2016, Vol. 31
2. 山东省海洋环境监测技术重点实验室, 青岛 266001
3. 中国地质大学(北京), 北京 100083
4. 地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室, 北京 100083
, DENG Ming3,4
, JIN Sheng3,4 , WANG Meng3,4 , WU Cheng-xuan1,2 , ZONG Fang-yi1,2
2. Shandong Provincial Key of Ocean Environmental Monitoring Technology, Qingdao 266001, China
3. China University of Geosciences, Beijing 100083, China
4. Key Laboratory of Geo-detection (China University of Geosciences, Beijing), Ministry of Education, Beijing 100083, China
井地电磁法是一种广泛应用于矿产和油气藏勘探开发领域的电磁勘探方法.最早的井地电法要数寻找金属矿床的充电法(何裕盛和夏万芳，1978；董春山等，1997)，后来又逐渐应用到油气藏勘探领域.它可以辅助确定已知油藏的分布范围和边界(何展翔等，2004)，并预测已知油气藏周边的含油气有利区块(王志刚等，2007a).油气藏一般埋藏深度比较大，地面电法不能很好地发挥其作用(Bevc and Morrison, 1991).而在井地观测系统中，采用“井中发送，地面接收”的方式，通过观测极化响应，得到储层附近的电阻率和相位变化(王志刚等，2007b)，因而有可能提高探测深度和分辨率，并减少资料解释的非唯一性(杨辉等，2006；吕玉增和阮百尧，2006)，突出油气藏的影响(Daniels，1983；Yang and Ward, 1985).
当今国际上，电磁法仪器种类繁多，总体发展趋势为体积小，重量轻，多通道(邓明等，2003).20世纪90年代，在竞争机制的激励下，Electromagnetic Instruments，Geometrics，Geonics，Metronix，Phoenix和Zonge等公司竞相开展了电磁法仪器的研制和开发(Christopherson，2002)，目前，国外已商品化的电磁设备大约有十几种，包括GEONIC公司的EM系列，多伦多大学的UTEM系统，凤凰公司的V8多功能电法仪以及美国ZONGE公司的GDP-32多功能电法仪等.
在国内中浅层的电磁探测仪器已基本实现国产化，已形成的产品包括中国地质科学院的IGGETEM-20、重庆奔腾数控研究所的WTEM、北京矿产地质研究所的TEMS-3S及吉林大学研制的ATEM-2等(蒋邦远，1998).而在大探测深度的频率域电磁法仪器方面，发展滞后于国外.从20世纪90年代起，在国家的立项资助下，多家科研单位展开了相关研究，如吉林大学研制的混场源电磁探测系统、中国地质科学院研制的阵列式被动源电磁法系统以及中国地质大学(北京)研制的海底大地电磁仪器(魏文博，2002；程德福等，2004；滕吉文，2005；林品荣等，2006；王言章，2010).
与国外的研究成果相比，我们自主研发的设备还存在着一些缺陷和不足，对人性化可视化界面、人机交互设计等影响设备可靠性和稳定性的因素的考虑也不够全面.电磁发送机作为激励源，在电磁探测仪器的研究中占有十分重要的地位.而在实际的勘探过程中，要求发送机能够实时修改发送频率等操作信息，并能够实时读取仪器本身的相关参数，从而帮助操作员实时的了解勘探情况及仪器状况，进而有效准确的完成电磁勘探任务.因此用以实现参数输入和读取的人机交互模块在软件研发过程中，也是一个不可或缺的部分.
1 硬件基础及功能划分井地电磁发射机由直流稳压稳流电源供电，将直流电逆变成为单频或多频多制式矩形脉冲，然后通过供电电缆和供电电极将电磁信号发射.为了满足具体的勘探需求，需要通过人机交互软件实现如下功能：
(1) 更改发送频率值；
(2) 选择发送模式(时域或频域发送)；
(3) 启动/关闭发送状态；
(4) GPS对钟；
(5) 显示本机信息；
(6) 显示日期及时间；
(7) 显示电池电量等.
为保证上述功能的实现及切换，在本设计中，采用高级单片机控制器ARM7系列中的LPC2368微处理器(赖于树，2007)作为发射机的主控单元，利用其优异的中断处理能力，通过C语言编程实现由I/O (输入输出)端口控制人机交互设备(键盘、液晶等).LCD (liquid crystal display)液晶显示器采用反射式单色液晶显示器-LCM12864，显示效果为白底黑字，4行8列.其内部控制驱动器为ST7920，自带中文简体字形库，可直接通过编码选择显示汉字.再结合4×4阵列式键盘，实现发送机的人机交互功能.
2 人机交互软件设计 2.1 人机交互界面菜单层次设计人机交互界面的菜单层次及软件运行效果如图 1所示，主菜单中根据电磁发送机的实际工作需要设定了六个菜单选项和三个信息显示项，图中每一方框给出的即为每一级菜单的实际运行效果.下面根据层次图中的序号逐一进行说明.
(1) 更改频率.
由趋肤效应(介质的导电性越好，信号频率越高，电磁场能量衰减的越快(李金铭，2005))可知，不同频率的电磁波所能探测的地层深度不同，所以要求发送机能够发送不同频率的电磁波以探测矿井中不同深度的地层信息.因此在人机交互软件的界面中设定了“更改频率”选项来修改发送频率.在“更改频率”选项的子菜单中包含从1/128 Hz~16384 Hz (以2n，n=-10，-9，…，-1，0，1，…，14步进)共22个频率值可供选择，体现了电磁法送机发送范围的宽广.
(2) 时域/频域发射.
为了适应不同的地质勘探任务，充分利用不同发射场的性质，得到不同的地层信息，在发送机人机交互界面中还设定了“时域/频域发射”选择项.时域测量考虑的是不同时刻的电压衰减，频域测量考虑的是不同频率对应的电压幅值和相位的变化(Flores and Peralta-Ortega, 2009).本设计将两者有机结合、互相补充提高了方法的分辨率和探测精度(张昆等，2011).同时也扩大了电磁发送机的使用范围，增加了设备的利用率.
(3) GPS (Global Positioning System全球定位系统)对钟.
为实现仪器的远参考测量(邓明等，2003)，设定了“GPS对钟”操作，只有各台仪器内的时钟与GPS时钟在微秒级内保持一致，才符合远参考测量对时间精度的要求(张启升等，2004).本设计采用GPS的秒脉冲信号PPS (pulse-per-second秒脉冲)作为同步基准信号，完成对钟和同步(王猛等，2009).GPS内部的PPS的上升沿对应着一个精准的UTC (Universal Time Coordinated世界协调时间)时刻，因此可用此电平信号的上升沿对其他设备(如单片机、计算机等)进行控制和触发(徐进和李涛，2007)，实现GPS的精确授时.
启动“GPS对钟”后，进入等待页面(如图 1所示)，经过一定时间后给出反馈信息，显示对钟是否成功.若对钟失败，则提示检查GPS天线接线是否正确.
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图 1 人机交互界面菜单层次及软件运行效果图 Figure 1 The architecture diagram of human-machine interface menu |
(4) 显示信息及报警界面.
除了六个选择项外，主菜单中还有三个显示项，帮助操作员了解设备当前状态.显示项在主菜单中位于第四行，显示日期、时间和电池电量等信息.在发送机发生故障时，系统还能够自动弹出报警显示界面.为了便于排除故障，程序会根据故障的不同，在人机交互界面上显示出对故障原因的判断--“输入电压过高”、“发送电流过高”、“机器温度过高”、“电池电压过低”、“发送电流过低”、“存储文件失败”、“IPM故障”以及“未知故障”，并启动报警灯和蜂鸣器.
(5) 关于本机.
在主菜单第六项“关于本机”选项中给出了最大电压、电流值，发送频率范围及软件版本等信息，使人机交互程序更加完善.
2.2 人机交互界面软件程序设计为实现上述人机交互界面显示效果及相应功能，软就程序设计流程如图 2所示.
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图 2 人机交互界面软件设计流程 Figure 2 The flow diagram of software design for human-machine interface |
(1) 人机交互界面初始化.
在软件设计中，对指令和数据的读写是对人机交互界面最基本的操作.本设计中选用的是LCM12864的8位并口进行数据和指令的传送.根据LCM12864的读写时序，依次进行命令和数据的读写.
首先进行输入输出管脚分配，然后根据液晶说明书中给出的复位时序对进行液晶复位，再向芯片中写入相应的控制字，从而完成人机交互界面的初始化.
(2) 显示开机画面，每秒刷新屏幕，以实现画面连续显示的效果.
(3) 进入人机交互界面的菜单，通过扫描输入按键值，实现不同级别菜单的显示.
在实际的界面操作中，还要有一个“反白”的程序，用来显示光标选中的选项，如图 1的主菜单界面中黑底白字的部分显示的“更改频率”，就是采用的反白效果，表示此时的光标处在“更改频率”的选项上.
人机交互界面菜单程序的编写思路是先确定每一行的首地址，然后用循环语句写入该行显示的数据.再根据光标位置标志位确定对某一项数据进行反白处理.
与键盘的交互程序，是建立在已完成键盘输入键值定义的基础上，通过将液晶与键盘的操作相结合，来实现二者的交互.交互程序各模块的编写思路基本一致，程序编写流程图如图 3所示.下面仅以对主菜单的操作为例，对程序进行简要的分析.
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图 3 菜单程序流程图 Figure 3 The flow diagram of menu program |
先根据菜单标志位判断处于某一级菜单，标志位为0时表示处于主菜单.调用主菜单函数显示主菜单界面.根据键盘输入键值修改光标所在位置，当输入键值为‘E’，即Enter时，判断光标所在位置(即某一选项)，切换到下一个菜单，修改菜单标志位，光标值还原为默认值.编写流程如图 3所示.
(4) 中断嵌套.
ARM在工作过程中要检测系统状态，要对键盘、定时器和系统错误信号做出响应，而这些操作都是通过中断来完成的.当ARM接收到系统的中断申请后，判断中断信号类型，再根据相应的中断优先级和中断类型进入相应的中断服务子程序进行处理，实现发送机要求实现的各项人机交互功能，如设置发射参数，显示相关错误信息等.
ARM的中断响应流程是在系统初始化时建立中断向量表，将相关的中断处理函数地址放入中断向量表中.当系统监测到中断源的服务请求后，中断向量表中的中断处理函数入口地址自动赋给PC，开始响应中断.在中断处理函数的最后，实现中断返回.
发射机对人机交互的中断响应时间要求并不十分严格，一般常用的单片机即可满足响应时间需求.但是在发射机在工作过程中，可能同时接收到多个中断请求，从而涉及中断嵌套.而ARM单片机具有高级的向量中断控制器，最多可支持32个向量中断，对中断嵌套等的处理具有较明显的优势.在本设计的中断响应程序中，需要对发射机的中断信号类型设定优先级，以防程序运行时出现混乱.
为了满足嵌套应用的需要，在中断初始化中，就需要对发射机的各个中断优先级进行设置，以避免出现中断嵌套错乱.电磁发送机人机交互界面涉及的中断包括：按键中断、定时刷屏、IGBT故障、过压、过流、过温、电池电压过低、存储错误等.各故障对应的中断优先级如表 1所示.
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表 1 故障的中断优先级 Table 1 Interrupt priority level of the malfunctions |
其中，中断级别为1、2、3、5的故障可能引起系统强电部分工作失常，严重的还可能烧毁机器，甚至威胁到操作人员的安全，所以将这些中断设为较高优先级.
中断4尽管不会导致设备运行故障，但是会使发射电流、发送电压等测量的数据丢失，影响后续数据处理和解释工作的顺利进行.因此，也设为较高级别.
而对于其他类型的中断，既不会影响系统安全工作，也不会引起后续的处理问题，可以根据不同的应用，做相应的处理.在软件编程中，当中断嵌套发生时，处理流程如图 4所示.首先要及时保存当前中断的信息值，然后响应高级中断，执行相应的中断服务程序，中断服务程序结束后，再恢复中断使能器的初始值，响应低级中断.
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图 4 中断嵌套流程图 Figure 4 The flow diagram of interrupt nesting |
(5) GPS及故障报警中断服务函数.
本设计采用Itrax0302 GPS接收模块，授时精度为微秒级.通过键盘输入对钟命令后，ARM对GPS模块发出指令，然后ARM进入接收状态，等待GPS信号到来.收到GPS信号后，ARM再将提取出信息传送给人机交互界面显示出来，实现交互功能.GPS对钟的软件编写流程如图 5所示.
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图 5 GPS对钟流程 Figure 5 The flow diagram of GPS time updated |
在发生需要自动报警的情况后，ARM会马上通知CPLD关闭驱动，进而关闭发送.然后关闭高压电源，判断错误代码，读取相关错误信息，将错误显示在人机交互界面并启动声光报警.流程如图 6所示.
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图 6 故障中断软件处理流程图 Figure 6 The flow diagram of processing program for malfunction interrupt |
2009年10月-11月，在地质大学(北京)的地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室中进行了室内实验.在该阶段实验中发现，当电磁发送机采用高频发送时，由于供电周期小，很容易导致采集的电流值不是最大电流值，而是供电间隙的0值或是上升沿中的某一个值.所以，为了解决这个问题，在软件程序中增加了显示函数，在其中设定一个变量用以记录一段时间(如1 s)内电流的最大值，再将采集到的每一个电流值都与该值进行对比，记下该时间内采集的电流最大值，将其显示并记录下来.这样就能保证每一个周期都能采集到真正的电流值.图 7中给出在时域发射1/8 Hz方波时，由本文设计的电磁发射机的发射波形(图a)与接收波形(图b).
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图 7 1/8 Hz时域发射及接收的波形图 Figure 7 The transmitted and received wave diagrams of 1/8 Hz in time domain |
2010年1月，在河北涿州琉璃河滩进行了第一次野外实验，试验样机见图 8.野外环境的复杂程度远远高于室内环境，各种干扰因素也较多.在实际供电测量的过程中，发现在查看系统某些状态时，可能发生误操作，导致意外修改发生频率，但此时系统仍能正常工作，所以不易被操作人员所察觉.这样就会使得实际的发送参数不是实验预期的发送参数.因此，将程序设定为必须先关闭发送，才能进行参数修改的模式，以避免这种错误产生.
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图 8 电磁发射机样机 Figure 8 The proto of transmitter designed |
2010年4月-5月，在河南信阳罗山县进行了第二次野外实验.根据此次实验的情况，在人机交互软件程序中增加了自动报警(声光报警)，自动侦错等功能，以提高程序的安全性和可靠性.
2010年10月-11月，在内蒙古赤峰市林西县天成矿业公司的铅锌矿区开展了第三次野外实验.在这次实验中发现，人工数据记录方式经常会导致数据记录的缺失，进而影响对该地层介质电性的探测，所以，实测数据的完整性就显得十分重要(邓明等，2008).为此在软件程序中添加了数据自动存储功能，自动记录供电周期，供电方式，供电开始、结束的时间等信息以供后续数据处理使用.
4 结论 4.1为提高井地电法勘探精度及效率，进行了井地电磁发送机人机交互软件的设计.井地电磁发送机人机交互软件设计包括菜单层次设计和软件程序设计两个部分.菜单内容设计简洁丰富，层次条理清晰.软件程序运行稳定可靠，包含了对设备运行故障及程序误操作的检测和处理功能.
4.2经一次室内实验和三次野外实验证明，电磁发送机人机交互软件设计能够满足发送机在野外勘探环境中的各项需求，界面友好，安全可靠，有助于提高电磁勘探精度和效率，可以为今后类似研究提供经验借鉴.
致谢 感谢国家863计划项目课题-坑(井)-地电阻率成像技术及系统研制(2007AA06Z130)资金支助，感谢中国地质大学(北京)地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室和我的导师邓明教授给我提供了良好的学习和研究环境，感谢给予我帮助的工作团队.| [] | Bevc D, Morrison H F .1991. Borehole-to-surface electrical resistivity monitoring of a salt water injection experiment[J]. Geophysics, 56 (6) : 769–777. DOI:10.1190/1.1443094 |
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