CN102707321B - 一种瞬变电磁仪接收采集系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种瞬变电磁仪接收采集系统，包括接收线圈、匹配电路、前置放大电路、AD转换电路、主控电路、通信传输处理电路和设置模块。本发明还提供了一种瞬变电磁仪接收采集方法，接收线圈接收电磁信号；匹配电路将电磁信号调节后传递至前置放大电路的输入端；对电磁信号进行放大和去噪后传输至AD转换电路；AD转换电路对电磁信号进行模/数转换后传输至主控电路；主控电路中的复杂可编程逻辑控制器件控制前置放大电路的放大方式和AD转换电路的采样率，通过通信处理传输电路与发射机进行数据通信；微处理器单元对复杂可编程逻辑器件传输的电磁信号进行处理；再设置采样率和放大方式。该系统和方法能够有效地提升信号采集速度。

Description

一种瞬变电磁仪接收采集系统和方法

技术领域

本发明涉及测量控制技术领域，尤其是涉及一种瞬变电磁仪接收采集系统和方法。

背景技术

瞬变电磁仪，用于在地面探测含水层，在井下探测采区内部和外围以及掘进头前方的储水结构，探测良导性矿体埋深和产状、蕴矿构造、老窑及其含水性等，在测量控制技术领域具有重要作用。

目前国产的瞬变电磁仪多采用单片机系列作为核心控制器件，利用单片机控制系统放大、采集数据，由单片机产生AD转换芯片所需要的控制时序，以及通道转换所需要的时序逻辑信号。

单片机虽然价格便宜,但由于其自身特性，能够执行的进程非常有限，当瞬变电磁仪需要同时执行多个进程时，单片机执行会占用较多的时间，使其执行速度较慢。例如，当单片机发出开始采集指令后，要继续产生AD转换芯片所需要的控制时序指令以及通道转换所需要的时序逻辑信号，从开始指令的发出到后续采集过程中的指令之间间隔若干个机器周期，使得在此时间段内的电磁信号无法被有效处理，即采集不到早期的衰变较快的电磁信号。而瞬变电磁仪是否能够准确采集到瞬间的电磁信号特征，是比较重要的指标。

因此，采用单片机进行控制，时间响应慢，采集不到早期的衰变较快的电磁信号，因此采用单片机作为核心控制处理单元影响信号采集的速度。

发明内容

本发明提出了一种瞬变电磁仪接收采集系统和方法，解决了现有技术中采用单片机作为核心控制单元所带来的信号采集速度较慢的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种瞬变电磁仪接收采集系统，包括接收线圈、匹配电路、前置放大电路、AD转换电路、主控电路、通信传输处理电路和设置模块；所述接收线圈，用于接收电磁信号，和所述匹配电路电性连接，所述匹配电路用于将所述电磁信号调节后传递至所述前置放大电路的输入端；所述前置放大电路，用于对所述电磁信号进行放大和去噪后传输至所述AD转换电路的输入端；所述AD转换电路，用于对所述电磁信号进行模/数转换后传输至所述主控电路；所述通信传输处理电路，用于在所述主控电路的控制下，与瞬变电磁仪的发射机进行数据通信；所述主控电路包括复杂可编程逻辑器件和微处理器单元，所述复杂可编程逻辑控制器件与所述前置放大电路、所述AD转换电路、所述通信传输处理电路、所述微处理器电性连接，用于控制所述前置放大电路的放大方式和所述AD转换电路的采样率，通过所述通信处理传输电路与发射机进行数据通信；所述微处理器单元用于对所述复杂可编程逻辑器件传输的电磁信号进行处理；所述设置模块安装在上位机中，所述上位机与所述微处理单元电性连接，所述设置模块用于设置所述采样率和所述放大方式，并对由所述微处理单元处理后的电磁信号进行计算后显示波形。

其中，所述匹配电路包括第一电阻R1，所述第一电阻R1为一高精度阻值可调电阻，并联于所述接收线圈。

其中，所述前置放大电路包括模拟多路选择器和增益可调的程控放大器；所述模拟多路选择器用于接收所述复杂可编程逻辑器件传递的不同控制信号，选通与所述程控放大器电性连接的不同阻值的电阻，以控制所述前置放大调节电路的增益。

其中，所述AD转换电路，包括第一八位同相三态缓冲器、第二八位同相三态缓冲器、第三八位同相三态缓冲器和ADS8401芯片，以及第二电阻、第三电阻、第二电容和第三电容；所述第二电容和第三电容并联连接后一端电性连接至所述ADS8401芯片的REFM引脚并接地，另一端同时电性连接至所述ADS8401芯片的REFIN引脚和REFOUT引脚，所述第二电阻和所述第三电阻串联连接，连接点电性连接至所述复杂可编程逻辑控制器件的BUSY-CPLD引脚，所述第二电阻的另一端电性连接至所述BUSY-AD引脚，所述第三电阻的另一端接地；所述第一八位同相三态缓冲器、第二八位同相三态缓冲器、第三八位同相三态缓冲器和ADS8401芯片其他引脚对应连接。

其中，所述通信传输处理电路，包括低功率传送器或接收器，用于将由所述主控电路传递的两路信号差分为四路信号后输出至发射机。

其中，还包括第一保护电路；所述第一保护电路，电性连接于所述接收线圈和所述匹配电路之间，或电性连接于所述匹配电路和所述前置放大电路之间，用于防止电磁信号过大而击穿所述瞬变电磁仪接收采集系统的电路中各器件；包括第一瞬态抑制二极管、第二瞬态抑制二极管、第四电阻和第五电阻，所述第一瞬态抑制二极管和所述第二瞬态抑制二极管的正极均接地，所述第四电阻的一端与所述第一瞬态抑制二极管的负极电性连接后连接点作为所述第一保护电路的第一输出端，所述第四电阻的另一端作为所述第一保护电路的第一输入端；所述第五电阻的一端与所述第二瞬态抑制二极管的负极连接后连接点作为所述第一保护电路的第二输出端，所述第五电阻的另一端作为所述第一保护电路的第二输入端。

其中，还包括第二保护电路；所述第二保护电路，电性连接于所述前置放大电路和所述AD转换电路之间，用于防止经过所述前置放大电路放大后的电磁信号电压过大而损坏所述AD转换电路和所述主控电路；包括第一高速开关二极管、第二高速开关二极管、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻和第四电容，所述第一高速开关二极管的负极和所述第二高速开关二极管的正极电性连接，连接点作为所述第二保护电路的输出端，所述第二高速开关二极管的负极与直流电压源电性连接，所述第六电阻的一端与所述输出端连接，所述第六电阻的另一端与所述第七电阻和第八电阻以及第四电容电性连接，所述第七电阻的另一端与所述直流电压源电性连接，所述第八电阻的另一端接地，所述第四电容的另一端作为所述第二保护电路的输入端，所述第九电阻电性连接于所述输入端和地之间。

本发明还提供了一种瞬变电磁仪接收采集方法，包括步骤：

接收线圈接收电磁信号；

匹配电路将所述电磁信号调节后传递至前置放大电路的输入端；

所述前置放大电路对所述电磁信号进行放大和去噪后传输至AD转换电路的输入端；

所述AD转换电路，对所述电磁信号进行模/数转换后传输至所述主控电路；

所述主控电路中的复杂可编程逻辑控制器件控制所述前置放大电路的放大方式和所述AD转换电路的采样率，通过所述通信处理传输电路与发射机进行数据通信；

微处理器单元对所述复杂可编程逻辑器件传输的电磁信号进行处理；

设置模块设置所述放大方式和所述采样率，并对由所述微处理单元处理后的电磁信号进行计算后显示波形。

其中，所述设置模块与所述微处理器单元、所述主控电路通过预设的通信协议进行数据通信，所述通信协议规定了开始进行采集的指令控制字和采集过程中的各项指标指令控制字；

所述步骤接收线圈接收电磁信号之前还包括步骤：

所述微处理器单元将所述上位机发出的开始进行采集的指令控制字传递给所述复杂可编程逻辑器件，再由所述复杂可编程逻辑器件传递至所述通信传输处理电路以控制采集工作的开始；

所述微处理器单元将所述上位机发出的采集过程中的各项指标指令控制字传递给所述复杂可编程逻辑器件，再由所述复杂可编程逻辑器件传递至所述AD转换电路、所述前置放大电路，以控制所述前置放大电路的放大方式和所述AD转换电路的采样率。

其中，所述通过所述通信处理传输电路与发射机进行数据通信包括步骤：

通信传输处理电路将所述主控电路传递的两路信号差分为四路信号后输出至发射机。

可见，本发明至少具有如下的有益效果：

1、本发明的一种瞬变电磁仪接收采集系统和方法，其主控电路包括复杂可编程逻辑器件和微处理器单元，并设置了所述前置放大电路、所述AD转换电路、所述通信传输处理电路、所述微处理器和所述设置模块，利用复杂可编程逻辑器件控制所述前置放大电路的放大方式和所述AD转换电路的采样率，通过所述通信处理传输电路与发射机进行数据通信，由于复杂可编程逻辑器件可同步执行多个进程，同时实现对前置放大电路的放大方式的控制功能及与发射机通信功能，即从开始采集信号到对信号进行放大等处理，不存在时间上的滞后，因此，提高了系统的实时性，提高了信号采集的速度，同时也提高了精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的瞬变电磁仪接收采集系统的结构示意图；

图2为本发明的瞬变电磁仪接收采集系统的接收线圈和匹配电路的电路原理示意图；

图3（a）至图3（e）为本发明的瞬变电磁仪接收采集系统的AD转换电路的一个实施例的电路原理图；

图4为本发明的瞬变电磁仪接收采集系统的第一保护电路的电路原理图；

图5为本发明的瞬变电磁仪接收采集系统的第二保护电路的电路原理图；

图6为本发明的瞬变电磁仪接收采集系统的上位机与主控电路进行数据通信的流程图；

图7为上位机的软件界面及其采集到的波形。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出了一种瞬变电磁仪接收采集系统，参见图1，图1为本发明的瞬变电磁仪接收采集系统的结构示意图。包括接收线圈、匹配电路、前置放大电路、AD（analog-digital，模数）转换电路、主控电路和通信传输处理电路。

参见图2，图2为本发明的瞬变电磁仪接收采集系统的接收线圈和匹配电路的电路原理示意图。

所述接收线圈，用于接收电磁信号，和所述匹配电路电性连接，所述匹配电路用于将所述电磁信号调节后传递至所述前置放大电路的输入端。

其中，所述接收线圈包括第一电感和第一电容C 1，图中所示R为所述第一电感的等效直流电阻。接收线圈的设计，一方面需要考虑提高接收线圈的灵敏度，一方面要提高接收线圈的响应速率。

优选地，作为一种可实施方式，所述接收线圈采用与发射机的发射线圈重叠的回线结构，该结构下，收发中心重合，对目标体的耦合响应最大，接收信号的幅度最大；异常特征极为简单，即很容易分辨出地下异常的目标体；接收线圈的边长较大，接收面积也较大，但是谐振频率却很高，不会因为电感大而使谐振频率降低。

为了尽可能大的接收到有用信号，接收线圈之后加入必要的阻抗匹配电路。所述匹配电路包括第一电阻R1，所述第一电阻R1为一高精度阻值可调电阻，并联于所述接收线圈。优选地，可选用1/8W高精度电阻。

对于瞬变电磁仪接收采集系统，接收线圈有一个最佳的外接匹配电阻，可以使接收线圈处于临界阻尼状态，这样系统既能最好的跟踪感应信号又不会使系统产生振荡从而导致信号严重失真，从而提高瞬变电磁仪数据采集的精度和速率。因此，第一电阻R1采用可手动调节阻尼的电阻，以调节出最匹配的电阻值。

所述前置放大电路，用于对所述电磁信号进行放大和去噪后传输至所述AD转换电路的输入端。

所述前置放大电路包括模拟多路选择器和增益可调的程控放大器，其中，所述模拟多路选择器接收所述复杂可编程逻辑器件传递的不同控制信号，选通与所述程控放大器电性连接的不同阻值的电阻，以控制所述前置放大调节电路的增益。

优选地，作为一种可实施方式，采用模拟多路选择器ADG409和增益可调的程控放大器AD625，AD625可通过控制3个外部电阻的阻值控制放大倍数从1倍到10,000倍变化。

通过ADG409不同的控制信号选通控制不同的电阻，输入到ADG409地址A0、A1的值分别为“00”、“01”、“10”、“11”时，可以对应调节前置放大调节电路增益变化为1倍、100倍、1,000倍、10,000倍。这样，可以将电磁信号分段放大，最高放大倍数达到10000倍（80db），从而可以更好的研究快速衰减的瞬变电磁信号的细节性信息。

所述AD转换电路，用于对所述电磁信号进行模/数转换后传输至所述主控电路。该系统选用16位并行ＡＤ转换芯片ADS8401，采样率高达1Ｍ，从而增大信号采集的幅度范围，以便研究瞬变电磁信号细节信息。

参见图3（a）至图3（e），为本发明的瞬变电磁仪接收采集系统的AD转换电路的一个实施例的电路原理图。

优选地，所述AD转换电路，包括第一八位同相三态缓冲器（参见图3（b））、第二八位同相三态缓冲器（参见图3（c））、第三八位同相三态缓冲器（参见图3（d））和ADS8401芯片（参见图3（a）），以及第二电阻R2、第三电阻R3、第二电容C2和第三电容C3。

参见图3（e），所述第二电容C2和第三电容C3并联连接后一端电性连接至所述ADS8401芯片的REFM引脚并接地，另一端同时电性连接至所述ADS8401芯片的REFIN引脚和REFOUT引脚，所述第二电阻R2和所述第三电阻R3串联连接，连接点电性连接至所述复杂可编程逻辑控制器件的BUSY-CPLD引脚，所述第二电阻R2的另一端电性连接至所述BUSY-AD引脚，所述第三电阻R3的另一端接地。

在本实施例中，所述八位同相三态缓冲器的型号为SNJ54AHC244W，本领域技术人员能够根据图中所示电路，根据各芯片的功能特点和引脚设置，将所述第一八位同相三态缓冲器、第二八位同相三态缓冲器、第三八位同相三态缓冲器和ADS8401芯片其他引脚对应连接，不再赘述。另外，本领域技术人员可根据本发明的技术构思，用其他型号的芯片代替SNJ54AHC244W，本发明不做限定。

本发明的AD转换电路，采用CPLD实时控制AD转换电路采集瞬变电磁信号，可实时控制采样率的变化，从而分析大频率范围的瞬变电磁信号特征。

所述通信处理传输电路，所述通信传输处理电路，用于在所述主控电路的控制下，与瞬变电磁仪的发射机进行数据通信。

优选地，作为一种可实施方式，该电路将两路信号差分出四路输出，信号经过线缆传输至发射机电路将四路差分信号还原成两路，可有效地抑制共模干扰，提高抗噪性能。

通信时，通过线缆传输方式，采用RS485通信协议。

该方案有如下优势：成本低；不易损坏接口电路的芯片；数据最高传输速率高达10Mbps（兆位/秒）；接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。

所述主控电路包括复杂可编程逻辑器件和微处理器单元，所述复杂可编程逻辑控制器件与所述前置放大电路、所述AD转换电路、所述通信传输处理电路、所述微处理器电性连接，用于控制所述前置放大电路的放大方式和所述AD转换电路的采样率，通过所述通信处理传输电路与发射机进行数据通信；所述微处理器单元用于对所述复杂可编程逻辑器件传输的电磁信号进行处理。

作为一种可实施方式，所述主控电路采用ARM+CPLD主控结构。即所述微处理单元包括ARM（Advanced RISC Machines）架构下的Cortex-M3为内核的微处理器和其外围电路，其具有高速度、高控制性能、低功耗、低噪声、低成本等特点。

优选地，所述主控电路还包括存储芯片SRAM（Static RAM）。

CPLD为本系统的核心器件，CPLD管脚通过接插口链接到AD转换电路部分，与ARM和SRAM通过布线链接。CPLD工作时钟通过由外置晶振提供，工作时钟为50Mhz。

在本实施例中，ARM及硬件外围电路的连线方式为：利用JTAG（JointTest Action Group，联合测试行动小组）口通过20芯带线进行JTAG连接，以进行程序的下载和调试，ARM的两个串口UART（Universal AsynchronousReceiver/Transmitter，通用异步接收/发送装置）1与UART2通过MAX232连接到两个串口端口，电源管脚并联退偶电容后电性连接至3.3V电源,部分定义的GPIO（General Purpose Input Output，通用输入/输出）口与CPLD相应接口连接外接时钟接口与CPLD连接，由ARM控制。

ARM微处理器可以满足数据采集精度和数位的需求；系统利用CPLD的高速高精度特点进行数据采集，所需控制时序及地址译码等信号均由CPLD产生，并实时将AD转换数据放于存储芯片SRAM中，待转换完毕读取SRAM中转换结果进行处理，大大提高系统的数据采集速度，CPLD同时实现程控放大及与发射机通信功能，提高了系统的实时性。

所述通信传输处理电路，包括低功率传送器或接收器，用于将由所述主控电路传递的两路信号差分为四路信号后输出至发射机。

优选地，作为一种可实施方式，所述通信传输处理电路与所述发射机之间用线缆传输，采用RS485通信协议，接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，以增强抗共模干扰能力。

接收机端的通信传输处理电路将两路信号差分出四路输出，信号经过线缆传输至发射机，发射机端与所述通信传输处理电路对应设置的接口电路将四路差分信号还原成两路。

采用将两路信号差分为四路信号输出再将四路信号还原为两路的方式，可以降低成本；同时不易损坏接口电路的芯片；数据最高传输速率高达10Mbps，抗噪声干扰性好。

所述设置模块安装在上位机中，上位机与所述微处理单元电性连接，所述设置模块用于将由所述微处理单元处理后的电磁信号进行计算后显示波形，并设置所述采样率和所述放大方式。

作为一种可实施方式，所述上位机为便携式电脑，通过上位机中的设置模块完成采样率和放大方式的设置，接收信号动态范围达到160db。

优选地，电磁仪接收采集系统，还包括第一保护电路。

由于发射信号是瞬时的大电流，接收的一次场和二次场可能存在瞬时的大脉冲，为了防止电路不被击穿，在系统的前端设计保护电路，该保护电路使用了瞬态抑制二级管，优选地，可选用P6KE瞬态抑制二极管。可以瞬间吸收数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件。

参见图4，图4为本发明的瞬变电磁仪接收采集系统的第一保护电路的电路原理图。

第一保护电路，电性连接于接收线圈和匹配电路之间，或电性连接于所述匹配电路和所述前置放大电路之间，用于防止电磁信号过大而击穿所述瞬变电磁仪接收采集系统的电路中各器件。

包括第一瞬态抑制二极管D1、第二瞬态抑制二极管D2、第四电阻R4和第五电阻R5，所述第一瞬态抑制二极管D1和所述第二瞬态抑制二极管D2的正极均接地，所述第四电阻R4的一端与所述第一瞬态抑制二极管D1的负极电性连接后连接点作为所述第一保护电路的第一输出端（图4中所示OUT1），所述第四电阻R4的另一端作为所述第一保护电路的第一输入端（图4中所示IN1）；所述第五电阻R5的一端与所述第二瞬态抑制二极管D2的负极连接后连接点作为所述第一保护电路的第二输出端（图4中所示OUT2），所述第五电阻R5的另一端作为所述第一保护电路的第二输入端（图4中所示IN2）。

优选地，所述瞬变电磁仪接收采集系统还包括第二保护电路。

参见图5，图5为本发明的瞬变电磁仪接收采集系统的第二保护电路的电路原理图。

所述第二保护电路，电性连接于所述前置放大电路和所述AD转换电路之间，用于防止经过所述前置放大电路放大后的电磁信号电压过大而损坏所述AD转换电路和所述主控电路。

包括第一高速开关二极管D3、第二高速开关二极管D4、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9和第四电容C4，所述第一高速开关二极管D3的负极和所述第二高速开关二极管D4的正极电性连接，连接点作为所述第二保护电路的输出端（图5中所示signal2），所述第二高速开关二极管D4的负极与直流电压源电性连接，所述第六电阻R6的一端与所述输出端连接，所述第六电阻R6的另一端与所述第七电阻R7和第八电阻R8以及第四电容C4电性连接，所述第七电阻R7的另一端与所述直流电压源电性连接，所述第八电阻R8的另一端接地，所述第四电容C4的另一端作为所述第二保护电路的输入端（图5中所示signal1），所述第九电阻R9电性连接于所述输入端和地之间。

该接收采集系统的工作流程主要为：主控电路部分通过通信传输处理电路将开始采集指令信号发送到发射机中，发射机开始工作，协同该接收采集系统的采集工作同时进行，该接收采集系统通过接收线圈采集到电磁信号，通过匹配电路调节成适宜的电压信号传递到前置放大电路中，将原始电压信号放大及去噪，放大倍数由主控部分CPLD(Complex Programmable LogicDevice，复杂可编程逻辑器件)控制，信号经过AD转换将模拟信号转换成数字信号，数字信号再由CPLD采集，由主控电路部分处理后传输到上位机进行进一步的处理。

本发明还提供了一种瞬变电磁仪接收采集方法，包括步骤：

步骤S100：所述微处理器单元将所述上位机发出的开始进行采集的指令控制字传递给所述复杂可编程逻辑器件，再由所述复杂可编程逻辑器件传递至所述通信传输处理电路以控制采集工作的开始。

步骤S101：接收线圈接收电磁信号。

步骤S102：匹配电路将所述电磁信号调节后传递至前置放大电路的输入端。

步骤S103：所述前置放大电路对所述电磁信号进行放大和去噪后传输至AD转换电路的输入端。

步骤S103：所述AD转换电路，对所述电磁信号进行模/数转换后传输至所述主控电路。

步骤S104：所述主控电路中的复杂可编程逻辑控制器件控制所述前置放大电路的放大方式和所述AD转换电路的采样率，通过所述通信处理传输电路与发射机进行数据通信。

步骤S105：微处理器单元对所述复杂可编程逻辑器件传输的电磁信号进行处理。

优选地，所述步骤微处理器单元对所述复杂可编程逻辑器件传输的电磁信号进行处理之后还包括：

步骤S106：设置模块将由所述微处理单元处理后的电磁信号进行计算后显示波形。

微处理器单元、复杂可编程逻辑器件、上位机进行数据通信，设计一套通信协议，以保证数据传输过程中的正确与完整性。所述通信协议主要包括主控电路同时实现各部分同步控制、与发射机的通信功能的各项通信指令控制字，还包括设计与发射机通信信号的传输方式，即规定了开始进行采集的指令控制字和采集过程中的各项指标指令控制字，如AD转换电路的采样率、前置放大电路的放大方式等。

所述微处理器单元将所述上位机发出的采集过程中的各项指标指令控制字传递给所述复杂可编程逻辑器件，再由所述复杂可编程逻辑器件传递至所述AD转换电路、所述前置放大电路，以控制所述前置放大电路的放大方式和所述AD转换电路的采样率。

作为一种可实施方式，所述通信传输处理电路与所述发射机之间用线缆传输，采用RS485通信协议，通信传输处理电路将所述主控电路传递的两路信号差分为四路信号后输出至发射机。

为了防止指令被异常信号干扰，指令开始时有一个起始判断，当接收到开始指令AB时进行指令的接收及判断处理工作，从而保证指令的正确性。指令的最后有开始执行的标志位，接收到该标志位后CPLD才可以开始工作，从而保证了指令的完整性。

一些基本的设置如增益、分段放大的宽度、采样点、采样率等由上位机输入转换处理后传给ARM，再由ARM处理后传给CPLD。为了保障各设备及接口间传输控制字的统一，需规范控制字格式。本文将控制字分为11个单元，分别代表不同控制内容，每个单元32位（8个16进制数），完整的指令控制字格式如下表所示。

其中，基本控制单元控制着AD转换及数据采集的起始信号；319位为工作模式选择位；增益放大倍数由289~288位决定；time1~time4为分段放大四段的大小，放大间隔控制PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）和分段放大的周期；采样点控制采样的点数，采样率控制AD转换的采样速率。

所述上位机中的软件能够输入基本的系统设置参数，实现上位机和主控电路的微处理单元部分的通信，可实时设置采样率、放大方式，其中放大方式包括固定增益方式或者分段放大方式，分段放大方式包括设置分段放大各段比例及大小、采样点数。这样，上位机能够实现实时的波形绘制显示、输入参数的纠错功能。

参见图6，图6为本发明的瞬变电磁仪接收采集系统的上位机与主控电路进行数据通信的流程图。所述上位机利用所述通信协议，与主控电路进行数据通信的具体过程为：上位机通过打开串口操作进行串口的配置与连接；通过手动输入设置控制字，若要接收采集系统主控识别控制字，需对控制字进行字符转换，并加入字头AB+C作为主控电路部分起始工作的判断符号；主控电路收到信号后进行内部参数设置，上位机接着发送AB+D作为开始采集指令，主控电路收到该信号后开始控制AD转换及与发射机通信协同采集数据，上位机通过串口接收数据，将数据进行格式转换后描点画图，直至数据采集完毕。

参见图7，图7为上位机的软件界面及其采集到的波形。

优选地，本发明的瞬变电磁仪接收采集系统，电源的设计选用铅酸电池供电，线性稳压电源稳压，工作电压平稳、纹波小且满足了便携式的需求。

为了保证有用信号不被淹没在噪声中，电路设计的抗噪性能设计尤为重要，优选地，芯片选型时尽量用信噪比高的贴片芯片，其中前置放大电路电阻选用1/8W（瓦）高精度电阻，电路PCB（PrintedCircuitBoard，印制电路板）设计采用多层板，其中AD转换电路PCB采用了四层板的设计。

现有技术中的瞬变电磁仪，储量小,无法进行长时间大范围的工作；界面差,不利于学习掌握和推广；在动态范围、分辨率等指标上不能满足要求，占用较多的指令执行时间和硬件资源，影响执行复杂控制算法的速度，难以达到检测早期瞬变电磁信号（衰减快）的要求。

且由于存储速度的影响，目前国产的瞬变电磁仪实时存储量小。

本发明提供的一种瞬变电磁仪接收采集系统和方法，该系统包括接收线圈及匹配电路、前置放大电路、保护电路、AD转换电路、由ARM及CPLD以及外围器件组成的主控电路、与发射机通信的通信传输处理电路，采用上位机完成人机交互及后期处理；主控选用CPLD+ARM结构控制；通过设计一套独立的通信协议，来完成各器件之间的数据通信。

瞬变电磁仪接收系统这样的一套有完整软硬件结构的瞬变电磁仪接收采集系统，系统功能全面，性能稳定，符合地探要求，应用效果良好，能够与发射机配合在户外环境中使用。系统接收信号动态范围达到160db（分贝），其中浮点放大电路增益达到80db，系统采样精度达到24bit（比特），采样速度达到1Mhz（兆赫兹）；系统很好的抑制噪声，电源纹波小于mV（毫伏）级。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种瞬变电磁仪接收采集系统，其特征在于，包括接收线圈、匹配电路、前置放大电路、AD转换电路、主控电路、通信传输处理电路和设置模块；

所述接收线圈，用于接收电磁信号，和所述匹配电路电性连接，所述匹配电路用于将所述电磁信号调节后传递至所述前置放大电路的输入端；

所述前置放大电路，用于对所述电磁信号进行放大和去噪后传输至所述AD转换电路的输入端；

所述AD转换电路，用于对所述电磁信号进行模/数转换后传输至所述主控电路；

所述通信传输处理电路，用于在所述主控电路的控制下，与瞬变电磁仪的发射机进行数据通信；

所述主控电路包括复杂可编程逻辑器件和微处理器单元，所述复杂可编程逻辑控制器件与所述前置放大电路、所述AD转换电路、所述通信传输处理电路、所述微处理器电性连接，用于控制所述前置放大电路的放大方式和所述AD转换电路的采样率，通过所述通信处理传输电路与发射机进行数据通信；所述微处理器单元用于对所述复杂可编程逻辑器件传输的电磁信号进行处理；

所述设置模块安装在上位机中，所述上位机与所述微处理单元电性连接，所述设置模块用于设置所述采样率和所述放大方式，并对由所述微处理单元处理后的电磁信号进行计算后显示波形。

2.根据权利要求1所述的瞬变电磁仪接收采集系统，其特征在于，所述匹配电路包括第一电阻，所述第一电阻为一高精度阻值可调电阻，并联于所述接收线圈。

3.根据权利要求1所述的瞬变电磁仪接收采集系统，其特征在于，所述前置放大电路包括模拟多路选择器和增益可调的程控放大器；

所述模拟多路选择器用于接收所述复杂可编程逻辑器件传递的不同控制信号，选通与所述程控放大器电性连接的不同阻值的电阻，以控制所述前置放大调节电路的增益。

4.根据权利要求1所述的瞬变电磁仪接收采集系统，其特征在于，所述AD转换电路，包括第一八位同相三态缓冲器/线驱动器、第二八位同相三态缓冲器、第三八位同相三态缓冲器和ADS8401芯片，以及第二电阻、第三电阻、第二电容和第三电容；

所述第二电容和第三电容并联连接后一端电性连接至所述ADS8401芯片的REFM引脚并接地，另一端同时电性连接至所述ADS8401芯片的REFIN引脚和REFOUT引脚，所述第二电阻和所述第三电阻串联连接，连接点电性连接至所述复杂可编程逻辑控制器件的BUSY-CPLD引脚，所述第二电阻的另一端电性连接至所述BUSY-AD引脚，所述第三电阻的另一端接地；

所述第一八位同相三态缓冲器、第二八位同相三态缓冲器、第三八位同相三态缓冲器和ADS8401芯片其他引脚对应连接。

5.根据权利要求1所述的瞬变电磁仪接收采集系统，其特征在于，所述通信传输处理电路，包括低功率传送器或接收器，用于将由所述主控电路传递的两路信号差分为四路信号后输出至发射机。

6.根据权利要求1所述的瞬变电磁仪接收采集系统，其特征在于，还包括第一保护电路；

所述第一保护电路，电性连接于所述接收线圈和所述匹配电路之间，或电性连接于所述匹配电路和所述前置放大电路之间，用于防止电磁信号过大而击穿所述瞬变电磁仪接收采集系统的电路中各器件；

包括第一瞬态抑制二极管、第二瞬态抑制二极管、第四电阻和第五电阻，所述第一瞬态抑制二极管和所述第二瞬态抑制二极管的正极均接地，所述第四电阻的一端与所述第一瞬态抑制二极管的负极电性连接后连接点作为所述第一保护电路的第一输出端，所述第四电阻的另一端作为所述第一保护电路的第一输入端；所述第五电阻的一端与所述第二瞬态抑制二极管的负极连接后连接点作为所述第一保护电路的第二输出端，所述第五电阻的另一端作为所述第一保护电路的第二输入端。

7.根据权利要求1所述的瞬变电磁仪接收采集系统，其特征在于，还包括第二保护电路；

所述第二保护电路，电性连接于所述前置放大电路和所述AD转换电路之间，用于防止经过所述前置放大电路放大后的电磁信号电压过大而损坏所述AD转换电路和所述主控电路；

包括第一高速开关二极管、第二高速开关二极管、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻和第四电容，所述第一高速开关二极管的负极和所述第二高速开关二极管的正极电性连接，连接点作为所述第二保护电路的输出端，所述第二高速开关二极管的负极与直流电压源电性连接，所述第六电阻的一端与所述输出端连接，所述第六电阻的另一端与所述第七电阻和第八电阻以及第四电容电性连接，所述第七电阻的另一端与所述直流电压源电性连接，所述第八电阻的另一端接地，所述第四电容的另一端作为所述第二保护电路的输入端，所述第九电阻电性连接于所述输入端和地之间。

8.一种瞬变电磁仪接收采集方法，其特征在于，包括步骤：

接收线圈接收电磁信号；

匹配电路将所述电磁信号调节后传递至前置放大电路的输入端；

所述前置放大电路对所述电磁信号进行放大和去噪后传输至AD转换电路的输入端；

所述AD转换电路，对所述电磁信号进行模/数转换后传输至所述主控电路；

所述主控电路中的复杂可编程逻辑控制器件控制所述前置放大电路的放大方式和所述AD转换电路的采样率，通过所述通信处理传输电路与发射机进行数据通信；

微处理器单元对所述复杂可编程逻辑器件传输的电磁信号进行处理；

设置模块设置所述放大方式和所述采样率，并对由所述微处理单元处理后的电磁信号进行计算后显示波形。

9.根据权利要求8所述的瞬变电磁仪接收采集方法，其特征在于，所述设置模块与所述微处理器单元、所述主控电路通过预设的通信协议进行数据通信，所述通信协议规定了开始进行采集的指令控制字和采集过程中的各项指标指令控制字；

所述步骤接收线圈接收电磁信号之前还包括步骤：

所述微处理器单元将所述上位机发出的开始进行采集的指令控制字传递给所述复杂可编程逻辑器件，再由所述复杂可编程逻辑器件传递至所述通信传输处理电路以控制采集工作的开始；

所述微处理器单元将所述上位机发出的采集过程中的各项指标指令控制字传递给所述复杂可编程逻辑器件，再由所述复杂可编程逻辑器件传递至所述AD转换电路、所述前置放大电路，以控制所述前置放大电路的放大方式和所述AD转换电路的采样率。

10.根据权利要求8所述的瞬变电磁仪接收采集方法，其特征在于，所述通过所述通信处理传输电路与发射机进行数据通信包括步骤：

通信传输处理电路将所述主控电路传递的两路信号差分为四路信号后输出至发射机。