在系统可编程技术在电法发送机设计中的应用
罗维斌,白宜诚,崔燕丽
(中南大学 信息物理工程学院,湖南 长沙,410083)
摘要: 介绍了在系统可编程器件LC4256-100T的器件结构,并以此设计了地球物理勘探中多功能电法发送机的信号发生和逻辑控制部分,给出了发送机设计的系统结构图。主控模块包括分频器、时序状态机、多路选择器、波形合成、同步输出等电路,各功能模块均以超高速硬件描述语言VHDL作为设计输入,并在集成开发套件ispLever 3.0中进行了器件适配及计算机仿真验证。利用可编程器件丰富的片上资源,将计数器、分频器、多路选择器、控制器、波形合成、过流保护等电路集成于单片上,减少了外围器件,降低了功耗,提高了仪器性能。实践结果表明:发送机具有在系统可重构功能的能力,可产生16种信号波形,频点丰富,可用于开展多种电法勘探方法;密频比设计可有效地提高对地层的分辨力。
关键词: 在系统可编程技术; 超高速硬件描述语言; 多功能电法发送机; 计算机仿真; 水槽物理模拟
中图分类号:P631.3+3 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)01-0119-04
Application of In-system Programmable Technology
on Electrical Exploration Transmitter Design
LUO Wei-bin,BAI Yi-cheng,CUI Yan-li
(School of Info-physics and Geomatics Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: Architecture of in-system programmable device LC4256-100T is detailed, and the signal-produce and logic control part of multipurpose transmitter which is used in geophysical exploration is designed. The system structure of this design is figured out. Main module includes frequency divider, sequential state machine, multiplexer, waveform synthesis and synchronooutput etc. The very high-speed hardware description language (VHDL) is adopted as design entry for each module of the control unit. The device fitting and function verification are performed with integrated software kit ispLever 3.0. The high performance of the programmable device offers a system solution that counter, frequency divider, multiplexer, controller, waveform synthesis and over-current protection circuits are integrated on a single chip. Thus the peripheral devices are reduced, the power consumption is lowered and the performance of the instrument is enhanced. It is tested that the system function can be reconfigured right on the board. Transmitter can generate sixteen different waveforms. It has up to one hundred optional frequencies. The transmitter can be used in many a electrical exploration. With the dense frequency design the strata resolution can be improved.
Key words: in-system programmable technology; VHDL; multipurpose electrical transmitter; computer simulation; flume physical test
多功能电法仪器能用于开展多种电法勘探,具有较高的实用价值,是电法仪器研究的重要方向[1,2]。人工建场时,发送机波形均由微处理器控制产生,频率范围从0~10 kHz。但每次只能发送一定占空比或1个频率的波形电流。美国Geometrics公司的EH4电磁成像系统在用于做可控源电磁测深时,发送机频率范围为1~70 kHz,大功率天线的发送频率范围为0.3~35 kHz[3]。在国内,以微处理器系统产生电法发送机信号及作为逻辑控制单元也已得到普遍应用[4-6]。在此,作者将高密度在系统可编程逻辑器件引入电法勘探发送机设计,设计了可用于开展多种电法勘探方法的控制单元,该控制单元可产生高频伪随机多频波电流[7-10]。
1 ISP器件CPLD作为发送机主控单元的设计
在系统可编程(ISP)技术可以对单元线路或整个电子系统的逻辑和功能进行在系统重构,使得硬件设计如同软件设计一样灵活,并且易于修改和升级,适合于样机开发与多功能硬件设计[11]。采用Lattice 公司的ispMACH 4000系列复杂可编程逻辑器件(CPLD)LC4256V-100T[12],利用其集成开发套件ispLEVER 设计能够开展多种电法勘探方法的多功能发送机控制单元。设计的核心是对可编程逻辑器件LC4256V进行编程开发,以超高速硬件描述语言(VHDL)作为设计输入[13-15],将器件设计为控制器,发送机的波形及控制信号均由其控制产生。
1.1 复杂可编程逻辑器件LC4256V的结构
Lattice公司开发的ispMACH 4000系列CPLD是功耗较低的高性能ISP器件。LC4256V-100T是其中一款,它有16个万能逻辑块(GLB),256个宏单元,4个全局时钟,64个输入/输出(I/O)端口,最高工作频率为168 MHz,。每个GLB都有36个输入,乘积项输出多达 80 个。器件所有GLB的输入均来自集总布线池(GRP),并且每个GLB的所有输出均反馈到GRP以作为别的GLB的输入,甚至反馈至同一个GLB的反馈信号也必须经过GRP。这样,就保证了GLB之间传输延迟的一致性和可预见性。GLB的所有输出要经输出布线池(ORP)送到与之相连的I/O块中的I/O单元。其控制和输出灵活,使得设计非常容易,用它可以完成控制器及有限状态机的设计。
1.2 主控单元控制信号
主控单元需要设计产生4个控制信号:逆变桥控制信号(正)WAVE1,逆变桥控制信号(反)WAVE2,假负载控制信号FZCTR及电流取样电路中模拟开关4066的控制信号CICTR。由于可编程器件的I/O口有较强的驱动能力,产生的2个逆变桥控制信号可直接送入驱动电路,去控制IGBT供电主回路将直流电源逆变为所需要的波形电流。电流取样控制信号送入模拟开关4066的13脚,控制其在有电流时导通,无电流时截止。
2 仪器结构及控制过程
发送机结构见图1,由控制单元、驱动电路、逆变器、测量显示电路、电源等几部分组成。可编程控制器的控制过程是先将发送机要产生的场源激励信号波形以一定方式构建为易于数字逻辑实现的二进制序列,再由VHDL的状态机设计产生信号波形。系统时钟(CP)结构如图2所示,采用4.194304 MHz的晶振,经由1个5位可变模计数器获得分频系数分别为2.000,1.681,1.438,1.188共4个密频比起始频率,经1个26位自由加法计数器组成的分频器分频,通过设置参数选择器(selfp1,selfp2)选择起始频率和工作频率。得到的时钟频率从0.001953 Hz
图 1 发送机系统方框图
Fig. 1 System block diagram of transmitter
图 2 系统时钟结构
Fig. 2 Structure of system clock
到110376.4 Hz,频点在对数坐标上均匀分布。VHDL状态机在时钟信号激励下产生波形控制信号,经驱动电路,控制IGBT逆变器产生供电波形。
2.1 逆变器控制信号的产生
对波形进行状态编码,‘1’表示导通,‘0’表示截止,用VHDL的时序逻辑和有限状态机将状态编码构建为1个周期的二进制序列,在时钟激励下,状态机可周期性地产生任意复杂的信号波形。
2.2 关断脉冲的产生
产生双极性方波及伪随机信号电流时,为了避免由开关元件IGBT组成的逆变桥在换向瞬间短路,需插入脉冲宽度为500~1000 ns的关断保护脉冲,关断脉冲的仿真波形如图3所示(其中,横坐标为时间,单位为ns)。由状态机产生的三频波信号TSS在时钟CLK0 (系统时钟二分频)的激励下进行2次移位,产生信号TTEMP2和TSS1,TTEMP1是TTEMP2的反信号,对信号TSS和TSS1作异或运算,可产生宽度为4个系统时钟周期的关断脉冲信号TCUT。与波形信号合成,产生具有关断保护能力的波形信号WAVE1和WAVE2。
图 3 产生关断脉冲的仿真波形
Fig. 3 Simulation waveform of turn off
pulse generation
2.3 平衡负载控制信号的产生
双频波以及占空比为25%,33%和50%的双极性方波及单极性方波,在大功率工作时,在供电间隙会使电源空载,因此,必须引入平衡负载以平衡电源输出。将状态机产生的正向控制信号与反向控制信号进行或运算,再求其反码,即可产生控制信号FZCTR(见图4。其中,横坐标为时间,单位为ns)。
图 4 双频波假负载控制信号仿真波形
Fig. 4 Simulation of load control signal
generation for dual-frequency waveform
3 计算机仿真实验
设计ISP器件时,主要工作是在PC机上完成的。在集成开发软件ispLEVER3.0中,通过设计输入、功能仿真、适配器件、时序仿真、编程下载完成设计。通过功能仿真及早发现问题,及早修改。时序仿真通过以后就可以下载到器件。发送机在可编程控制器的控制下可产生16种波形电流输出。图5所示为伪随机三频波波形(其中,横坐标为时间,单位为ns)。
图 5 2n进制三频波
Fig. 5 Tri-frequency waveform of 2n
series pseudo-random signal
4 伪随机多频激电水槽实验
发送机可产生直流,占空比分别为25%,33%和50%的双极性方波及单极性方波、双极性单频波,以及双频、三频、五频、七频、九频、十一频、十三频伪随机信号及外控信号等多种波形电流输出。
图6所示为伪随机五频波激电水槽实验结果。
f/Hz: 1—0.5; 2—1; 3—2; 4—4; 5—8; 6—(0.5,1);
7—(0.5,2); 8—(0.5,4); 9—(0.5,8)
图 6 五频波水槽实验结果
Fig. 6 Result of flume physical test inspired with
five-frequency pseudo random signal
试验装置为中梯装置(AB[TX-]=100 cm,MN[TX-]=2 cm),发送波形为五频波,高频为8 Hz,低频为1/2 Hz,频比为2,采用伪随机多频电磁法观测系统观测。发送电流为17 mA;发送电压约为12 V ;标本位置在48号点下方10 cm处;测量方式为剖面测量,测量区间为1/3AB[TX-]~2/3AB[TX-]; 标本为石墨。
视幅频率曲线及相对相位曲线都是相对于低频0.5 Hz的计算结果。在五频波的激发下,标本均有明显的视电阻率、幅频率及相对相位异常反应。从反应异常能力来看,说明发送机工作正常,频率准确,工作电流稳定。
5 结 论
a. 电法勘探发送机的主控单元利用ISP器件丰富的片上资源,将计数器、分频器、多路选择器、控制器、波形合成等电路集成在单片上,减少了外围电路,降低了功耗,提高了系统性能。可在系统重构发送机功能,在线升级。
b. 发送机可发送多种波形电流:直流;占空比为25%,33%和50%的双极性方波及单极性方波、双极性单频波、双频、三频、五频、七频、九频、十一频、十三频伪随机波形。信号频率从0~110 kHz。
c. 采用密频比设计、4个起始频率、二进制步进、多达100个频点选择,可大大提高电法勘探中对地层的分辨力。
d. 可用其开展时间域瞬变电磁法、时间域激电法、双频激电、多频激电法中的振幅、相位测量,及频谱激电测量、可控源音频大地电磁法(CSAMT)测量,亦可以用于低频感应电磁法中,解决浅部工程地质问题。
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收稿日期:2004-09-09
基金项目:国家“十五”科技攻关计划项目(2001BA609A-5)
作者简介:罗维斌(1972-),男,甘肃景泰人,博士研究生,从事地电场电法仪器研究
论文联系人: 罗维斌,男,博士研究生;电话:0731-8830613(O);E-mail: luoweibin0328@21cn.com
