文电法虚拟仪器及应用初步研究 第二章电法虚拟仪器的硬件平台 2 1 电法虚拟仪器硬件单元 电法虚拟仪器的硬件平台设计了一系列的基本硬件单元，还可以根据需要添 加相应的硬件单元。各独立单元用软件函数描述，定义各控制口、状态口和数据 口的输入输出，即将硬件单元软件化( 软件化过程将在下一章讲述) ，为虚拟仪 器的多功能设计奠定了硬件基础。本硬件平台利用了前人的工作基础【7 1 【9 1 ，限于 篇幅，具体电路图没有绘出。 2 1 1 模拟通道部分 模拟通道部分是指从前置放大器一直到a ，d 转换器这部分，这一部分与模 拟信号相关，所以叫模拟通道部分。它由下面九个独立的基本硬件单元组成： 1 ) 测量道设置单元 测量道转换器是用来控制多通道的选择的，是一个开关控制。它可以在n 个 信号输入通道中选通任何一个通道，或者按顺序将n 个通道全部选通。工作示意 图如图2 1 。l 所示。软件化函数为s o 艇h a r u l e h ，。 图2 1 1 测量道设置单元工作示意图 2 ) 前置放大单元 前置放大器是一个高阻抗、高共模抑制比的测量放大电路删，用于初步放大 从测量道输入的原始信号。该单元的软件化函数为s o 船r t m a g ( ) 。 3 ) 调零电路单元 调零电路由一个d a 转换器和一个加法器组成，用于调整前置放大器的零 点偏差，提高测量精度。该单元的软件化函数为s o f t z e r o ( ) 。 4 ) 5 0 h z 陷波单元 5 0 h z 陷波单元为一个双t 带阻滤波器( 有源r c 滤波器) i l l 】。其陷波点为 中南大学硕士学位论文电法虚拟仪器及应用初步研究 5 0 h z ，主要是为了抑制工频干扰，该陷波器可调整q 值而不影响陷波点，其q 值 大约在0 3 5 0 之间可调。该单元的软件化函数为s o 氐w a v t r p ( ) 。 5 ) 滤波器单兀 滤波器单元包括去高通滤波器、低通滤波器和带通滤波器1 2 3 1 ，示意图见图 2 ，1 2 ，当开关控制1 断开、开关控制2 合上时，由高通滤波器和低通滤波器组成 带通滤波器；当开关控制1 合上、开关控制2 断开分别为高通滤波器和低通滤波 器输出。虚拟仪器硬件平台有多组带通滤波器，通过开关控制，在工作中调用不 同的带通频率，见图2 1 3 。该单元的软件化函数为s o f i f i l t e r ( ) 。 图2 1 ，2高、低通滤波器及带通滤波器示意图 图2 1 3 带通滤波器选择示意图 6 ) 自动校验单元 为了校正测量时所带来的系统误差，我们设计了自动校验电路，在程序的控 制下，可以按顺序控制不同的标准电阻，从而得到1 r i l v 1 0 2 4 r n v 的标准信号用于 不同增益的校验，示意图见图2 1 4 。该单元的软件化函数为s o 佼v e r i 黟( ) 。 图2 1 4 自动校验单元示意图 7 中南大学硕士学位论文电法虚拟仪器及应用初步研究 7 ) 主放大器单元 这是一个由程序控制的增益在2 0 2 1 0 之间以2 的倍数可调的两级放大器【1 3 】， 每级的放大倍数在2 0 2 5 之间可调，在程序的控制下，前后两级主放大器可以组 合出2 0 2 ”之间任意以2 为基的放大倍数。程序以优化的方式对前后主放进行 组合，以保证前后级增益基本均衡的基础上，使前级增益大于后级增益，这样可 使信号基本处在较高的信噪比条件下，有助于提高放大器的整体性能。示意图见 图2 1 5 。该单元的软件化函数为s o r m a i n m a g ( ) 。 詈二 孚b 五 丽面1l 1 一目增益控 ；，i 一制开关 + 堑! 望篓i 一查，叫! 图2 1 5 主放大器单元示意图 8 ) a d 转换器单元 a d 转换器是将采集到的模拟信号转换成为数字信号以便输入到计算机 进行处理的重要器件。在本硬件平台中所采用的川d 转换器是a d c l 2 1 0 【1 4 】，它 是低功耗、中速、1 2 位逐次逼近模数转换器 1 5 】，其框图如图2 1 6 所示。该转 换器结构完整，工作时只需外加基准电压及时钟。 出 图2 1 6 逐次逼近a d 转换器原理框图 在d 转换器单元，设计了采样保持电路i 拍l ，当采样速率要求很高时，可以 通过开关控制来调用采样保持电路；当采样速率要求不高时无须调用。图2 1 7 是多通道信号采集a d 转换示意图。该单元的软件化函数为s o r a d f ) 。 8 中南人学硕士学位论文电法虚拟仪器及应用初步研究 图2 1 7 多通道信号采集a d 转换示意图 9 ) d s p 单元 数字信号处理( d 饵t a ls 培n a lp r o c e s s 血g ) 单元用于快速、灵活的数据处理。 该单元的软件化函数为s o 如s p ( ) 。 2 1 2 接口电路单元 笔记本电脑是通过接口单元对虚拟仪器接收系统进行控制的，在第一章绪论 中讲过，信号可以经过g p l b 、v x i 、串行总线、弗行总线或现场总线| _ ”j 等标准 总线传送给虚拟仪器系统。 电法虚拟仪器接口单元目前只设计采用标准并行打印口接口，通过可编程器 件8 2 5 5 1 1 4 连接标准并行打印口1 1 8 】。也可以考虑设计采用其他接口形式，如 r s 2 3 2 ，u s b 接口等。通过接口单元把模拟通道采集的信号传送到笔记本电脑 中去。它们之间的关系如图2 1 8 所示。该单元的软件化函数为s o m n t f a c e ( ) 。 图2 1 8 接口单元示意图 21 3 同步单元 为了保证电法虚拟仪器的测量精度，使发送系统发送的信号和接收系统接收 的信号保持同步就显得十分重要【1 4 】。信号的同步检测有多种选择方式【2 0 】，我们 可以通过开关选择合适的同步方式，示意图见图2 1 9 。在电法虚拟仪器中暂时 只设计了无线电同步方式和光缆传输同步方式。该单元的软件化函数为 s o r s y n ( ) 。 中南大学硕士学位论文电法虚拟仪器及应用初步研究 图2 1 9 同步方式选择示意图 2 2 本章小结 本章的硬件平台介绍了构成基本硬件环境的各独立硬件单元，其中的接口电 路单元通过标准并行打印口和计算机进行通讯。根据需要添加相应的硬件单元， 将各硬件单元软件化，由此构成电法虚拟仪器的硬件环境的基础。 0 中南大学硕士学位论文电法虚拟仪器及应用初步研究 第三章电法虚拟仪器的软件平台 电法虚拟仪器软件平台可以在w i n d o w s 或d o s 环境下建立，穆建宏曾编 译了w i n d o w s 环境下的工作程序1 9 】，王文等编译了d o s 环境下的工作程序n 为了更好的利用他们的工作基础，本文建立了w m d o w s 9 8 的d o s 系统界面的 虚拟仪器软件平台。利用该软件平台，可以获得多个虚拟仪器模拟观测系统和相 应的工作程序。 d 0 s 系统是世界上应用最为广泛且成熟的微机操作系统之一 2 “，对于功能 并不复杂、操作要求简单的系统最好采用在d 0 s 系统下面进行设计。因此虚拟 仪器的控制软件是考虑在m s d o s 下，用m i c r o s o f lc6 萨2 】吲以及嵌入式汇编语 言编写的，软件使用国际流行的下拉式菜单及弹出式窗口的优良用户界厩，尽量 使用选单操作，减少用户的输入，简化操作。整套软件严格遵循模块化程序设计 规则，严格控制数据流，使得软件系统层次结构严谨清晰，更新及扩充功能模块 极为简单、方便而且易于进行维护。 计算机通过调用各个独立的软件模块来控制相应的软件化硬件单元，可以组 成各种不同的应用软件，以完成各自特定的工作任务。这就是虚拟仪器的最大优 点。 3 1m ic r o s o f tc 6 0 及p w b 在系统软件中的应用 m i c r o s o rc 6 ，0 专用开发系统( t h em i c r o s o f tc p r o f e s s i o n a 【d e v e l o p m e n t s y s t e m ) 是一个目的在于提高d o s 和o s 2 编程效率的工具集合1 2 2 】，此系统提供 了： 1 能够进行扩展的定做编辑器。 2 优化、快速编译器。 3 智能连接器。 4 。工程定位的m a k e 实用程序。 5 源级浏览器( b r o w s e r ) 。 6 完整的在线帮助系统。 7 源级、窗口定位的跟踪调试器。 程序员工作平台p w b ( t h ep m g r a i l l m e r sw j r kb c n c h ) 1 2 4 】将这些工具合成 一个集成环境，在此环境下，可以进行编辑、编译、连接和调试程序。利用p w b 平台完成虚拟仪器模拟电法观测系统环境的形成工作，而且完成单个模拟观测 系统的软件编译，形成工作执行程序。 高度集成化是区分p 、b 和其他开发系统的一个特征，表现在建立于窗口和 鼠标基础上的开发环境。大部分操作都可在菜单选择或通过简单的键盘命令进 1 1 中南大学硕士学位论文电法虚拟仪器及应用初步研究 行。无须离开p w b 就可以编译、建立、跟踪和运行个程序。p w b 是围绕着 m i c r o s o f 【编辑器建立起来的，可以很容易的配置以满足用户的需要。 3 2 软件模块功能分析 软件采用模块化设计，各个模块自成体，其调用与否不受其它模块的影响， 为虚拟仪器的多功能设计奠定了软件基础。本平台包括6 个基本软件模块： 1 ) 硬件单元软件化模块； 2 ) 模拟流程模块 3 ) 通讯模块； 4 ) 控制模块集； 5 ) 数据采集处理模块： 6 ) 图形输出模块。 其中，控制模块集是所有直接控制软件化硬件的功能模块的集合，是高级控 制及采集功能的基础。它包括： 1 通道选择控制模块； 2 频率选择控制模块； 3 接地电阻检测模块； 4 阻抗变换校正模块； 5 相位校正模块； 6 复位控制模块； 7 时钟传送方式选择控制模块； 8 ，交、直流选择控制模块； 9 增益控制模块； 1 0 零点调节模块； 1 1 校验模块； 1 2 a d 转换模块。 所有控制模块遵循状态变量公有( 定义为全局变量) 、模块自身控制变量私 有( 定义为局部变量) 的原则 4 0 】。这样，虚拟仪器的状态对整个控制过程而畜是 透明的，能随时访问和测知虚拟仪器的各种状态量，而模块本身是封闭的，其控 制变量不对外部模块公开，即外部模块不能访问和改变其内部变量，这个原则能 保证备模块间数据流清晰、简单，提高了程序的可维护性。 3 2 1硬件单元软件化模块 在第二章，电法虚拟仪器的硬件平台设计了一系列的硬件单元。该模块将第 二章所讲的各独立单元用软件函数描述，定义各控制口、状态口和数据口的输入 输出，即将硬件单元软件化，也可以说是为硬件单元写驱动程序，使调用硬件单 中南大学硕士学位论文电法虚拟仪器及应削初步研究 元时只需调用它的软件化函数( 驱动程序) ，各硬件单元的软件化函数为：测量 道设置单元s o 解h a m e l ( ) 、前置放大单元s o 删a g ( ) 、调零电路单元 s o 娩e r o ( ) 、5 0 h z 陷波单元s o f l w a v r i 印( ) 、滤波器单元s o 衄i l t e r ( ) 、主放大器单 元s o 怂d a i n m a g ( ) 、自动校验单元s o f t v e r i 母( ) 、a d 转换单元s o 从d ( ) 、d s p 单元s 啦d s p ( ) 、接口单元s o m n t f a c e ( ) 、同步单元s o f t s y n ( ) 等。下面两个函数 分别是a d 转换单元的软件化函数和调零电路单元的软件化函数： i n ts o 姒d ( ) u n s i g n e di n td a t a b u f a d d l ，d 咖b u f a d d 2 ； u n s i g n e di n ta d c v a l l o w ，a d c h j g h ，a d c v a l ； d a t a b u f a d d l = 一8 2 5 5 1 】p a a d d ； d a t a b u f a d d 2 _ 8 2 5 5 【l 】p c a d d ； a d c h i 曲= d a t 8 t r a n x i n ( d a t a b u f a d d 2 ) ； a d c h i g h = d a t a 广r a n x i n ( d a t a b u f a d d 2 ) a d c v a i l o w = d a t a l r a n x i n ( d a t a b u a d d l ) ； a d c n a l l o w = d a t a t f a n x i n ( d a t a b u f a d d l ) ； a d c h 蟾h = 0 x m ； a d c h i g h ( _ = 4 ； a d c v a l 芝a d c v a l l o w + a d c h i g h ； a d c v a l & = 0 x o 腻 f e t u ma d c v a l ： s o f 【z e r o ( i n td a t a ) u n s i g n e di n td a t a b u f a d d ，p c a d d ，p c 诎，o l d p a ：v 砒u e ； c h a r t m p ； s t a t i ci n td a c v u u e ： 试d a t a ( 0 ) r e t u m d a c v a l u e o l d p 、，a l u e = 一8 2 5 5 嘲p 觚出； d a c v h i u e = d a t a ； 中南大学硕士学位论文电法虚拟仪器及应用初步研究 p c a d d = 一8 2 5 5 o 】p c a d d ； - 8 2 5 5 0 】p c v a lp o x 0 2 ； p c v a l - 一8 2 5 5 o 】p c v a l 0 x o e d a t a b u f a d d = 一8 2 5 5 o p a a d d ； d a l a + 妒1 一妒2 】+( 4 1 2 ) 二 妻q e ，【c o s ( 2 o + 1 十卯2 + 妒l + 9 2 1 z 可见p s d 的输出受偏差频率的影响。 为了消除频差的影响，常采用锁相技术将待测信号的频率和相位锁定。例 如通过锁相环使待测信号跟踪参考信号，实现相敏检波。但是这种方法有一定的 应用条件，当干扰信号较为严重时，锁相效果就会很差；而当待测信号的波形较 为复杂时就难于采用锁相技术甚至无法采用锁相技术，不能实现相敏检波。这就 是常用相干检测法的缺点。 2 ) 精密相干检测法 为了克服常用相干检测法的缺点，在图4 1 1 的基础上设置一个标准时钟 使输入信号与参考信号都以此标准时钟定时，则可消除偏差频率对信号的影响 如图4 1 2 所示。 图4 ，1 ，2精密相敏检波原理图 此时输入信号= 气c o s 0 ，+ 吼) ，= c o s b 。f + p ：) p s d 的输出k k = 气8 ，c o s o o h 妒1 ) c o s o o f + 妒2 ) = 寺气c o s 晒】一妒2 ) + 寺p ，c o s ( 2 o + 妒i + 妒2 ) ( 4 1 3 ) 对于4 1 3 式中的甲2 可设定为o ，参考信号振幅值e ，可设为1 ，和频项被低通滤 波器或相应的数字滤波器滤去，则p s d 的输出为： 11 珞= p ，g ，c o s 仍= p ，c o s p l ( 4 1 4 ) 上 4 1 4 式正是被测信号的振幅和相位差。此方案不用锁相环，待测信号的频率和 相位与参考信号的频率和相位可被糟确锁定，从而精确检测出待测信号的振幅值 和相位差。因此，按此方案检测的结果称为精密相干检测结果，也可将此方案称 为精密相干检测法或共时钟精密相干检测法。若按此方案对信号做正交测量，则 中南大学硕士学位论文电法虚拟仪器及应用初步研究 可获得精密相干检测的信号的两个正交分量。事实上，如果设4 1 1 式中的蛾和 国，为噪声的频宽，则在精密相干检测法中已不存在q 和：两项，相当于噪 声带宽为零，噪声被抑制殆尽，或者说等效噪声带宽被压缩接近于零，大大提高 了抗干扰能力，使观测结果的精度明显提高，这样就提高了系统的灵敏度，可靠 地观测到地下深部信息，达到高分辨率探测深部目标体的目的。 精密相干检测法采用了精心设计的精密相敏检波器和数据精确相干叠加技 术及梳状滤波技术，可高精度检测出微弱复合波信号中各主要谐波的振幅和相 位。图4 1 t 3 为精密相干检测法原理图。 v 图4 1 3 精密相干检测法原理图 v 。 在图4 1 3 中，时针锁定每一个工作单元。复合波信号v i 进入相干叠加器进 行精确叠加后获得高信噪比信号进入梳状滤波器，进步滤除非主频信号，留下 各主频信号v s 与参考信号v r 一道进入相敏检波器( p s d ) 1 3 0 1 ，相敏检波器将各 主频信号的振幅和相位都一一精密检测出来，成为相敏检波器的输出v o 。 4 1 2 夏旨汲激电柑霹相干槛测法 采用精密相干检测法的复合波激电法称为复合波激电精密相于检测法或简 称为激电精密相干检测法。如将图4 1 4 所示上述复合波电流f 3 1 1 供入地下，设高、 中、低3 个主频点电流分别为 厂和罢厶薹嘉s i i l ( 2 脚) i 如= 等如砉击s 啡2 川) ( 吖咱) 】 ( 4 1 5 ) i l 护妻厶言嘉s i n 【_ 1 ) ( 州喝) 】 式4 1 5 中，。、，自分别代表复合波电流中的低、中、高3 个基波及其相 应谐波的电流，m 。、m 。、m 。分别为低、中、高3 个基波的圆频率， 中南大学硕士学位论文电法虚拟仪器及应用初步研究 。，m 。= m 。，m 。= s ，s 为频比，、可取为大于1 的整数。因此，s 取值不同可获得 许多组复合波。j 。为复合波电流的振幅，伊和妒：分别为谐波相对基波的相位差。 实际使用的复合波电流中各主频电流的振幅达不到! 如【3 2 1 ，但应尽量使其超出 三，。和接近! 。，即应尽量做到4 a “p “y 2 。因此，复合波电流可写成下面 的理论公式： l = i l + i + i h = 三，o 口s i i i + s i n 村f 一妒i ) + ，s i n ( h f 一仍) ( 4 - 1 - 6 ) + 萎杀十鲥n ( ( 2 卜1 ) 叫) + 倒n ( ( 2 1 ) 蚴p 仍) 郴m ( _ 1 ) ，州嘞】) ( a ) ( b ) 丁 t 巾 + 1 0 1 ( a ) ：进制复合波形( 和2 ) ( b ) 三进 复合波形( s 1 3 ) ( c ) 四进制复合波形( s - 4 ) 图4 1 4 多频复合波波形示意图 接收系统接收复合波电位差，采用精密相干检测法，同时检测出低、中、 高3 个主频点的虚、实分量，即，屹、，、，。和r 。吒、r 。、r 。，依 中南大学硕士学位论文电法虚拟仪器及应用初步研究 次计算出3 个主频点的振幅值，即吒、和3 个相位僵，即吼、妒m 、 r 2 佤玩而 ：厄瓦了孑i ( 4 1 7 ) l ：厄瓦了西了 r 钆= a r c t a i l ( ，。圪r 。圪) 一 妒”28 。协( 7 m r c )( 4 1 8 ) l 妒。：a r c t a n ( l 吃) 并由此计算出3 个幅频率值及2 个基本相对相位差和高、低两个主频点之间 的相位差： rp 砸：些兰监1 0 0 ， i 矿 l 尸踊：学1 0 慨 ( 4 1 _ 9 ) l 、 l 鹏，= 芦枷o 厂2 讫+ 等 2 + 雩 ，聊 l ：。仡+ 挚 式4 1 1 0 中，f 代表起点相位延时，在本系统中，由于采用了起点初始化方 案f 取信为o 。 4 1 3 虚拟仪器模拟精密相干检测观测系统及特点 1 ) 虚拟仪器模拟精密相干检测观测系统 虚拟仪器的软件平台调用虚拟仪器的硬件平台中相应的软件化了的硬件 单元，实现虚拟仪器模拟精密相干检测观测系统，见图4 1 5 ； 3 0 中南大学硕士学位论文电法虚拟仪器及应用初步研究 mn l 劈一 高通 滤波 器 悟刚罄科罅卿毒1 接 口总线 介h仃 校验 j 标准并行打印口同步 、， l 横拟1 一圳 单元 制 一机i 时钟 方式 图4 1 5 虚拟仪器模拟精密相干检测观测系统原理框图 图4 1 6 为虚拟仪器模拟精密相干检测观测系统体系结构，引擎负责编译 连接硬件单元软件化模块构成的底层通用驱动程序和模拟精密相干检测观测 系统的专