基于LabVIEW的瞬變電磁控制軟件設計

韓英杰， 林 昊， 段清明

(吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春 130000)

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基于LabVIEW的瞬變電磁控制軟件設計

韓英杰， 林 昊， 段清明

(吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春 130000)

針對自主研發的瞬變電磁系統，設計了控制軟件。瞬變電磁法作為電法勘探中的一種重要方法，具有施工效率高、觀測靈敏、耦合佳、分辨能力強等優點，使得它在許多地質勘探中成為首選方法。基于圖形化編程開發環境LabVIEW平臺上開展了對瞬變電磁控制軟件的設計，完成了發射電流控制，多通道數據采集、預處理、顯示及保存等功能，實現了對儀器的全自動化控制。經過測試和驗證，證明瞬變電磁系統的數據準確、有效。表明瞬變電磁控制軟件可以穩定、有效地工作。

瞬變電磁； LabVIEW； 控制軟件； 數據采集

0 引 言

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method, TEM)作為電法勘探中的一種重要方法，因其具有施工效率高、觀測靈敏、耦合佳、分辨能力強等優點，使得它在許多地質勘探中成為首選方法[1-3]。目前廣泛應用的瞬變電磁裝置大多是建立在嵌入式技術基礎上，需要大量的硬件開發工作，開發周期長，功能單一，數據信息存儲量不大。

LabVIEW不僅可以應用于數據處理等方面應用程序的開發，其最大的優勢還在于測控系統的開發。它不僅提供了大量經典的信號處理控件和信號分析工具，而且LabVIEW還非常容易和各種數據采集硬件集成，可以和多種主流的工業現場總線通信以及與大多數通用標準的實時數據庫連接[4]。它已經成為圖形化編程語言的工業標準[5]。基于LabVIEW開發的測控系統，在科研與工程的各個領域得到廣泛應用。

利用LabVIEW設計的瞬變電磁系統由發射裝置、采集裝置和操作軟件平臺組成。控制軟件實現了對接收機的控制及對發射電流和關斷時間的顯示與存儲，完成了對瞬變電磁信號多通道采集、狀態監測、成圖、疊加、存儲及預處理等功能。

1 控制軟件總體設計

瞬變電磁系統是通過LabVIEW對發射機參數進行設置，進而控制發射機發出所需頻率以及占空比的雙極性方波，然后對MSP-140801數據采集卡驅動子VI進行調用的基礎上，實現對瞬變電磁信號的采集、顯示、記錄及預處理的功能。

瞬變電磁控制軟件的總體框圖如圖1所示，包括發射部分控制、接收部分控制、狀態監測3大主功能模塊，各主功能模塊又根據實現功能的不同，分為若干子功能模塊。系統控制軟件開發流程如圖2所示。

圖1 瞬變電磁控制軟件總體功能框圖

圖2 系統控制軟件開發流程圖

2 發射部分軟件設計

對發射部分的控制主要是對發射波形的頻率和占空比選擇的控制。將不同的頻率和占空比的組合設為不同的控制字，通過選擇不同的控制字與硬件，進行通信，發射所需波形。由于系統的通訊和連接是通過USB口來實現的，因此本文采用了一款型號為MC100的USB控制卡，該控制卡提供14路IO引腳，通過調用內部函數控制每個引腳的傳輸方向(輸入或輸出)、輸出狀態(高電平/低電平/高阻/弱上拉)、以及讀取每個IO引腳的狀態。

動態鏈接庫簡稱DLL，庫內存放的是可供應用程序使用的函數、變量等[6]。很多硬件設備的驅動程序也往往是以DLL方式提供。在LabVIEW中，通過調用庫函數節點(CLF)來訪問動態鏈接庫(DLL)，進而調用API函數使應用程序與驅動程序通信[7]。由于MC100提供了動態鏈接庫，通過對其提供的DLL的調用，完成參數配置，即可實現控制軟件對發射機的控制。發射控制部分程序框圖如圖3所示。

圖3 發射控制部分程序框圖

在瞬變電磁法勘探中，發射機的關斷時間是一個重要參數，雖然關斷時間一般很短,但對二次瞬變場的影響卻是嚴重的。① 它損失了TEM 方法探測淺部結構的能力；② 它降低了TEM 方法的分辨能力[8-9]。

LabVIEW可以通過屬性節點對本地或遠程應用程序實例、VI或對象獲取訪問LabVIEW類的私有數據。本文通過屬性節點的調用，實現了關斷時間的自動測量[10]。

3 采集部分軟件設計

為了保證瞬變電磁系統的正常、穩定運行。在瞬變電磁控制軟件部分設置了對發射電流的采集、顯示及存儲，以此來監測發射機的工作狀態。同時對接收到的二次場信號進行采集、顯示、預處理、保存等，實現對測量數據進行實時監測，以便后續的反演解釋。

3.1 采集控制策略

采集程序模型有各部分相對獨立結構，順序循環結構和“生產者—消費者”模式。本文采用的是“生產者—消費者”模式，如圖4所示。

圖4 “生產者—消費者”模式

在“生產者—消費者”模型中，采用隊列作為緩存，將采集到的數據直接存放到緩存中，這一過程耗時極少[11]。即采集模塊運行多快，就以多快的速度將數據放到緩存中去。而在隊列的另一端，只要隊列中有數據，就將數據提取出來進行操作。隊列緩存的引入使數據采集，處理成圖和疊加保存3個模塊可以同時運行。在程序運行過程中，LabVIEW會將其自動多線程運行，既保證了對程序的實時監測又節省了程序運行的時間[12]。

3.2 信號數據的預處理

TEM勘探到的信號中包含大量的干擾信號，如不對有用信息進行處理，反演得到的計算結果誤差較大。因為，在對瞬變電磁數據進行存儲之前，需要對二次場信號進行一定的處理。

3.2.1 強信號干擾剔除

在TEM中，二次場信號為隨時間增加而不斷衰減的信號，若采集的數據不符合衰減趨勢，應進行強干擾剔除[13]。首先計算衰減曲線在各測點的斜率，計算出平均值及方差，并對斜率超差的測點進行校正，即當第i個測點超差時，以其前一點的斜率為基礎，加歸一得到斜率值k1，同時計算測點的臨近下一點的加歸一斜率值k2，則有

k=Ck1+(1-C)k2

(1)

(2)

同時采用保留-替代準則[13]，其判斷依據為

(3)

式中，

具體流程圖如圖5所示。

圖5 保留-替代流程圖

3.2.2 信號的分段放大校正

由于瞬變電磁信號的特點是早期信號幅值較大，中晚期信號幅值較小。晚期信號可達到微伏級別[14-15]，為了提高數據采集精度，系統設計中采用對中晚期信號以高放大倍數采集、對早期信號以低放大倍數采集的分段放大方式。具體的實現方式為采集卡通過5個通道同時采集二次場數據，由于每個通道采集數據放大倍數不一致，5個通道采集的數據在保存之前，需要對放大倍數進行歸一化處理。放大倍數歸一化處理后，每個通道數據截取相應部分拼接為一組完整的瞬變電磁信號數據。采取這種方式，不僅能保證每個通道需要截取的信號部分不飽和，最重要的是提高采集數據精確度高。然而由于每個通道放大倍數存在誤差等因素，并不能完全按照設計的放大倍數進行采集，因此需要在軟件中對其進行校正。程序框圖如圖6所示。

圖6 5個通道數據拼接程序框圖

3.2.3 信號的濾波及疊加處理

為了消除采集信號中的雜波成分，在信號實時采集波形輸入顯示控件前利用LabVIEW中自帶的信號處理工具包中的濾波器進行濾波處理。濾波器控件可以實現對軟件濾波器類型、濾波形式、上截止頻率、下截止頻率及濾波階數等設置默認值，也可以引入輸入控件對其在前面板中進行實時修改，具有較高的靈活性。

圖7 信號數據疊加程序框圖

4 測試實驗

使用瞬變電磁儀器樣機，1 m×1 m發射線圈，1 m×1 m接收線圈的情況下在地質宮電磁屏蔽室對系統進行測試，得到采集到的電流、信號波形分別如圖8、圖9所示。

圖8 采集的電流波形

圖9 采集的信號波形

5 結 語

使用LabVIEW完成了對瞬變電磁控制軟件的設計，配以數據采集卡等較少數硬件，實現了對瞬變電磁系統運行狀態的監控和對信號的采集、處理、顯示以及存儲等功能。后通過在甘肅省天水市麥積山隧道對瞬變電磁系統進行測試，經過對采集存儲的數據進行反演分析。同時利用吉林大學自主研制的JLMRS-III型核磁共振找水儀對同一位置進行了驗證性實驗，結論具有一致性，證明瞬變電磁系統的數據準確、有效。表明瞬變電磁控制軟件可以穩定、有效地工作。

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Control Software Design of TEM Based on LabVIEW

HANYing-jie,LINHao,DUANQing-ming

(College of Instrumentation and Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130000, China)

Control software is designed for the system of transient electromagnetic method(TEM)which was developed independently. TEM is an important method in electrical prospecting, it has highly constructive efficiency, sensitive observation, optimal coupling, and high resolution capability. Hence, it has become a preferred method in geological exploration. Control software of TEM is developed based on the LabVIEW platform to provide a graphical programming development environment. The functions involve the emission current control, multi-channel data acquisition, preprocessing, data display and save, etc. It realizes the automatic control of the instrument. The test and contrast results show that the data of TEM system are accurate and valid. Also it manifests that the control software can work stably and efficiently.

TEM; LabVIEW; control software; data acquisition

2015-08-03

國家重大科學儀器設備開發專項(2011YQ030133)

韓英杰(1991-)，男，河南洛陽人，碩士生，主要研究方向為電氣測試技術及儀表。

Tel.: 15143089021; E-mail: hanyj0208@163.com

段清明(1966-)，男，河南洛陽人，教授，主要研究方向為地球物理方法與儀器。

Tel.: 18686638929; E-mail: duanqm@jlu.edu.cn

TH 763

A

1006-7167(2016)01-0072-04