STM32F401을 사용한 우물용 웰 로깅 프로브

STM32F401 기반 범용 시추공 탐사 프로브

블랙 필 보드의 STM32F401가 지하수 시추공 탐사 프로브의 핵심입니다. 84MHz 주파수와 FPU가 장착된 Cortex-M4 코어는 필터링을 위한 빠른 부동 소수점 연산을 가능하게 합니다. 64KB RAM과 256KB 플래시 메모리는 작업에 충분한 용량을 제공합니다. 세 개의 타이머, 세 개의 USART, I2C, OneWire가 주요 인터페이스입니다. 이 보드는 외경 38mm(내경 32mm)의 스테인리스강 튜브 하우징 내부에 장착되며, 114mm 이상의 케이싱 파이프가 있는 시추공용으로 설계되었습니다.

핀 레이아웃:

• PA4: 저항률 측정기 입력
• PB3: 감마 계수기 입력 (에지 트리거 인터럽트)
• PB10: 저항률 측정기 전원 공급
• PB7–PB4: 저항률 탐사 발생기용 멀티플렉서 제어
• PB8 (SCL), PB9 (SDA): 센서용 I2C
• PA2/PA3: 초음파 캘리퍼용 UART2
• PA9/PA10: 캘리퍼용 UART1
• PA8: 온도계용 OneWire
• PA11/PA12: USB 디버깅

하우징 크기 제약으로 인해 통합이 복잡해집니다.

탐사 방법과 구현

이 프로브는 감마 탐사(GL), 저항률 탐사(RL), 저항률 측정(RM), 온도 측정, 캘리퍼 탐사, 자기 측정을 결합합니다. 데이터는 하강 깊이에 상대적으로 기록되며 노이즈 필터링과 실시간 PC 전송이 이루어집니다.

SiPM(실리콘 광증배관)을 이용한 감마 탐사: 펄스는 PB3의 인터럽트를 통해 처리됩니다. SiPM은 PMT보다 선호됩니다—고전압이 필요 없고, 소형이며, 신뢰성이 높습니다.

저항률 탐사(RL): 멀티플렉서(PB7–PB4)를 통해 70Hz 신호를 생성합니다. 전류 전극(A/B)과 측정 전극(M/N)의 전압 강하를 측정합니다. 전류 기반 방식은 케이싱 누출(다이어그램의 피크)과 얇은 지층(예: 석회암 내 0.5m 점토층)을 감지합니다. 수문지질학적 목적에 정확도 손실 없이 빠른 응답이 가능합니다.

저항률 측정(RM): RL 일시 정지 중(1초 주기 중 300ms) 작동합니다. 입력 PA4, 전원 PB10. 여과대(예: Ø219mm 컬럼 내 60–80m)를 식별합니다.

온도 측정: OneWire(PA8)를 통한 DS18B20, 1Hz로 폴링, 해상도 0.01°C. 활성 여과대를 감지합니다.

동기화 및 데이터 기록

주기: RL(생성 + 측정) 700ms, RM 300ms. 하강 깊이는 모든 채널에서 동기화됩니다. 감마는 인터럽트를 통해, 온도계는 주기적으로 처리됩니다. 노이즈 필터가 적용된 데이터는 로거와 PC로 전송됩니다.

예시 결과:

• RM: 80m부터의 이상(개방 시추공), 필터 컬럼 60–80m.
• RL(파란 선): 피크는 케이싱의 구멍이나 개구부를 나타냅니다.

핵심 포인트:

• STM32F401는 소형 프로브에 적합한 성능과 크기의 균형을 제공합니다.
• 하나의 주기에서 RL/RM 결합으로 깊이 상관관계가 단순화됩니다.
• GL용 SiPM은 크기와 위험을 최소화합니다.
• 전류 전극 측정으로 지층 및 케이싱 결함 감지 속도가 향상됩니다.
• 필터가 적용된 실시간 기록으로 후처리가 줄어듭니다.

향후 발전 전망

캘리퍼(UART1), 초음파 캘리퍼(UART2), 비디오 탐사의 통합은 크기 제약으로 인해 지연되었습니다. 자기 측정기는 필터와 파이프를 감지합니다. 전극 가공과 센서 보정이 핵심 단계입니다. 하우징 오류로 인해 반복 작업이 필요했습니다.

— Editorial Team