CN100480731C - 本安便携式矿井地震记录仪 - Google Patents

Abstract

本发明为一种本安型便携式矿用地震记录仪，具有低功耗、防爆、防尘、防水、防腐蚀和便携的特点。仪器由硬件和软件两部分构成，硬件部分主要包括：自制控制电路板、可充电电池组件、点阵式图形液晶显示器、银浆导电膜、金属面板、封装箱体和接插件；软件部分主要包括：监控模块、记录模块、通信模块和数据处理模块；自制控制电路板在硬件构成上采用了双CPU设计方案，总体可分为管理和数据处理两个子系统，仪器的主要功能是实现对数字检波器的采集管理、人机交互、数据存储及一定的实时数据处理功能，该仪器与数字检波器配合可用于工程现场和煤矿井下进行纵波勘探、横波勘探、面波勘探及多波联合勘探。

Description

本安便携式矿井地震记录仪

技术领域

本发明属于地球物理勘探技术领域，是一种用于地震勘探数据记录与分析的装备，适用于控制数字检波器进行多种方法的地震勘探。

技术背景

地震勘探是最为重要的地球物理勘探方法之一。在我国，随着国民经济的快速发展，能源开采与建筑工程等行业为了保证工程的高质高效，特别是确保工程建设安全，要求精细地查明地下地质条件，因此对地震勘探技术提出了更高的精度要求。为使地震勘探更好地适应工程现场的需求，地震数据的采集方法得到推动与发展，较大规模勘探从二维发展到三维，由简单的单分量勘探发展到多波多分量勘探，用于工程领域的工程地震勘探，则以勘探场地条件和勘探任务为主导，在有限的场地空间内选择适当的工作方法，尽可能多的采集数据，以利用地震勘探数据求取更加丰富的工程地质参数，为工程建设提供全方位优质服务，而要使工程地震勘探达到理想的设计效果，就必须保证其数据采集质量，首先要有精良而又适用的勘探装备。

地震勘探装备主要由震源、检波器和地震数据采集系统组成(即地震仪)，随着电子技术和计算机技术的飞速发展，地震仪的发展经历了多代发展历程，二十世纪末，国外推出新一代遥测地震仪，如OPSEIS811—14、I/O SYSTEM II与SN388等，它们的主要特点为：系统主要由中央控制记录单元、采集站、交叉站、电源站等组成，实用的多道地震仪仍以有线数传为主，传输媒介为双绞线或同轴电缆。二十一世纪初，地震勘探装备的发展以检波器的数字化为标志，I/O和SERCEL公司先后推出基于微电子机械系统(MEMS)加专用集成芯片(ASIC)制造的数字地震检波器，并分别形成新型全数字地震数据采集系统。新型地震数据采集系统虽具有性能指标高、数字信号传输等优点，但其控制记录系统复杂而庞大，只适用于地面较大规模的地震勘探，不适用于建筑工程和矿业工程领域进行的小规模工程地震勘探，且整个系统组件没有进行防爆设计，因此，不能应用于具有爆炸性气体环境下的煤矿井下。

高产高效现代化矿井生产迫切需要高精度的地质构造探测装备。地面地震勘探证明，利用地震勘探装备接收地震全波场信息开展多波高分辨率地震勘探是在地质条件复杂地区提高地震勘探精度和解决诸多工程地质问题的有效手段，但要实现矿井高分辨率地震勘探，必须要有精良而适用的地震勘探装备，本发明是在对新型地震勘探仪器的结构和性能分析的基础上，将分布式控制和数字化检波器的设计理念引入到矿井工程地震勘探领域，利用前期开发的数字三分量检波器(智能三分量检波器，已获得发明专利：ZL021162972)，设计开发与之配套的便携式矿用地震记录分析仪，其功能相当于大型数字地震中的中央控制记录单元，主要任务是实现对数字检波器的控制管理和一定的实时数据处理，其硬件电路设计和封装均符合国家本质安全型设计要求，将该地震记录仪与若干数字检波器通过大线连接，即可构成一个完整的矿用地震数据采集系统，即分布式矿井地震仪。

发明内容

为了适应特殊勘探场合的应用要求，研究开发了专用地震记录仪，这就是以通用微处理器芯片(MPU)和数字信号处理芯片(DSP)为核心构成的便携式矿用地震记录仪。该地震记录仪由硬件和软件两部分构成，硬件部分主要包括：自制控制电路板、可充电电池组件、点阵式图形液晶显示器、银浆导电膜、金属面板、封装箱体和接插件；软件部分主要包括：监控模块、记录模块、通信模块和数据处理模块；仪器主要特点如下：通过选用高集成度、高性能、低功耗器件及其电路优化设计、低功耗管理，实现了电路本质安全型防爆；基于双CPU设计，使仪器既具有对多个数字检波器的分布式控制管理能力，又具有对多道地震数据进行一定的实时数据处理能力，能满足工程现场和煤矿井下进行浅层地震勘探的需要；仪器采用便携式封装，操作简便，适用性强，与数字检波器配合可用于工程现场和煤矿井下进行纵波勘探、横波勘探、面波勘探及多波联合勘探等。

在由MPU和DSP构成的记录仪中，总体可分为两个子系统：即以MPU为核心的管理子系统及以DSP为核心的数据处理子系统；管理子系统的硬件主要由：通用微处理器、数据通信接口、键盘接口、显示接口以及数据存储器等几部分构成；处理子系统主要由数字信号处理器及扩展的数据存储器和程序存储器构成，两CPU之间通过双端口存储器进行数据交换。两个子系统的任务分工和关系是：管理子系统负责与外部的通信管理、人机交互等功能，以DSP为核心的数据处理子系统的主要任务是对采集的数据进行分析和处理，主要包括：抽道集、道数运算、时空切除、振幅平衡、零漂校正、二次采样、多道叠加，并可对采集数据进行滤波、谱分析、相关褶积和反滤波。

地震记录仪系统达到的性能指标如下：

控制检波器数量：1～12个，可扩充到24个

通道数：        1～36道，可扩充到72道

存储器容量：    64Mbit/128Mbit

显示：          640×480点彩色液晶显示器

数据传输速率(KBPS)：96～4.8

最大传输距离(km)：  0.5～3.0

电源工作时间(内部电源供电)：8小时以上

平均功耗：<3W

重量：<2kg

地震记录仪软件的设计包括对各数字检波器的监控管理软件的设计及数据处理软件的设计，在井下由微处理器构成的记录系统，软件主要完成对各数字检波器的监控管理和数据的预处理，主要包括波特率设置、分机管理、数据处理和记录管理模块，记录仪的主程序流程图如图2所示。

附图说明

图1地震记录仪结构框图

图2地震记录仪的主程序流程

图3MPU与SRAM及Flash的连接

图4显示控制器与MPU的接口

图5双口RAM与MPU及DSP的连接

图6TMS320C32与外部存储接口的连接

图7地震记录仪控制数字检波器进行数据采集的流程

具体实施方式

本发明是这样实现的：根据分布式地震数据采集系统和矿业工程对控制记录主机的性能要求，利用高性能微处理器和大规模集成电路器件，采用低功耗、便携式设计，形成具有本质安全特性、分布式控制和实时地震数据处理功能的矿用地震数据记录仪。自制控制电路板在硬件构成上采用了双CPU设计方案，两CPU之间通过双端口存储器进行数据交换，仪器的主要功能是实现对数字检波器的采集管理、人机交互、数据存储及一定的实时数据处理功能。

分布式地震数据采集系统要求控制记录仪可以有效地控制多个数字检波器进行地震数据采集并能接收、显示与存储来自它们的数据信息，同时，地震控制记录仪要具有一定的实时数据处理能力，操作员可通过显示的多道地震信号及其相应的数据处理来判别测试信号的有效性并实时解决一定的工程地质问题。用于矿井的地震仪由于环境条件的限制，还要求仪器便携、低功耗和本安防爆，为达到以上诸多要求，采用了双CPU设计方案，即以通用微处理器芯片(MPU)和数字信号处理芯片(DSP)为核心构成便携式地震控制记录仪。在地震控制记录仪的设计过程中基于低功耗、抗干扰、本安便携的设计原则对组成系统硬件电路的各个部分进行了优化和组合，实现了对大容量存储器的扩展和管理、高分辨率显示器的控制、双CPU的数据交换以及系统运行的最小功耗设计；同时结合本系统硬件设计的特点，实现了监控模块、记录管理、通信模块以及数据处理模块的软件设计；从而使整个系统既具有较强的控制管理能力，又具有较强的数字处理能力，使系统达到了较高的性能指标。

1 硬件设计

地震记录仪的主要任务就是控制各数字检波器进行数据采集，接收各数字检波器回送的采集数据，并以图形形式显示出来供操作者观察分析，有选择的把有效数据存储起来，以便进一步处理与解释。此外，在某些应用场合还需要对采集的数据进行谱分析、滤波等数字处理，以帮助观测人员分析判断采集信号质量，及时采取措施改善勘探效果，这就要求该记录仪应具有实时数字信号处理与解析功能。由于地震勘探一次采集的数据量大，使用单个的通用微处理器很难同时满足监控管理和数字信号处理的任务，因此在便携式地震控制记录仪的设计中，采用嵌入式双CPU结构分别构成监控管理和数据处理子系统。

在管理子系统中，微处理器的主要功能是实现对外设接口的管理，设计中微处理器选用的是PHILIPS公司新近推出的P89C51RC2单片机。DSP是数据处理子系统的核心，由于DSP本身不是一个独立的系统，在设计时不仅要考虑其性价比，而且要考虑其与MPU的通信及连接方式。其中MPU与DSP的通信方式采用的是数据总线宽度为8位的双端口存储器，这样就要求DSP可与8位的存储器接口。在通用DSP中，目前使用最广泛的是美国德州仪器公司(Taxas Instruments，简称TI)的TMS320系列产品，在数据处理子系统设计中DSP选用的是TI公司的TMS320C32。

(1)存储器及其接口设计

地震记录仪中根据需要应具有两种类型的存储器，即随机存储器和非易失性存储器。地震记录仪从各数字检波器接收的数据首先存入随机存储器(SRAM)中，当用户通过波形显示判断采集的数据有效时，则可将本次采集的数据从SRAM送到非易失性存储器中保存，否则再重新接收下次采集的数据，新的数据将SRAM中原有的数据覆盖。由于地震记录仪需接收、存储多个(一般可有6、12、24个)检波器采集的数据，为使其有较大的扩展空间，设计中随机存储器选用的是韩国Hynix公司生产的512K×8位高速、低功耗、全静态CMOS随机存取存储器HY628400A。SRAM只能暂时存储采集的数据，当显示分析采集的数据是有效数据后，即可将该次采集的数据存入非易失性存储器中，以便后续的数据分析和处理。由于非易失性存储器是用于存储由多个检波器连续数小时采集的数据，以12个三分量检相波器连续采集100次有效数据为例，如果12个检波器一次采集的数据量为72k字节，则100次采集数据的总量为100×72k字节，其数据量大约为7.03M字节，因此非易失性存储器的容量应足够大。设计中选用快擦写的64M位大容量Flash存储器—28F640，MPU与SRAM及Flash的连接如图3所示。

(2)显示器及其接口设计

显示器是地震控制记录仪的重要组成部分，它是人机对话的界面，在设计中为了增强显示效果，采用高分辨率的半透射半反射式彩色液晶显示屏，其分辨率为640×480点，显示控制器使用的是DPK公司最新研制的控制板，在与MPU连接时采用的是直接访问方式，即MPU通过数据总线和控制信号线采用I/O设备访问形式控制显示器，图4为显示控制器与MPU的接口。

(3)双端口存储器及其接口设计

双端口RAM与MPU及DSP的连接如图5所示。在地震控制记录仪中为解决MPU与DSP的信息交换问题，选用了双端口存储器通过有效的软硬件设计实现了双CPU数据交换。由于本设计系统中MPU数据总线宽度为8位，且DSP读写速度快，因此双端口RAM选用的是CYPRESS公司的高速(工作速度从15nS～55nS)、低功耗型CMOS双端口RAM—CY7C134。CY7C1342片上硬件支持Semaphore信号控制逻辑，可以不加任何逻辑构成4K×8位的双端口存储器系统，双口RAM与MPU及DSP的连接如图5所示。

(4)数据处理子系统的硬件设计

由于TMSC32具有程序引导功能，可以将当前执行的程序和数据从外部低速的EPROM或FLASH中装入，设计中存储器采用低速的FLASH加高速RAM的配置方式，FLASH用于存放程序和初始数据，系统加电运行时，TMS320C32自动将程序和数据从低速的FLASH装入到高速RAM，程序在高速RAM中全速运行。C32可以工作于40MHz、50MHz和60MHz，本设计中选用的是50MHz。设计中使用一片Am29F200B FLASH(128K×16bit)用于存放非实时程序，另外扩展了高速SRAM用于存放实时运行的程序和数据，SRAM由两片CY7C1041(256K×16bit)构成；由一片8位高速双端口存储器CY7C1342与MPU实现数据交换，由GAL16V8实现外部存储空间的地址分配。TMS320C32与外部存储接口的连接如图6所示。

2 软件设计

在地震记录仪的软件设计中，根据应用需要和系统的硬件组成，主要实现以下一些功能模块的程序设计：(1)监控模块：主要包括键盘的控制和管理以及字符、汉字、图形的显示等方面的程序设计。(2)通信模块：包括与数字检波器的多机通信模块及与PC机通信模块的程序设计。(3)记录管理模块：该模块的程序设计不仅要实现地震数据的随机存储和管理，而且要将有效的地震数据存储在大容量非易失性存储器中。(4)数据处理模块：该模块地程序设计可完成对采集数据的分析和处理功能，其中包括抽道集、道数运算、时空切除、振幅平衡、零漂校正、二次采样、多道叠加、滤波、谱分析、相关褶积及反滤波的程序设计。

地震记录仪与各数字检波器采用总线型结构实现互连，根据地震数据采集系统的实际需要，数据传输总线可采用标准的Rs—485总线；工作时，用五芯屏蔽电缆构成的大线把地震记录分析仪与数字检波器以及检波器间两两串接，记录仪与各数字检波器根据分配的地址进行定向通信，记录仪带动少至一个检波器，多至二十四个检波器，主机通过友好的人机界面和通信接口向各数字检波器(简称从机)发布各种命令，从机按主机发布的命令参数采集数据并将采集后的数据传送给主机，主机在主视窗中显示出接收数据的波形图，并以自定义格式把采集的数据存储起来，图7是地震记录仪控制数字检波器进行数据采集的流程。

3 封装

地震记录分析仪硬件部分还包括银浆导电膜、可充电电池组件、封装箱体、金属面板和接插件，银浆导电膜上设置有14个密封按键可与显示器的菜单配合使用，供操作者输入命令，实现人机交互；可充电电池组件由3节锂电池及其保护电路和特制金属盒构成，金属面板是厚度为2mm的长方形钢板，其外围压制了一圈刚好与下封装箱体尺寸相对应的金属密封边，面板上留有液晶显示屏窗口及安装接插件的接口孔；接插件包括复位按纽、电源开关、充电接口、大线接口、显示器对比度调节按纽以及检波器启动接口；仪器使用箱式外壳进行封装，封装箱体使用抗静电钢质材料铸造而成，它由下箱体和上箱盖两部分构成，上下箱体带有用于连接的锁扣。

封装时，将电池组放入金属盒中，用环氧树脂胶封牢固，并用螺丝固定于下箱体底部，电池组的输出引线经转接插头分两路分别与控制电路板和充电接口相连；把液晶显示器嵌入金属面板并用镙丝固定，通过两端带有镙丝的金属柱将自制控制电路板固定于液晶显示器的后面，将显示器的控制电缆与电路板显示接口相连，同时将背光电源引线与电路板上的背光引脚连接；然后将银浆导电膜辅于金属面板之上，将各种接插件按照设计好的位置安装好并通过引线与电路板相连，将银浆导电膜上引出的按键引线穿过金属面板上预留的插槽与电路板上的键盘接口相连，最后，将金属面板置于下箱体之上并于其间加密封垫封紧，将上箱盖盖于下箱体上并扣上锁扣，即完成电路连接与仪器封装。所有器件的封装与连接均需满足矿用电气产品防爆要求，并且密封防水，外壳防护等级为IP54。

Claims (5)

1.一种本安型地震记录分析仪，具有低功耗、防爆、防尘、防水、防腐蚀和便携的特点，仪器主要由硬件和软件两部分构成，硬件部分主要包括：自制控制电路板、可充电电池组件、点阵式图形液晶显示器、银浆导电膜、金属面板、接插件和封装箱体；其中自制控制电路板在硬件构成上采用了双CPU设计方案，总体可分为管理和数据处理两个子系统，两CPU之间通过双端口存储器进行数据交换，并设有与外部连接的显示接口、键盘接口和串行通信接口；通过选用高性能、低功耗器件及电路优化设计、低功耗管理，实现了电路本质安全型防爆；软件部分主要包括：监控模块、记录模块、通信模块和数据处理模块，可以实现对数字检波器的采集管理、人机交互、数据存储及一定的实时数据处理功能；可充电电池组件由3节锂电池及其保护电路和特制金属盒构成；液晶显示器上留有与控制电路板显示接口相连的扁平电缆及背光电源引线；银浆导电膜上设置有14个密封按键及其输出引线；金属面板是厚度为2mm的长方形钢板，其外围压制了一圈刚好与下封装箱体尺寸相对应的金属密封边，面板上留有液晶显示屏窗口及安装接插件的接口孔；接插件包括复位按纽、电源开关、充电接口、大线接口、显示器对比度调节按纽以及检波器启动接口；封装箱体使用抗静电钢质材料铸造而成，具有IP54防护等级，它由下箱体和上箱盖两部分构成，上下箱体带有用于连接的锁扣；封装时，将电池组放入金属盒中，用环氧树脂胶封牢固，并用螺丝固定于下箱体底部，电池组的输出引线经转接插头分两路分别与控制电路板和充电接口相连；把液晶显示器嵌入金属面板并用镙丝固定，通过两端带有镙丝的金属柱将自制控制电路板固定于液晶显示器的后面，使显示器的控制电缆与电路板显示接口相连，同时将背光电源引线与电路板上的背光引脚连接；然后将银浆导电膜辅于金属面板之上，把各种接插件按照设计好的位置安装好并通过引线与电路板相连，将银浆导电膜上引出的按键引线穿过金属面板上预留的插槽与电路板上的键盘接口相连，最后，把金属面板置于下箱体之上并于其间加密封垫封紧，将上箱盖盖于下箱体上并扣上锁扣即可；地震记录分析仪与各数字检波器采用总线型结构实现互连，工作时，用五芯屏蔽电缆构成的大线一端与地震记录仪的大线接口连接，另一端与数字检波器连接，其余的数字检波器再两两串接，记录仪作为主机，各数字检波器为从机，主机通过友好的人机界面和通信接口向各数字检波器发布各种命令，从机按主机发布的命令进行数据采集并将采集后的数据传送给主机，主机在主视窗中显示出接收数据的波形图，并以自定义格式把采集的数据存储起来。

2.根据权利要求1所述的本安型地震记录分析仪，其特征在于：自制控制电路板在硬件构成上采用了双CPU设计方案，总体可分为两个子系统：以MPU为核心的管理子系统及以DSP为核心的数据处理子系统，两CPU之间通过双端口存储器进行数据交换；硬件电路主要由高性能微处理器(MPU)、数字信号处理器(DSP)、随机存储器(SRAM)、非易失性FLASH存储器(闪存)、双端口存储器、键盘接口、显示接口及RS485通信接口构成，通过选用高性能、低功耗器件及电路优化设计、低功耗管理，实现了电路本质安全型防爆。

3.根据权利要求1所述的本安型地震记录分析仪，其特征在于：地震记录分析仪软件部分主要由监控模块、通信模块、记录模块及数据处理模块构成，可以实现对数字检波器的采集管理、人机交互、数据存储及一定的实时数据处理功能；其中数据处理模块可对采集的数据完成以下操作：抽道集、道数运算、时空切除、振幅平衡、零漂校正、二次采样、多道叠加，并可对采集数据进行滤波、谱分析、相关褶积和反滤波。

4.根据权利要求1所述的本安型地震记录分析仪，其特征在于：地震记录分析仪与各数字检波器采用总线型结构实现互连，根据地震数据采集系统的实际需要，数据传输总线采用标准的Rs—485总线；工作时，用五芯屏蔽电缆构成的大线把地震记录仪与检波器以及检波器间两两串接，记录仪作为主机，各数字检波器为从机，主机通过友好的人机界面和通信接口向各数字检波器发布各种命令，从机按主机发布的命令进行数据采集并将采集后的数据传送给主机，主机在主视窗中显示出接收数据的波形图，并可以按通道与地址赋以一定的记录格式和文件名存储于闪存中。

5.根据权利要求1所述的本安型地震记录分析仪，其特征在于：仪器硬件电路采用了低功耗、本安型设计，封装箱体使用抗静电钢质材料铸造而成，具有IP54防护等级，使用银浆导电膜制作按键，从而使仪器具有低功耗、防爆、防尘、防水、防腐蚀和便携的特点，能用于煤矿井下具有爆炸性气体环境。

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