CN101526625A

CN101526625A - 一种可寻址智能电极电路

Info

Publication number: CN101526625A
Application number: CN200910043240A
Authority: CN
Inventors: 肖建平; 柳建新; 陈萍锋; 李陆一
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2009-09-09

Abstract

本发明公开了一种可寻址智能电极电路，包括可编址开关、计数转换电路、多选一模拟开关和多个继电器；所述的可编址开关的输入端接外部主控电路的控制端；所述的可编址开关的输出端接计数转换电路的脉冲输入端；所述的计数转换电路的信号输出端接多选一模拟开关的信号输入端；所述的多选一模拟开关的多个输出端口分别与多个继电器连接；多个所述继电器的触点对的一端均连接电极输出引线，多个所述继电器的触点对的另一端分别与多个选择端相接。本电极电路能实现在多个电极同时工作在一个系统中的情况下通过对其唯一地址的访问而使其互不干扰，且电路精简，功耗低。因此，本发明具有高效、轻便、可扩展性好的特点。

Description

一种可寻址智能电极电路

技术领域

本发明属于勘探地球物理仪器领域，涉及分布式控制的电极电路，适合于高密度或多通道电法仪器的多电极自动切换的应用场合，具体涉及一种可寻址智能电极电路。

背景技术

高密度电法仪自20世纪80年代诞生以来，它们已广泛应用于用堤坝隐患探测、矿产资源勘察、岩溶勘探和考古等方面。高密度电法的原理和常规电法完全一样，都是以地层和岩矿石的导电性差异为基础。相对于常规电法而言，它具有许多优点：电极布设一次完成，可减少因电极设置引起的故障和干扰；进行多种电极排列方式的扫描测量，可获得丰富的地质信息；数据采集自动化，可减少人为失误，大大提高工作效率等。

各种高密度电法仪均包括主机和电极转换系统，其中电极转换系统是仪器设计的关键技术。电极转换系统主要分为三类，包括机械式电极转换、电子式电极转换和分布式电极转换。第一种仅用于早期的高密度电法仪器中，目前已经淘汰。电子式电极转换通过主机控制电极转换箱，电极转换箱的接线端与所控制的电极一一对应，由电极转换箱实现电极的转换，因此电极转换箱与电极之间均有独立的导线相连，相连导线数目不小于电极的数目，在电极数目较少(一般小于40)的情况下，通过多芯电缆能很好的实现连接。但电极的增多，要求电缆的芯数增加，从而会使多芯电缆过于笨重，这一矛盾限制了仪器本身的发展。采用分布式电极转换的高密度电法仪是这类仪器发展的方向，其最大特点是随着电极数目的增多，连接电极与主机的电缆芯数无需增多，这样为主机对更多电极(多达数百根)的控制提供可能。目前已有的一种分布式并行智能电极(授权号：CN 1266487C)，与主机通信采用RS-485协议，主机向所有智能电极广播，智能电极接受指令，进入各自的工作状态。但每一个智能电极均由一个独立单片机系统组成，包括AT89C51单片机、采样保持电路、A/D转换器及辅助电路组成，因此增加一个智能电极就必须增加一个完整单片机系统。为了简化系统，采用扩展工作电极的方式来设计，即一个智能电极对应多个工作电极，从而工作在同一个智能电极下的工作电极可共用一个单片机系统。这种分布式智能电极的主要问题是：尽管采用一个智能电极对应多个电极的控制方式，但不能从根本上解决多单片机系统的问题，造成系统复杂、稳定性差、功耗高等问题；同时带来另一个问题是这种仪器进行野外工作时，布线麻烦，首先要敷设一条智能电极与主机相连的电缆，另外工作电极与主机之间需采用长短不一的导线相连，工作效率就会因此降低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有高密度电法仪电极转换电路的不足，提出一种可寻址智能电极电路，该电极电路的每一个电极具有唯一的地址码，主机根据地址码对电极中的可寻址芯片进行直接控制，可寻址芯片根据主机的指令发出计数信号，在计数器和模拟开关的协同工作下实现对相应继电器的控制，实现电极的自动转换。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种可寻址智能电极电路，其特征在于，包括可编址开关、计数转换电路、多选一模拟开关和多个继电器；所述的可编址开关的输入端接外部主控电路的控制端；所述的可编址开关的输出端接计数转换电路的脉冲输入端；所述的计数转换电路的信号输出端接多选一模拟开关的信号输入端；所述的多选一模拟开关的多个输出端口分别与多个继电器连接；多个所述继电器的触点对的一端均连接电极输出引线，多个所述继电器的触点对的另一端分别与多个电极选择端相接。

根据需要，所述的选择端可以是4、6、8或12，或者更多，根据实际需要而定。

所述的可编址开关为DS2405芯片，所述的计数转换电路采用可编程计数器4526；所述的多选一模拟开关采用4051芯片；继电器为4个，所述的电极选择端分别为N、M、B和A；DS2405芯片的PIO端接可编程计数器4526的CLK端，可编程计数器4526的信号输出端Q2、Q1和Q0端分别与4051芯片的信号输入端C、B和A端连接；4051芯片的信号输出端中的4个分别通过三极管与4个继电器的线圈串接；4个继电器的触点对的一个触点均连接电极输出引线，4个继电器的触点对的另一个触点分别与电极选择端N、M、B和A相接。

本发明的有益效果如下：

目前大量应用于工程实践的传统的高密度电法仪仍采用电缆芯数不小于一次敷设电极数，电极的转换集中控制的工作方式，电极数一般为60根，至多为一百多根，这类仪器电极连接相对固定，无法扩展，而且仪器笨重。新型的分布式电极转换高密度仪在电极转换方面均有较大改进，使电缆芯数大幅减少，仪器相对轻便，但大多在电极设计方面复杂，尤其是电极上带有微处理器的仪器，不但增大了仪器的体积和功耗，而且仪器的制造成本也大大增加。采用本发明设计的高密度电法仪，不仅使电缆的芯数大为减少，电极数可以任意扩充，野外工作效率大大提高，而且智能电极本身的电路很精简，使得仪器的稳定性得到提高，同时功耗小，更适于野外作业。

另外，本发明还具有以下特点：

(1)利用DS2405的64位地址码作为智能电极的唯一识别码。智能电极接入系统(参见图3)后，运行系统监控程序，通过人机交互的方式对智能电极重新编号。每一个智能连接在系统总线上的位置决定智能电极的编号，离主机最近的智能电极编号为1，下一个为2，依此类推，最后一个电极的编号与电极总数相等。将智能电极编号结果保存在系统存储器中。如果系统总线上的没有新的智能电极接入或者没有智能电极从系统总线上移除，其编号关系直接从存储器中调出供程序使用，不必重新编号；反之，就必须重新编号。因此，系统总线上智能电极数目可任意增减，每次增减后只需对系统总线的智能电极重新编号，增加了系统的灵活性。

(2)电极的是由DS2405的PIO端通过两次为一组的状态改变，产生脉冲信号作为可编程递减计数器的输入端，选用计数器保存PIO端的脉冲数是本发明的巧妙之处。

(3)可编程计数器的重置初值的外围电路，使计数器的计数范围与实际需要相吻合；同样模拟开关与前后级电路连接设计达到较优化的状态，使各级电路间传递的逻辑值无须转换。

本电极电路能实现在多个电极同时工作在一个系统中的情况下通过对其唯一地址的访问而使其互不干扰，且电路精简，功耗低(由于只需要一个CPU对所有的电极电路模块进行控制)。因此，本发明具有高效、轻便、可扩展性好的特点。

附图说明：

图1为本发明的原理框图；

图2为实施例1的电路原理图。

图3为智能电极与系统主机连接的原理框图

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：参见图1和图2，该发明涉及的智能电极电路的外部接口为一根8芯电缆，分别与A、B、M、N、电源(Vcc)、地(GND)、控制线和复位线的引出端相连，主机发出的所有命令均有控制线接收。电极的内部电路按功能划分为三个部分：可寻址部分(1)，计数转换部分(2)，电极导通部分(3)。

可寻址部分(1)由可编址开关DS2405和上拉电阻(SR4)组成，其中上拉电阻阻值选用51KΩ。DS2405采用1-Wire协议与主机通信，1-Wire协议是Maxim全资子公司Dallas公司的一种专有技术，采用该技术的芯片其中一个引脚(控制线)兼有电源、通信和控制的功能，这样就大大的简化了系统的设计。1-Wire通信协议包括3种基本信号：复位/应答脉冲、写0/1时隙和读0/1时隙，这些基本信号通过与主机相连的引脚上出现的高低电平的时长来识别。由基本信号即可形成DS2405的指令系统，每条指令的长度均为8位，每片DS2405内部有一个64位的非易失性地址码，且全球唯一。采用DS2405的指令系统就可以访问DS2405的地址。在本发明中使用的DS2405指令系统的三条关键指令是RR(33H)、SR(F0H)及MR(55H)。RR指令读取DS2405的地址码，SR指令读取当前与主机通信的DS2405的引脚PIO的状态，MR指令改变当前与主机通信的DS2405的引脚PIO的状态，即若原状态为“0”，则MR指令执行后，引脚PIO的状态为“1”，反之亦然。在实际系统设计中，将DS2405本身的64地址码映射到从编号为1开始的地址码表，最大编号即为要设计的高密度电法系统控制的最大电极数目，这样减少电极地址编码的长度，同时将无规则的地址码统一编号后便于主机对电极的控制。由上可知，主机可以根据需要改变任意一片DS2405芯片的引脚PIO的状态，引脚PIO的状态直接传到下一级电路。

计数转换(2)部分由可编程计数器(US1)、模拟开关(US2)及相应的外围电路组成。可编程计数器为4526，引脚12(“0”)与引脚3(PE)相连，引脚13(CF)接高电平，引脚10(MR)与二极管(4148)、电阻(SRR)、电容(CS1)及电阻(SRR1)组成的电路相连，为计数芯片(4526)实现计数(US1)复位。引脚6(CLK)为计数脉冲输入端，与前级电路的PIO端相连。引脚4(INH接地)。引脚5(P0)、引脚11(P1)、引脚14(P2)、引脚2(P3)为并行置入端口，根据各端口电平决定计数器重新置入的初值，首先对计数初值进行初始化，在线路板焊接时，SR3A、SR1A位置处分别焊接阻值为10KΩ的上拉电阻，SR0、SR2处用导线短接，SR2A、SR0A及SR1、SR3处不焊接。这样并行置入端口(P3、P2、P1、P0)的状态为0101【这是一个初始化的例子】，在重置初值状态下引脚15(Q2)、引脚9(Q1)、引脚7(Q0)输出端口输出的状态为(101)，在重置计数器的初值时Q2、Q1、Q0的状态和P2、P1、P0三位严格对应，在非重置状态下Q2，Q1，Q0计CLK引脚的脉冲数，即在非重置初值状态下输出端口(Q2、Q1、Q0)的值由引脚6(CLK)端输入的脉冲个数决定。引脚6(CLK)接收上级电路PIO端的信号，PIO改变两次即为CLK的一个计数脉冲。计数器4526为递减计数器，每次计数前由外部复位信号对引脚10(MR)复位，计数器的输出端(Q2、Q1、Q0)输出初值即为101。然后引脚6(CLK)收到1个计数脉冲计数器减“1”，输出值即为100，引脚6(CLK)收到2个计数脉冲输出值为011，……，依此类推，收到5个计数脉冲计数器输出端(Q2、Q1、Q0)输出值为001，若继续收到计数脉冲，计数器4526的引脚12发出信号，使计数器回到重置状态，输出端(Q2、Q1、Q0)输出值为101。因此，计数转换电路可以依据上述规律循环工作。计数器最终的输入状态为101、100、011、010、001五种状态。

模拟开关(US2)采用“八选一”的4051芯片，输入端为引脚9(C)、引脚10(B)、引脚11(A)，接收计数器(US1)的五种输出状态中的某一种状态，模拟开关将根据输出的状态在引脚14(X1)、引脚15(X2)、引脚12(X3)、引脚1(X4)和引脚5(X5)的其中一个引脚上输出高电平。当输入端的引脚9(C)、引脚10(B)、引脚11(A)为101时，引脚5(X5)输出高电平；当输入端为100时，引脚1(X4)输出高电平；当输入端为011时，引脚12(X3)输出高电平；当输入端为010时，引脚15(X2)输出高电平；当输入端为001时，引脚14(X1)输出高电平。而引脚5(X5)悬空对下一级电路电极导通部分(3)为无效状态，其余四个引脚的信息作为下一级电路的输入，引脚5(X5)输出高电平时，引脚14(X1)、引脚15(X2)、引脚12(X3)、引脚1(X4)均输出低电平，即表示外部输入引线(A、B、M、N)与DL线均没有连接。

电极导通部分(3)由四个结构和功能均相同的单元电路(KA、KB、KM、KN)组成。每个单元电路由一个三极管(9014)、一个继电器(4148)组成，输入由上一级电路计数转换部分(2)的四种输出端及整个模块的外部输入引线(A、B、M、N)提供，单元电路的共同输出端为电极的一条输出引线(DL)。上一级电路的输出端信号(X4、X3、X2、X1)仅有一个为高电平(或者均为低电平)，与这个高电平信号输出端相连的单元电路(KA、KB、KM、KN)的三极管基极为高电平，作为开关的三极管导通，与该三极管相连的继电器导通，从而完成外部输入引线(A、B、M、N)其中的一个端口与电极输出引线(DL)连通。

以上所述就是一个完整的智能电极的内部电路(参见图1，虚线框内即为内部电路结构，虚线框外为智能电极的外部引线端)。一个系统中可包含多达几百个这种智能电极(参见图3)。

智能电极应用系统的典型结构参见图3，通常由系统主机(1)、系统总线(2)和多个智能电极(3)、连接智能电极和大地的铜棒(4)组成，其中智能电极(3)就是本发明的核心内容。所有智能电极的外部引线端A、B、M、N、控制线、复位线、VCC、GND分别与系统总线(2)的对应位固定连接，引线端DL与连接大地的铜棒也是固定连接。本发明的最终目的是在系统监程序的控制下自动选中四个智能电极(其余未被选中的为“空闲”状态)，这四个选中的智能电极中，每个智能电极的A、B、M、N引线端在程序控制下有且只有一端与该智能电极的DL端是导通的，而所有智能电极(包括未选中的电极)的DL端始终是通过铜棒与大地导通，因而被选中的智能电极的A、B、M、N引线端有且只有一个与大地是导通的。当某个智能电极的A或B引线端与DL相连，则该智能电极此时作为供电电极使用；若是M或N引线端与DL相连，则此时该智能电极作为测量电极使用。未被选中的智能电极的A、B、M、N均不与该智能电极的DL相连，此时该智能电极处于“空闲”状态。因此，系统中所有的智能电极在任意时刻在程序控制下自动处于供电电极、测量电极、“空闲”三种状态中的其中一种，从而就完成了电极的自动转换。

Claims

1.一种可寻址智能电极电路，其特征在于，包括可编址开关、计数转换电路、多选一模拟开关和多个继电器；所述的可编址开关的输入端接外部主控电路的控制端；所述的可编址开关的输出端接计数转换电路的脉冲输入端；所述的计数转换电路的信号输出端接多选一模拟开关的信号输入端；所述的多选一模拟开关的多个输出端口分别与多个继电器连接；多个所述继电器的触点对的一端均连接电极输出引线，多个所述继电器的触点对的另一端分别与多个电极选择端相接。

2.根据权利要求1所述的可寻址智能电极电路，其特征在于，所述的可编址开关为DS2405芯片，所述的计数转换电路采用可编程计数器4526；所述的多选一模拟开关采用4051芯片；继电器为4个，所述的电极选择端分别为N、M、B和A；DS2405芯片的PIO端接可编程计数器4526的CLK端，可编程计数器4526的信号输出端Q2、Q1和Q0端分别与4051芯片的信号输入端C、B和A端连接；4051芯片的信号输出端中的4个分别通过三极管与4个继电器的线圈串接；4个继电器的触点对的一个触点均连接电极输出引线，4个继电器的触点对的另一个触点分别与电极选择端N、M、B和A相接。