CN101021566A - 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多功能地震记录仪，具有低功耗、防爆、防尘、防水、防腐蚀和便携等特点。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、点阵式图形液晶显示器、银浆导电膜、可充电电池组件和具有IP54防护等级的防护外壳、接插件等；软件部分主要包括：监控模块、记录模块、通信模块以及数据处理模块；自制控制电路板在硬件构成上采用了双CPU设计方案，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；该仪器与数字检波器配合可用于矿井多分量地震勘探、面波勘探等。

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、数字检波器和地震数据采集记录控制仪组成，其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：装备主要由主机、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MEMS加速度检波器，并分别形成新型全数字地震数据采集系统，这种系统具有性能指标高、数字信号传输等优点，但其控制记录系统仍较复杂而庞大，只适用于地面较大规模的地震勘探，不能用于建筑工程和矿业工程领域进行工程地震勘探，并且整个系统组件均不防爆，因此，难以用于具有爆炸性气体环境下要求具有防爆特性的煤矿井下。

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数据采集仪器，这其中就包括用于地震数据采集控制与处理的记录仪。在由控制记录仪和若干数字检波器构成的分布式地震数据采集系统中，从功能上看主控记录仪应具有人机交互、多机通讯管理、数据存储和数据处理能力。在面向中小型勘探的设计中，装备应简单、便携。在计算机技术飞速发展的今天，在一般的工程勘探中，一台高性能的PC机或工控机加上配套的监控管理和数据处理软件即可完成上述的功能，但在某些场合，特别是环境条件恶劣的工程现场或煤矿井下，PC机监控系统往往不适用或不能工作。针对当前矿井地震勘探仪器的现状及存在的问题，从生产现场实际需求出发，对地震数据采集系统的整体性能进行优化与完善，利用现代电子技术、计算机技术和网络技术将新型分布式地震仪器系统引入工程地震勘探领域，研制出本安防爆多功能地震记录仪。

发明内容

为了适应特殊勘探场合的应用要求，研究开发了专用控制主机，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多功能地震记录仪。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、点阵式图形液晶显示器、银浆导电膜、可充电电池组件和具有IP54防护等级的防护外壳、接插件等；软件部分主要包括：监控模块、记录模块、通信模块以及数据处理模块。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的实时处理与分析能力，使地震记录仪能有效地完成地震数据的采集、记录与实时解析，仪器功能多，能满足工程现场进行浅层地震勘探的多重需要；仪器采用便携式封装，操作简便，适用性强，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构成的控制记录仪中，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。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、显示器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，包括相关分析、频谱分析、滤波等。两CPU之间通过双端口存储器进行数据交换。

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

控制主机软件的设计包括对各分机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主机系统，主机软件主要完成分机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等模块，图2是控制主机的主流程图。

附图说明

图1控制主机结构框图

图2控制主机主程序流程图

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控制记录仪管理检波器数据采集的执行流程

具体实施方式

本发明是这样实现的：根据数字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子器件，采用低功耗、便携式和多功能设计，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。

分布式多波地震数据采集系统要求地震控制记录仪可以高效控制多个数字检波器并接收、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功能，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智能检波器进行数据采集，接收各智能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，这就要求主机要具有适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

地震控制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。地震控制记录仪从各智能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。由于地震控制记录仪需接收、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Hynic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。

(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。

(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地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。

(4)数据处理子系统的硬件设计

由于TMSC32具有程序引导功能，可以将实时运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。

2软件设计

在地震控制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：监控模块的程序设计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：通信模块的程序设计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：记录管理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)数字信号处理模块：包括谱分析、相关分析、滤波和数据处理等程序的设计。

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检波器以及检波器间两两串接，记录分析仪与各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，多至几十、上百个检波器，主机通过友好的人机界面和通信接口向各智能检波器发布各种命令，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。

仪器对存储的数据文件可以进行格式转换、预处理和数据处理。从各数字检波器传来的采集数据，按通道与地址赋以一定的记录格式和文件名记录存储于闪存中，可以对采集的数据进行抽道集、道数运算、时空切除、振幅平衡、零漂校正、二次采样、多道叠加和数理统计等预处理，能进行滤波、谱分析、相关褶积与反滤波等数字处理，并可对采集数据进行实时解析，分析解释地震探测结果。

3其他

地震记录分析仪硬件部分还包括银浆导电膜、可充电电池组件和具有IP54防护等级的防护外壳、接插件等，银浆导电膜上置14个密封键与显示器的菜单互动，供操作者输入命令，实现人机交互；可充电电池组由3节2AH锂电池与其保护电路组成；仪器使用箱式外壳进行封装，仪器箱由金属钢板铸制而成，分上下两个部分，下部为主箱体，上盖面板。

封装时，首先将液晶显示器嵌入面板上预留的位置，在面板上安装好银浆导电膜及各种接口，然后，在面板背面预留安装柱上安装好主电路板和显示控制板，使显示器引线与主电路板和显示控制板相连，银浆导电膜的键盘接口线与各接口线均与电路板相连，再将电池组胶封于电池盒内，并固定于仪器箱底相应的位置，电池组与主电路板相连，最后将安装好的面板置于主箱体之上，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，具有防爆、防尘、防水、防腐蚀和便携等特点，仪器由硬件和软件两部分构成，其中硬件部分主要由自制控制电路板、点阵式图形液晶显示器、银浆导电膜、可充电电池组件和具有IP54防护等级的防护外壳、接插件等构成；软件部分主要由监控模块、记录模块、通信模块以及数据处理模块构成；封装箱体使用钢质材料铸造而成，上盖面板，封装时，使显示器嵌入面板，并在面板上安装好各种开关按钮，将电路板固定于面板后部的金属柱上，并使显示器与其连接；将电池组放入特制金属盒中，用环氧树脂胶封牢固，并用螺丝固定于箱内底部，电池组与电路板连接，然后使面板盖于箱体之上并加密封垫封紧；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；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；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把地震记录分析仪与检波器以及检波器间两两串接，记录分析仪作为主机，各检波器为从机，主从机根据分配的地址进行定向通信，主机带动少至一个从机，多至几十、上百个从机，主机数据采集的控制与数据处理由配套开发的多波多分量地震数据采集软件和数据处理软件来完成，主机通过友好的人机界面和通信接口向各智能检波器发布各种命令，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，对存储的数据文件可以进行格式转换、预处理和数据处理。

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；仪器电路硬件主要包括双CPU系统、高速SRAM组与FLASH存储器、高分辨率显示器及RS485等接口，软件主要由监控模块、记录模块、通信模块以及数据处理模块构成，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。

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一485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检波器以及检波器间两两串接，记录分析仪与各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，多至几十、上百个检波器，主机通过友好的人机界面和通信接口向各智能检波器发布各种命令，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。

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：仪器对存储的数据文件可以进行格式转换、预处理和数据处理。从各数字检波器传来的采集数据，按通道与地址赋以一定的记录格式和文件名记录存储于闪存中，可以对采集的数据进行抽道集、道数运算、时空切除、振幅平衡、零漂校正、二次采样、多道叠加和数理统计等预处理，能进行滤波、谱分析、相关褶积与反滤波等数字处理，并可对采集数据进行实时解析，分析解释地震探测结果。

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：仪器电路采用了低功耗、本安型设计，密封防水，具有IP54防护等级，能用于煤矿等具有爆炸性气体环境。

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