CN101581795A - 三维电阻率成像系统的数据采集子站装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于地球物理勘探技术领域，涉及一种三维电阻率成像系统的数据采集子站装置，它以嵌入式微处理器为核心，配备有256K以上SRAM内存，连接CAN隔离变压器、MAX485芯片，具备CAN总线通信和RS485总线通信功能，并与A/D转换芯片连接，电压参考芯片为A/D转换芯片提供参考电压，运算放大器构成主放大电路，电子开关用于扩展A/D转换芯片的输入通道，并用运算放大器构成电压跟随器电路与测量采样极相连。电源变换电路把12V直流电压变成5V直流电压，给电极智能切换装置供电。在CAN总线电缆中设计了一根测量公共极芯线把测量公共极引到每个数据采集子站装置中，并在CAN总线电缆中设计了一根公共电压参考芯线，为所有的数据采集子站装置上的提供完全一致的参考电压。

Description

三维电阻率成像系统的数据采集子站装置

技术领域

本发明属于地球物理勘探技术领域，是应用于资源与环境勘探技术领域中的直流电法勘探技术，涉及一种三维电阻率成像系统的数据采集子站装置。

背景技术

早在19世纪初就开始用电法找矿以来，直流电法勘探技术发展了近200年。自20世纪80年代高密度电法技术发展以来，电法勘探技术得到迅速发展和广泛应用。直流电法勘探技术主要以高密度电法为主。

近十几年来，随着计算机技术、网络技术、电子器件的飞速发展，电法找矿已由高密度电法找矿逐步发展到三维电阻率成像找矿。三维电阻率成像系统一方面需要研究合理的数学模型、数据处理方法、成像算法等(即软件部分)，另一方面需要设计具备数据采集、数据存储、数据预处理、数据传输等功能的系统(即硬件部分)。故首先要设计三维电阻率成像系统的硬件系统。

数据采集子站装置作为硬件系统的一个关键组成装置，它要完成这几个主要任务：(1)通过连接到CAN总线电缆5上，与笔记本电脑1进行数据通信，接收笔记本电脑1发来的命令并解释、执行命令操作，还要把采集的数据上传给笔记本电脑1。(2)通过连接到RS485总线电缆7上，与电极切换装置8进行数据通信，向它发送控制命令数据，控制它的切换。(3)数据采集。为了对原始数据进行预处理和获得较好测量结果(特别是在科研应用中)，需要具有较快的数据采集速度和测量精度。同时，还要能够进行串行数据采集和并行数据采集，以满足科研应用和工程应用要求。(4)数据预处理。采用恰当的算法(软件)对原始数据进行预处理(数字滤波)，每个测量通道就不需要采用复杂的信号调理电路(硬件)，这样可以避免各个数据采集子站装置以及各个通道的元器件参数的不一致性带来对测量精度影响，同时使得电路简单，提高系统的可靠性。为此，需要设计三维电阻率成像系统专用的数据采集子站装置6，它要满足以下几个性能要求：①具备符合标准的CAN总线接口和RS485总线标准的接口。②数据采集的速度要达到100KSPS，精度要达到20Bits，能够对双极性电压信号进行测量，具备8个以上输入通道。还要具备串行数据采集和并行数据采集功能。③要配置60MHz以上的32位嵌入式处理器，256KB的程序存储器，256KB的数据存储器，这样才能满足数据预处理的需要。④能够把测量公共极接入到所有的数据采集子站装置上，并且同一的参考电位使得各个数据采集子站装置之间的测量精度具有一致性。

发明内容

本发明就是要解决三维电阻率成像系统的硬件系统对数据采集子站装置的要求。

本发明所采用的技术方案：它以微处理器(U1)为核心，配备有256K以上SRAM内存(U3)，微处理器(U1)通过CAN隔离变压器(U4)与X组总线电缆接头(P2)的5、6脚相连，微处理器(U1)通过RS485接口芯片(U5)与Y组总线电缆接头(P1)的5、6脚相连，微处理器(U1)与A/D转换芯片(U6)连接，电压参考芯片(U8)为A/D转换芯片(U6)提供参考电压，主放大电路(U7)与A/D转换芯片(U6)跨接；Y组总线电缆接头(P1)的4脚接到A/D转换芯片(U6)的一个输入通道上，2脚接到A/D转换芯片(U6)的输入公共通道上，3脚通过由运算放大器组成的电压跟随器(U9)接到A/D转换芯片(U6)的另一个输入通道上；并行测量电缆接头(P3)中每一个引脚都通过一个由运算放大器组成的电压跟随器(U11)接到电子开关(U10)上，电子开关(U10)再接到A/D转换芯片(U6)的其它输入通道上；电源变换电路(U2)把从X组总线电缆接头(P2)的3、4脚输入的12V直流电压变成5V直流电压，输出到Y组总线电缆接头(P1)的7、8脚上。

器件优选为：所述的微处理器为嵌入式微处理器LPC2294，配备有256K SRAM内存IS61LV25616，CAN隔离变压器为CTM8251，RS485接口芯片为MAX485，X组总线电缆为CAN总线电缆，Y组总线电缆为RS485总线电缆，A/D转换芯片为ADS1258，电压参考芯片为REF5025，主放大电路为运算放大器OP07，电压跟随器由运算放大器OP07组成，电子开关为电子开关CD4501。

数据采集子站装置以嵌入式微处理器LPC2294为核心，配备有256K SRAM内存IS61LV25616作为数据存储空间，LPC2294通过CAN隔离变压器CTM8251、CAN总线电缆接头，实现CAN总线通信功能，LPC2294通过MAX485芯片、RS485总线电缆接头，实现RS485总线通信功能，LPC2294与A/D转换芯片ADS1258、电压参考芯片REF5025、主放大器OP07构成电压测量电路；RS485总线电缆接头上输入的测量公共极(M)的电压经过电压跟随器，接到ADS1258的1个输入通道上，进行数据采集/测量；或者并行测量电缆接头中每个引脚经过各自的电压跟随器，接到电子开关CD4501上，再由电子开关CD4501选择1路电压接到ADS1258的另输入通道上，进行数据采集/测量。

由于采用了数字滤波算法(软件)对原始数据进行预处理，每个测量输入通道不需要复杂的信号调理电路(硬件)，因此能降低系统的成本，提高性价比，更重要的是避免各个输入通道的元器件参数的不一致性带来对测量精度影响，简化了电路，提高系统的可靠性。

附图说明

图1、本发明实施例1数据采集子站装置的结构图。

图2、本发明实施例1测量公共极和公共电压参考同时接入到多个数据采集子站装置的原理图。

图3、本发明实施例1数据采集子站装置在科研应用中的应用方案图。

图4、本发明实施例1数据采集子站装置在工程应用中的应用方案图。

图中：笔记本电脑1，USB-CAN接口转换卡2，蓄电池组3，直流升压电源装置4，CAN总线电缆5，数据采集子站装置6，RS485总线电缆7，电极切换装置8，极化电极9，非极化电极10，并行测量电缆11。

具体实施方式

实施例1：它以嵌入式微处理器LPC2294(U1)为核心，配备有256K SRAM内存IS61LV25616(U3)，其特征是：LPC2294(U1)通过CAN隔离变压器CTM8251(U4)与CAN总线电缆接头(P2)的5、6脚相连，LPC2294(U1)通过MAX485芯片(U5)与RS485总线电缆接头(P1)的5、6脚相连，LPC2294(U1)与A/D转换芯片ADS1258(U6)连接，电压参考芯片REF5025(U8)为ADS1258(U6)提供参考电压，主放大电路为运算放大器OP07(U7)，它与ADS1258(U6)跨接；RS485总线电缆接头(P1)的4脚接到ADS1258(U6)的一个输入通道上，2脚接到ADS1258(U6)的输入公共通道上，3脚通过由运算放大器OP07组成的电压跟随器(U9)接到ADS1258(U6)的另一个输入通道上；并行测量电缆接头(P3)中每一个引脚都通过一个由运算放大器OP07组成的电压跟随器(U11)接到电子开关CD4501(U10)上，电子开关CD4501(U10)再接到ADS1258(U6)的其它输入通道上；电源变换电路(U2)把从CAN总线电缆接头(P2)的3、4脚输入的12V直流电压变成5V直流电压，输出到RS485总线电缆接头(P1)的7、8脚上。

各数据采集子站装置通过CAN总线电缆中的一根测量公共极芯线连接，并把测量公共极引到各数据采集子站装置中，各数据采集子站装置都是同时采集测量数据，在测量时，各数据采集子站装置可采用串行或并行方式，RS485总线电缆中的测量公共极芯线通过电极智能切换装置与极化电极或非极化电极连通，然后再通过CAN总线电缆中的测量公共极芯线把这个电极的电位接入到每个数据采集子站装置上，作为测量公共极，每个数据采集子站装置都从RS485总线电缆或并行测量电缆所连接的极化，或非极化的电极中选择1个作为测量采样极，进行电压的测量，即从RS485总线电缆连接的极化或非极化的电极中选择1个作为测量采样极，或从并行测量电缆所连接的极化或非极化的电极中选择1个作为测量采样极。

通过CAN总线电缆中的一根公共电压参考芯线，为所有的数据采集子站装置上的提供完全一致的参考电压，从而使得各个数据采集子站装置之间的测量精度具有一致性，保证了系统的测量精度和分辨率。

结合附图作进一步说明：

图1中，数据采集子站装置以嵌入式微处理器LPC2294(U1)为核心，配备有256KSRAM内存IS61LV25616(U3)作为数据存储空间。LPC2294(U1)通过CAN隔离变压器CTM8251(U4)与CAN总线电缆接头(P2)的5、6脚相连，实现CAN总线通信。LPC2294(U1)通过芯片MAX485(U5)与RS485总线电缆接头(P1)的5、6脚相连，实现RS485总线通信。LPC2294(U1)与A/D转换芯片ADS1258(U6)连接，电压参考芯片REF5025(U8)为ADS1258(U6)提供参考电压，跨接在ADS1258(U6)上的运算放大器OP07设计成放大倍数为10倍的主放大电路(U7)。ADS1258(U6)设置成8个差分、双极性输入模式，其中1个输入通道接在RS485总线电缆接头(P1)的4脚上，通过测量取样电阻R0上的电压来识别电极切换装置连接在RS485总线电缆上的位置。RS485总线电缆接头(P1)的2脚作为测量公共极接到ADS1258(U6)上，RS485总线电缆接头(P1)的3脚通过由运算放大器OP07组成的电压跟随器(U9)接到ADS1258(U6)的另1个输入通道上，作为测量采样极(M)。并行测量电缆接头(P3)中每一个引脚都通过由运算放大器OP07组成的电压跟随器(U11)接到电子开关CD4501(U10)上，电子开关CD4501(U10)再接到ADS1258(U6)的其它输入通道上，作为测量采样极(M)。电源变换电路(U2)把从CAN总线电缆接头(P2)的3、4脚输入的12V直流电压变成5V直流电压，输出到RS485总线电缆接头(P1)的7、8脚上，给电极切换装置供电。它还把12V直流电压变成5V、±12V、±3.3V直流电压，为数据采集子站装置供电。

如图2所示，采用了CAN总线电缆5中的一根芯线把公共测量极(N)引到三维电阻率成像系统中的每个数据采集子站装置6中，并且所有的数据采集子站装置都是同时采集数据(测量)。在测量时(串行或并行方式)，所有的电极切换装置8中只有1个(如接在第m块数据采集子站装置上的第n个)电极智能切换装置把电极9与RS485总线电缆7中的公共测量极芯线连通，然后再通过CAN总线电缆5中的公共测量极芯线把这个电极的电位接入到每个数据采集子站装置上，作为测量公共极(N)。每个数据采集子站装置都从RS485总线电缆或并行测量电缆所连接的(极化或非极化)电极中选择1个作为测量采样极(M)，进行电压的测量。这样在三维电阻率成像系统的布极区域内，同一时刻只有1个电极是测量公共极(N)，每个数据采集子站装置从所连的电极中选择1个电极作为测量采样极(M)，同时进行数据的采集(电压的测量)，既大大提高了系统的数据采集速度，又实现了真正意义上用直流电法进行三维电阻率成像的应用。在CAN总线电缆5中还有一根公共电压参考芯线，因为这根芯线上没有电流通过，所以为所有的数据采集子站装置6上的电压参考芯片REF5025(U8)和ADS1258(U6)提供完全一致的参考电压，从而使得各个数据采集子站装置之间的测量精度具有一致性，提高了系统的测量精度和分辨率。

在图1中，RS485总线电缆接头(P1)的9个引脚和RS485总线电缆中的9根芯线是对应的，其中1脚对应供电正极芯线，2脚对应测量公共极芯线，3脚对应测量采样极芯线，4脚对应电极切换装置位置识别芯线，5脚对应RS485-A芯线，6脚对应RS485-B芯线，7脚对应5V供电正极芯线，8脚对应5V供电负极芯线，9脚对应供电负极芯线。CAN总线电缆接头(P2)的8个引脚和CAN总线电缆中的8根芯线是对应的，其中1脚对应供电正极芯线，2脚对应供电负极芯线，3脚对应12V供电正极芯线，4脚对应12V供电负极芯线，5脚对应CAN+芯线，6脚对应CAN-芯线，7脚对应公共电压参考芯线，8脚对应测量公共极芯线。并行测量电缆接头(P3)的60个引脚和并行测量电缆的60根芯线相对应，每一根都是测量采样极芯线。

由于嵌入式微处理器LPC2294(U1)是32位ARM7TDMI-S内核的CPU，时钟高达60MHz，片内含有256KB的片内程序存储器，外面配备有256K SRAM内存IS61LV25616(U3)作为数据存储空间，这样能满足数据采集和预处理的需要。它内带CAN接口、UART串口，分别接上CAN隔离变压器CTM8251(U4)和MAX485芯片(U5)，就具备符合标准的CAN总线接口和RS485总线接口，能通过CAN总线和笔记本电脑通信以及通过RS485总线和电极切换装置通信。

数据采集(电压测量)采用了A/D转换芯片ADS1258(U6)，它是24位、8个双极性差分输入通道、最快采集速度达125KSPS的低噪声、低偏置、低温漂、低功耗模数转换器，用于数据采集子站装置中非常理想，能满足三维电阻率成像系统对数据采集的要求。由于在每个数据采集子站装置之间，通过CAN总线电缆中的第7根电线提供独立的共同参考电位，因此电压参考芯片REF5025(U8)为ADS1258(U6)提供参考电压就建立在一个标准上，这使得数据采集的精度有了保证。为了提高数据采集的精度和分辨率(精度)，在ADS1258(U6)上跨接了1个运算放大器OP07(U7)，把它设计成放大倍数为10倍的主放大电路。

在串行数据采集方式中，RS485总线电缆接头(P1)的3脚通过电压跟随器(U9)接到ADS1258(U6)的1个输入通道上，作为测量采样极。电压跟随器(U9)采用了运算放大器OP07来实现，其作用大大提高了输入阻抗，就可基本上对输入电压没有影响了。在并行数据采集方式中，并行测量电缆接头(P3)中每个引脚都通过电压跟随器(U11)接到电子开关CD4501(U10)上，电子开关CD4501(U10)再接到ADS1258(U6)的其它输入通道上，作为测量采样极。在某一时刻，只有1个引脚的电压加到ADS1258上进行测量，采用电子开关CD4501能够大大提高切换速度(相对继电器的切换速度)，也就提高了数据采集速度。电压跟随器(U11)也采用了运算放大器OP07来实现，其作用大大提高了输入阻抗，就可基本上对输入电压没有影响了。OP07是最常用的运算放大器，连接成电压跟随器的电路简单(不需要外接电阻)，电路的离散性非常小。

用本发明的数据采集子站装置应用于三维电阻率成像系统的实验步骤：

(1)先进行硬件实物连接。在科研应用中采用并行数据采集方式，按图3连接好笔记本电脑1、USB-CAN接口转换卡2、CAN总线电缆5、蓄电池组3、带CAN接口的直流升压电源装置4、数据采集子站装置6、RS485总线电缆7、并行测量电缆11、电极切换装置8、极化电极9和非极化电极10。在工程应用中采用串行数据采集方式，按图4连接好笔记本电脑1、USB-CAN接口转换卡2、CAN总线电缆5、蓄电池组3、带CAN接口的直流升压电源装置4、数据采集子站装置6、RS485总线电缆7、电极切换装置8、极化电极9。

(2)开启笔记本电脑1，运行三维电阻率成像系统软件，设置好系统工作参数.然后通过CAN总线向数据采集子站装置6发送命令，识别所有的数据采集子站装置，并把它们连接在CAN总线电缆的节点位置参数通过键盘输入到笔记本电脑中。

(3)在笔记本电脑1的控制命令下，数据采集子站装置6通过RS485总线向电极切换装置8发送命令，识别各个电极切换装置以及它们连接在RS485总线电缆的节点位置，并把这些识别结果发送到笔记本电脑中存储。

(4)笔记本电脑1向带CAN接口的直流升压电源装置4发送命令，控制它的工作，选择输出电压的大小、极性、输出方式等。

(5)笔记本电脑1向数据采集子站装置6、电极切换装置8发送命令，从所有极化电极9中选择出2个节点上的极化电极作为供电正极、供电负极，直流升压电源装置输出的电压就加到这2个电极，给被测量对象进行供电。

(6)笔记本电脑1向数据采集子站装置6、电极切换装置8发送命令，从所剩下节点上选择1个非极化电极(在科研应用中)或极化电极(在工程应用中)作为所有数据采集子站装置6的测量公共极；每个数据采集子站装置8再依次从其所连接的电极中选择1个非极化电极(在科研应用中)或极化电极(在工程应用中)作为测量采样极，对测量公共极和测量采样极之间的电压进行连续、多次测量。测量数据存储于各自数据采集子站装置6的数据存储空间上。

(7)不改变供电正极、供电负极，再选择其它1个电极作为测量公共极，每个数据采集子站装置6再依次从其所连接的电极中选择1个非极化电极(在科研应用中)或极化电极(在工程应用中)作为测量采样极，对测量公共极和测量采样极之间的电压进行连续、多次测量。测量数据存储于各自数据采集子站装置6的数据存储空间上。如此循环直到所有电极都用作测量公共极进行了数据的采集。

(8)数据采集子站装置6用数字滤波算法(软件)对测量数据进行预处理，处理结果发送给笔记本电脑1存储。

(9)然后再选择另外2个节点上的极化电极作为供电正极、供电负极，重复前面步骤(6)、(7)、(8)的测量过程，如此循环。

(10)笔记本电脑1最后对测量的数据进行处理、反演计算、成像，就得到测量区域内的三维电阻率分布图像。

Claims (4)

1、一种用于三维电阻率成像系统中的数据采集子站装置，它以微处理器(U1)为核心，配备有256K以上SRAM内存(U3)，其特征是：微处理器(U1)通过CAN隔离变压器(U4)与X组总线电缆接头(P2)的5、6脚相连，微处理器(U1)通过RS485接口芯片(U5)与Y组总线电缆接头(P1)的5、6脚相连，微处理器(U1)与A/D转换芯片(U6)连接，电压参考芯片(U8)为A/D转换芯片(U6)提供参考电压，主放大电路(U7)与A/D转换芯片(U6)跨接；Y组总线电缆接头(P1)的4脚接到A/D转换芯片(U6)的一个输入通道上，2脚接到A/D转换芯片(U6)的输入公共通道上，3脚通过由运算放大器组成的电压跟随器(U9)接到A/D转换芯片(U6)的另一个输入通道上；并行测量电缆接头(P3)中每一个引脚都通过一个由运算放大器组成的电压跟随器(U11)接到电子开关(U10)上，电子开关(U10)再接到A/D转换芯片(U6)的其它输入通道上；电源变换电路(U2)把从X组总线电缆接头(P2)的3、4脚输入的12V直流电压变成5V直流电压，输出到Y组总线电缆接头(P1)的7、8脚上。

2、根据权利要求1所述的一种用于三维电阻率成像系统中的数据采集子站装置，其特征在是：所述的微处理器为嵌入式微处理器LPC2294，配备有256K SRAM内存IS61LV25616，CAN隔离变压器为CTM8251，RS485接口芯片为MAX485，X组总线电缆为CAN总线电缆，Y组总线电缆为RS485总线电缆，A/D转换芯片为ADS1258，电压参考芯片为REF5025，主放大电路为运算放大器OP07，电压跟随器由运算放大器OP07组成，电子开关为电子开关CD4501。

3、根据权利要求2所述的一种用于三维电阻率成像系统中的数据采集子站装置，其特征是：各数据采集子站装置通过CAN总线电缆中的一根测量公共极芯线连接，并把测量公共极引到各数据采集子站装置中，各数据采集子站装置都是同时采集测量数据，在测量时，各数据采集子站装置可采用串行或并行方式，RS485总线电缆中的测量公共极芯线通过电极切换装置与极化或非极化的电极连通，然后再通过CAN总线电缆中的测量公共极芯线把这个电极的电位接入到每个数据采集子站装置上，作为测量公共极，每个数据采集子站装置都从RS485总线电缆或并行测量电缆所连接的极化，或非极化的电极中选择1个作为测量采样极，进行电压的测量。

4、根据权利要求3所述的一种用于三维电阻率成像系统中的数据采集子站装置，其特征是：通过CAN总线电缆中的一根公共电压参考芯线，为所有的数据采集子站装置上的提供完全一致的参考电压，从而使得各个数据采集子站装置之间的测量精度具有一致性，保证了系统的测量精度和分辨率。

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