CN103454689B - 一种四维电阻率成像系统同步装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四维电阻率成像系统同步装置及方法，它包括系统主机同步装置、发射机同步装置和电测子站同步装置，以ARM7数字处理器为核心控制，并接收GPS接收机输出的国际标准时秒脉冲信号，实现系统主机控制发射机在供电后多个电测子站的同步采集。同步装置由主机、发射机和电测子站上的ARM7控制器通过串口控制GPS接收机接收秒脉冲信号，并与计数器相连形成同步秒信号。同时主机的ARM7处理器通过定时器控制发射机的正负供电方时间，并向电测子站发送电阻率采集指令，保证系统实现供电N秒（可通过主机自行设定）后，各电测子站同步采样。提高了电测装置的采集数据的一致性和可靠性。

Description

一种四维电阻率成像系统同步装置及方法

技术领域

本发明属于地球物理勘探技术领域，涉及一种四维电阻率成像系统同步装置及方法。

背景技术

电阻率成像技术的研究随着科学的发展和找矿的需要日臻完善，已从第一代发展到第四代。当前，电阻率采集系统以串行方式进行数据采集，数据传输与存储由主机完成，典型系统可分为集中式和分布式。第一至第三代电阻率成像仪器基本采用集中式，即将几十根电极通过多芯电缆连接到一个转换箱上，转换箱再根据需要选择电极进行测量。进入二十一世纪，出现了多通道的分布式高密度电阻率仪器。

电阻率成像技术是自然地质灾害和地下污染物勘查的有效技术手段之一。但现有的二维和三维电阻率成像系统因同步管理电极数量少，难以在自然地质灾害预测和地下污染物勘查过程中提供及时、准确的地下目标体电性信息的变化，使电阻率法勘探在该领域发挥的作用受到限制。因此，开发能对地下目标体电性数据的实时、大面积、准确测量的四维电阻率成像技术已成为电阻率成像仪器的主要发展方向。

传统电法仪器采用高精度恒温石英晶体振荡器提供高精度时钟，但在实际应用中受场地、距离等条件限制，而且晶体振荡器会有时间累积误差，而利用GPS的高精度时钟和秒脉冲信号，可以很好地解决时间同步问题，无时间累积误差，可以应用于四维电阻率采集系统中，使其成为自然地质灾害预测和地下污染物勘查的有效技术手段。

发明内容

本发明的目的就是提供一种能满足四维电阻率成像系统中系统主机、发射机和电子子站实现同步的四维电阻率成像系统同步装置及方法。

本发明四维电阻率成像系统，如图1所示，由主机、发射机、电测子站和智能电极组成。其中，主机通过电缆控制发射机的正向供高压电、停止供电和负向供高压电三种状态转换；主机通过CAN总线与各电测子站相连控制各电测子站采集和传输数据；发射机通过供电电缆与子站相连并连接到各智能电极上，主机通过电测子站的485总线控制各智能电极的供电电极和测量电极两种状态切换。整个系统的时序图如图5所示。

本发明技术方案之一：一种四维电阻率成像系统同步装置，包括系统主机同步装置、发射机同步装置和电测子站同步装置，所述系统主机同步装置为：主机GPS接收机U1的信号通过输出端两个引脚1、2号连接主机ARM7处理器U2的两个串行接口75、76号引脚，将UTC时间信息输入主机ARM7处理器U2；主机ARM7处理器U2的四个GPIO口4、5、6、8号引脚连接主机计数器U4的输入端四个引脚1、9、10、15号，主机计数器U4的四个输出引脚2、3、6、7号分别连接电测子站ARM7处理器U6的四个GPIO口23、25、32、33号引脚和发射机ARM7处理器U8的四个GPIO口23、25、32、33号引脚，当主机计数器U4计数减到0时，则发出一个起始脉冲电平控制电测子站ARM7处理器U6、发射机ARM7处理器U8开始工作。通信模块U7的两个引脚3、4号连接主机ARM7处理器U2的两个引脚64、66号，通信模块U7的另两个引脚6、7号连接电测子站ARM7处理器U2的两个引脚64、66号，电测子站ARM7处理器U6和主机ARM7处理器U2之间通过通信模块U7实现数据传输。同时主机ARM7处理器U2通过GPIO口连接液晶屏U5、键盘U9等外设模块。

优选：所述发射机同步装置，发射机ARM7处理器U8的两个引脚6、7号与主机ARM7处理器U2的两个引脚64、66号连接，发射机ARM7处理器U8接收到主机ARM7处理器U2传输的供电指令后，通过发射机GPS接收机U10输出端1、2号连接发射机ARM7处理器U8的两个串行接口75、76号引脚输入UTC时间信息，发射机ARM7处理器U8的四个GPIO口4、5、6、8号引脚连接发射机计数器U12输入端的四个引脚1、9、10、15号，发射机计数器U12的四个输出引脚2、3、6、7号一路连接主机ARM7处理器U2的四个GPIO口23、25、32、33号引脚，控制发射机处理器U8开始供电，另一路与正向高压模块U13和负向高压模块U14相连。根据预设的时间参数，实现正向供电、断电和反向供电之间的切换。

所述电测子站同步装置，电测子站ARM7处理器U6和主机ARM7处理器U2之间通过通信模块U7实现数据传输，当电测子站ARM7处理器U6接收到主机ARM7处理器U2发送的采集命令后，电测子站GPS接收机U15输出端1、2连接电测子站ARM7处理器U6的两个串行接口75、76号引脚输入UTC时间信息，电测子站ARM7处理器U6的四个GPIO口4、5、6、8号引脚连接电测子站计数器U17的输入端四个引脚1、9、10、15号，电测子站计数器U17的四个输出引脚2、3、6、7号连接模数转换器U18和电极控制器U19，电测子站ARM7处理器U6的一个引脚23号连接模数转换器U18的一个引脚29号。

当电测子站计数器U17计数减到0时，开始采集电位信号，电测子站ARM7处理器U6的两个引脚64、66号连接通信模块U7的两个引脚6、7号，通信模块U7的另外两个引脚3、4号连接主机ARM7处理器U2的两个引脚64、66号。电测子站ARM7处理器U6和主机ARM7处理器U2之间通过通信模块U7实现数据传输。

本发明技术方案之二：一种四维电阻率成像系统同步方法，采用主机同步装置、发射机同步装置和电测子站同步装置，以ARM7数字处理器为核心控制，并接收GPS接收机输出的国际标准时秒脉冲信号，实现各部分之间的同步。

优选：

（1）主机同步装置的主机GPS接收机U1输出的UTC时间信息输入主机ARM7处理器U2，主机ARM7处理器U2通过主机计数器U4控制电测子站ARM7处理器U6、智能电极和发射机ARM7处理器U8工作状态，并通过通信模块U7实现与电测子站ARM7处理器U6之间的数据传输；

（2）发射机同步装置接收到主机ARM7处理器U2传输的供电指令后，接收发射机GPS接收机U10输出的UTC时间信息，并根据预设的时间参数实现正向供电、断电和反向供电之间的切换；

（3）电测子站同步装置接收到主机ARM7处理器U2传输的采集命令后，接收电测子站GPS接收机U15输出的UTC时间信息，并开始采集电位信号，采集完成后通过通信模块U7完成与主机ARM7处理器U2之间的数据传输。

进一步优选：主机通过CAN总线与各电测子站相连控制各电测子站采集和传输数据；发射机通过供电电缆与子站相连并连接到各智能电极上，主机通过电测子站的485总线控制各智能电极的供电电极和测量电极两种状态切换：

首先由主机向发射机和电测子站的ARM7处理器发送接收GPS时间指令；

然后主机向发射机发送正向供电指令，并控制第一台电测子站1所连接的第一台第一个智能电极1-1转换为供电模式；通过供电电缆与发射机相连，向大地供正向800伏以上高压电；

同时向所有电测子站发送采集指令，其余智能电极转换为测量模式，测量大地电位；

经过某一时间T1后，主机向各所有电测子站发送传输数据指令，所有电测子站电测子站通过GPS接收机发送的标准时秒脉冲定时，并将采集到的数据传输回主机，主机确认接收完毕所有电测子站的数据后，向发射机发送停止供电指令；经过5±1秒时间T2后，主机向发射机发送反向供电指令；

重复上述过程直至发射机停止供电，完成第一台第一个智能电极1-1转换供电的采集过程；

通过主机控制，采用上述电极逐个单点供电，其余电极测量其余电极测量的全采集过程，完成各智能电极1-2、1-3……16-16转换供电的采集过程，即实现了四维电阻率成像系统的同步测量。

本发明以ARM7数字处理器为核心控制，并接收GPS接收机输出的国际标准时秒脉冲信号，实现系统主机控制发射机在供电后多个电测子站的同步采集。同步装置由主机、发射机和电测子站上的ARM7控制器通过串口控制GPS接收机接收秒脉冲信号，并与计数器相连形成同步秒信号。同时主机的ARM7处理器通过定时器控制发射机的正负供电方时间，并向电测子站发送电阻率采集指令，保证系统实现供电N秒（可通过主机自行设定）后，各电测子站同步采样。提高了电测装置的采集数据的一致性和可靠性。

附图说明

图1为本发明四维电阻率成像系统结构示图。

图2为本发明实施例中主机部分同步装置示意图。

图3为本发明实施例中发射机部分同步装置示意图。

图4为本发明实施例中电测子站部分同步装置示意图。

图5为本发明实施例中采集过程时序图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。因此，本发明的范围并不限于下述实施例。

实施例1：

结合附图对实例1作进一步说明：

图1中，以1台主机控制1台发射机和16个电测子站，每个子站连接16个智能电极为例。主机通过电缆控制发射机的正向供高压电、停止供电和负向供高压电三种状态转换；主机通过CAN总线与各电测子站相连控制各电测子站采集和传输数据；发射机通过供电电缆与子站相连并连接到各智能电极上，主机通过电测子站的485总线控制各智能电极的供电电极和测量电极两种状态切换。实现1-1号电极供电，其余电极测量；1-2号电极供电；……16-16号电极供电，其余电极测量其余电极测量的全采集过程。

图2中，四维电阻率成像系统同步装置，包括系统主机同步装置、发射机同步装置和电测子站同步装置，各部分的ARM7数字处理器控制GPS接收器，输出与国际标准时(UTC)误差<1μs的秒脉冲，通过的串口读取输出的UTC时间信息,其格式为时分秒(hhmmss)。并把这一数据送到计数器当中,同时对经同步的秒信号开始计数,一旦当计数器减到0时，则逻辑单元发出一个起始脉冲电平，控制各部分开始工作。如果出现GPS短时失步、卫星信号调整、天线干扰等导致时钟信号失真时,即接收不到1pps秒脉冲和UTC时间，可以由高精度晶振U3产生同步于1pps秒脉冲的1Hz信号代替。

主机GPS接收机U1的信号通过输出端两个引脚1、2号连接主机ARM7处理器U2的两个串行接口75、76号引脚，将UTC时间信息输入主机ARM7处理器U2；主机ARM7处理器U2的四个GPIO口4、5、6、8号引脚连接主机计数器U4的输入端四个引脚1、9、10、15号，主机计数器U4的四个输出引脚2、3、6、7号分别连接电测子站ARM7处理器U6的四个GPIO口23、25、32、33号引脚和发射机ARM7处理器U8的四个GPIO口23、25、32、33号引脚，当主机计数器U4计数减到0时，则发出一个起始脉冲电平控制电测子站ARM7处理器U6、发射机ARM7处理器U8开始工作。通信模块U7的两个引脚3、4号连接主机ARM7处理器U2的两个引脚64、66号，通信模块U7的另两个引脚6、7号连接电测子站ARM7处理器U2的两个引脚64、66号，电测子站ARM7处理器U6和主机ARM7处理器U2之间通过通信模块U7实现数据传输。同时主机ARM7处理器U2通过GPIO口连接液晶屏U5、键盘U9等外设模块。

图3中，发射机ARM7处理器U8的两个引脚6、7号与主机ARM7处理器U2的两个引脚64、66号连接，发射机ARM7处理器U8接收到主机ARM7处理器U2传输的供电指令后，通过发射机GPS接收机U10输出端1、2号连接发射机ARM7处理器U8的两个串行接口75、76号引脚输入UTC时间信息，发射机ARM7处理器U8的四个GPIO口4、5、6、8号引脚连接发射机计数器U12输入端的四个引脚1、9、10、15号，发射机计数器U12的四个输出引脚2、3、6、7号一路连接主机ARM7处理器U2的四个GPIO口23、25、32、33号引脚，控制发射机处理器U8开始供电，另一路与正向高压模块U13和负向高压模块U14相连。根据预设的时间参数，实现正向供电、断电和反向供电之间的切换。

图4中，电测子站ARM7处理器U6和主机ARM7处理器U2之间通过通信模块U7实现数据传输，当电测子站ARM7处理器U6接收到主机ARM7处理器U2发送的采集命令后，电测子站GPS接收机U15输出端1、2连接电测子站ARM7处理器U6的两个串行接口75、76号引脚输入UTC时间信息，电测子站ARM7处理器U6的四个GPIO口4、5、6、8号引脚连接电测子站计数器U17的输入端四个引脚1、9、10、15号，电测子站计数器U17的四个输出引脚2、3、6、7号连接模数转换器U18和电极控制器U19，电测子站ARM7处理器U6的一个引脚23号连接模数转换器U18的一个引脚29号。

当电测子站计数器U17计数减到0时，开始采集电位信号，电测子站ARM7处理器U6的两个引脚64、66号连接通信模块U7的两个引脚6、7号，通信模块U7的另外两个引脚3、4号连接主机ARM7处理器U2的两个引脚64、66号。电测子站ARM7处理器U6和主机ARM7处理器U2之间通过通信模块U7实现数据传输。

所述器件优选为：ARM7处理器采用LPC2290，计数器采用74HC193，晶振采用TDK-OSC40MHZ，GPS接收机的GPS模块采用GD-730，通信模块采用CTM8251。

结合附图1和5，四维电阻率成像系统同步方法：主机通过CAN总线与各电测子站相连控制各电测子站采集和传输数据；发射机通过供电电缆与子站相连并连接到各智能电极上，主机通过电测子站的485总线控制各智能电极的供电电极和测量电极两种状态切换：

首先由主机向发射机和电测子站的ARM7处理器发送接收GPS时间指令；

然后主机向发射机发送正向供电指令，并控制第一台电测子站1所连接的第一台第一个智能电极1-1转换为供电模式；通过供电电缆与发射机相连，向大地供正向800伏以上高压电；

同时向所有电测子站发送采集指令，其余智能电极转换为测量模式，测量大地电位；

经过某一时间T1后，主机向各所有电测子站发送传输数据指令，所有电测子站电测子站通过GPS接收机发送的标准时秒脉冲（如：120305表示为12时03分05秒）定时，并将采集到的数据传输回主机，主机确认接收完毕所有电测子站的数据后，向发射机发送停止供电指令；经过5±1秒时间T2后，主机向发射机发送反向供电指令；

重复上述过程直至发射机停止供电，完成第一台第一个智能电极1-1转换供电的采集过程；

通过主机控制，采用上述电极逐个单点供电，其余电极测量其余电极测量的全采集过程，完成各智能电极1-2、1-3……16-16转换供电的采集过程，即实现了四维电阻率成像系统的同步测量。

Claims (7)

1.一种四维电阻率成像系统同步装置，它包括系统主机同步装置、发射机同步装置和电测子站同步装置，其特征在于，所述系统主机同步装置为：主机GPS接收机（U1）通过输出端两个引脚（1、2）连接主机ARM7处理器（U2）的两个串行接口（75、76），将UTC时间信息输入主机ARM7处理器（U2）；主机ARM7处理器（U2）的四个GPIO口（4、5、6、8）连接主机计数器（U4）的输入端四个引脚（1、9、10、15），主机计数器（U4）的四个输出引脚（2、3、6、7）分别连接电测子站ARM7处理器（U6）的四个GPIO口（23、25、32、33）和发射机ARM7处理器（U8）的四个GPIO口（23、25、32、33）；通信模块（U7）的两个引脚（3、4）连接主机ARM7处理器（U2）的两个引脚（64、66），通信模块（U7）的另两个引脚（6、7）连接电测子站ARM7处理器（U6）的两个引脚（64、66），电测子站ARM7处理器（U6）和主机ARM7处理器（U2）之间通过通信模块（U7）实现数据传输。

2.根据权利要求1所述的四维电阻率成像系统同步装置，其特征在于：所述发射机同步装置，发射机ARM7处理器（U8）的两个引脚（6、7）与主机ARM7处理器（U2）的两个引脚（64、66）连接，发射机GPS接收机（U10）输出端（1、2）连接发射机ARM7处理器（U8）的两个串行接口（75、76）输入UTC时间信息，发射机ARM7处理器（U8）的四个GPIO口（4、5、6、8）连接发射机计数器（U12）输入端的四个引脚（1、9、10、15）；发射机计数器（U12）的四个输出引脚（2、3、6、7）一路连接主机ARM7处理器（U2）的四个GPIO口（23、25、32、33），另一路与正向高压模块（U13）和负向高压模块（U14）相连。

3.根据权利要求1所述的四维电阻率成像系统同步装置，其特征在于：所述电测子站同步装置，电测子站ARM7处理器（U6）和主机ARM7处理器（U2）之间通过通信模块（U7）实现数据传输，电测子站GPS接收机（U15）输出端（1、2）连接电测子站ARM7处理器（U6）的两个串行接口（75、76）输入UTC时间信息，电测子站ARM7处理器（U6）的四个GPIO口（4、5、6、8）连接电测子站计数器（U17）的输入端四个引脚（1、9、10、15），电测子站计数器（U17）的四个输出引脚（2、3、6、7）连接模数转换器（U18）和电极控制器（U19），电测子站ARM7处理器（U6）的一个引脚（23）连接模数转换器（U18）的一个引脚（29）。

4.根据权利要求3所述的四维电阻率成像系统同步装置，其特征在于：电测子站ARM7处理器（U6）的两个引脚（64、66）连接通信模块（U7）的两个引脚（6、7），通信模块（U7）的另外两个引脚（3、4）连接主机ARM7处理器（U2）的两个引脚（64、66）。

5.根据1—4任一权利要求所述的四维电阻率成像系统同步装置，其特征在于：ARM7处理器采用LPC2290，计数器采用74HC193，GPS接收机的GPS模块采用GD-730，通信模块采用CTM8251。

6.一种四维电阻率成像系统同步测量方法，采用主机同步装置、发射机同步装置和电测子站同步装置，以ARM7处理器为核心控制，并接收GPS接收机输出的国际标准时秒脉冲信号，实现各部分之间的同步，其特征在于，

（1）主机同步装置的主机GPS接收机（U1）输出的UTC时间信息输入主机ARM7处理器（U2），主机ARM7处理器（U2）通过主机计数器（U4）控制电测子站ARM7处理器（U6）、智能电极和发射机ARM7处理器（U8）工作状态，并通过通信模块（U7）实现与电测子站ARM7处理器（U6）之间的数据传输；

（2）发射机同步装置接收到主机ARM7处理器（U2）传输的供电指令后，接收发射机GPS接收机（U10）输出的UTC时间信息，并根据预设的时间参数实现正向供电、断电和反向供电之间的切换；

（3）电测子站同步装置接收到主机ARM7处理器（U2）传输的采集命令后，接收电测子站GPS接收机（U15）输出的UTC时间信息，并开始采集电位信号，采集完成后通过通信模块（U7）完成与主机ARM7处理器（U2）之间的数据传输。

7.根据权利要求6所述的四维电阻率成像系统同步测量方法，其特征在于，主机通过CAN总线与各电测子站相连控制各电测子站采集和传输数据；发射机通过供电电缆与电测子站相连并连接到各智能电极上，主机通过电测子站的485总线控制各智能电极的供电和测量两种模式切换：

首先由主机向发射机和电测子站的ARM7处理器发送接收GPS时间指令；

然后主机向发射机发送正向供电指令，并控制第一台电测子站（1）所连接的第一台第一个智能电极（1-1）转换为供电模式；通过供电电缆与发射机相连，向大地供正向800伏以上高压电；

同时向所有电测子站发送采集指令，其余智能电极转换为测量模式，测量大地电位；

经过某一时间（T1）后，主机向各所有电测子站发送传输数据指令，所有电测子站通过GPS接收机发送的标准时秒脉冲定时，并将采集到的数据传输回主机，主机确认接收完毕所有电测子站的数据后，向发射机发送停止供电指令；

经过5±1秒时间（T2）后，主机向发射机发送反向供电指令，并控制第一台电测子站（1）所连接的第一台第一个智能电极（1-1）转换为供电模式；通过供电电缆与发射机相连，向大地供反向800伏以上高压电；

同时向所有电测子站发送采集指令，其余智能电极转换为测量模式，测量大地电位；

经过某一时间（T1）后，主机向各所有电测子站发送传输数据指令，所有电测子站通过GPS接收机发送的标准时秒脉冲定时，并将采集到的数据传输回主机，主机确认接收完毕所有电测子站的数据后，向发射机发送停止供电指令；完成第一台第一个智能电极（1-1）转换供电的采集过程；

通过主机控制，采用与第一台第一个智能电极（1-1）相同的转换供电采集过程实现各智能电极逐个单点供电，其余电极测量的全采集过程，完成各智能电极转换供电的采集过程，即实现了四维电阻率成像系统的同步测量。