地電阻率儀系統中的通用軟件設計

潘麗英,孫宏志

(中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院,北京 100083)

地電阻率儀是用來測量地電阻率的常用儀表，它在環境監測、地質勘探、考古及施工質量檢測中均具有重要應用，在很多領域都是不可缺少的工具[1]。

由于地電阻率的數值與地質的結構、濕度、溫度及大地中含有的化學成分等有關，而且地電阻率的數值差別很大，因此可以通過測量地電阻率的值得到很多環境指標信息；由不同深度的地電阻率值，了解地下土、巖層的電性變化，有效解決某些地質問題，如探測溶洞、地下暗河、追索構造破碎帶、劃分不同巖性接觸帶等；對于考古學可以由土壤的電阻率值的差異來確定目標物的深度、分布范圍和幾何形狀；對于建筑行業，可以用來檢測施工質量，排除不安全隱患。

因為地電阻率的測量多用于野外環境下，所以該儀器需要具有輕便、易操作性、低功耗等特性。近年來隨著計算機技術的飛速發展，微機處理技術也得到了廣泛的應用，使得儀器在設計上小型化，輕便化和自動化。

目前，國內外關于地電阻率儀的研究技術已經相當廣泛，尤其是隨著微處理器的發展，使得該儀器的研究得到迅速的發展，例如美國理想IDEAL生產的三極、四極地阻測試儀61-789和61-788等。據統計，目前缺少一種可以作為適應各種測量環境和測量公式的地電阻率儀。本文介紹的地電阻率儀通用軟件，其設計思想是將常用的幾種測量方法（例如，三極、四極等）固化到系統中，而其他的公式則由用戶根據實際需要進行編輯。

1 地電阻率儀測量原理

根據測量原理測量地電阻率的方法可分為歐姆定律法和電橋法；從電極布置來分類測量方法：兩極法、三極法和四極法等；利用同一裝置在一條線上連續測量的剖面測量方法有：對稱四極、中梯、二極、三極、溫納、聯合剖面、偶極；還有在井中開展電阻率法/激電法的電測井裝置測量方法等；其中四極法是地電阻率測量中較理想且常用的方法。下面以通用四極法為例，具體闡述地電阻率測量原理,其他的測量方法大同小異。

四極法測量土壤電阻率原理圖如圖1所示[2]。測量時先在地面插入4個電極 A、B、C、D,使用電源向外側電極A和B施加電流I，電流由電極A流入,由電極B返回電源,這時電流場將在電極上產生電勢，可以用電位差計或者高電阻電壓表測量電極C和D間的電位差。

電流極A可以近似看成半球形電極，則電極在距A點距離為X的任意一點產生的電位VA表示為:

電流極B在與其距離為Y的任一點產生的電位為VB為:

式(7)表明土壤電阻率可以由測量得到的電流、電壓及極間距離計算得到。

由以上分析可知：不管使用哪一種測量方法，其最終計算ρ的公式都是公式(7)，而計算K值的公式則隨著測量方法而改變。

2 地電阻率儀通用軟件的設計與實現

地電阻率儀系統的主要功能是測量地電阻率值。根據測量原理，計算公式中的K值是關鍵。在系統軟件設計中，該測量工具可以在人及交互界面設計過程中實現。選擇μC/GUI源代碼輕量級嵌入式系統模擬開發環境實現整個功能和界面設計。

2.1 地電阻率儀系統軟件功能模塊設計

該裝置模塊的實現是在μC/GUI環境下進行的，功能結合性能的考慮，界面設計簡易，滿足功能需要，又節省了內存。系統軟件包括以下幾個功能模塊，具體如圖2所示。

2.2 地電阻率儀系統軟件設計流程圖

根據實際情況，分析了地電阻率儀系統軟件設計的流程圖，力求滿足嵌入式軟件系統的要求：節省內存，且結構上可裁剪和拓展。具體如圖3所示。

2.3 系統軟件主要界面設計圖

系統界面設計特點是：簡潔明了以便于用戶理解和操作。主要界面的設計如圖4所示。

靈活：該功能模塊的實現，使用戶可以不需要考慮所采用的裝置是否是該測試儀中預存的裝置，按照提示信息進行自由編輯，就可以得到K值。極大地方便了用戶，符合便捷式儀器的要求。

代碼封裝：在系統設計過程中，代碼采用分模塊封裝，用戶只需要按照界面提示信息操作，后臺就會執行相應的代碼。尤其是在自由編輯界面的實現中，完成了識別用戶輸入的字符和數字的科學計算器的實現，首先要將字母轉換成字母所對應變量的值，接著再用后臺計算器來進行計算。

易于擴展：該模塊中，由于預存裝置是存放在Flash中，在用戶使用過程中，如果自由編輯某個公式的頻率相對高,則只需要在Flash中添加符合該公式的相關裝置記錄，并在界面提示信息中添加該條提示信息即將其轉換成預存裝置的一部分；同理也可以在Flash中取消某個預存裝置，使之成為用戶自由編輯的裝置，利于后期發展中功能的擴展。

[1]張曉英，孫宏志.基于MSP430的嵌入式系統低功耗技術研究[D].北京：中國礦業大學（北京）碩士論文，2007.

[2]萬欣，李景祿.土壤電阻率的影響因素及測量方法的研究[D].長沙：長沙理工大學電氣與信息工程學院，2006.