CN104007471B - 具有检波器动态地址配置功能的数字vsp系统的地址配置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了具有检波器动态地址配置功能的数字VSP系统及其地址配置方法，包括地面数据采集站，N支内部均设有相互连接的主控CPU和RS485收发器的检波器，以及均设置在检波器内部且依次连接的RS485前端接口、单刀双掷模拟开关和RS485后端接口；N支检波器首尾依次连接，最前端的检波器中的RS485前端接口与地面数据采集站连接，而RS485后端接口则与后部的检波器中的RS485前端接口连接。本发明利用单刀双掷模拟开关对RS485通信总线进行在线切断与连接，实现了地面数据采集站对检波器物理连接位置的在线检测，使得检波器具有任意组合级联、相互替换的功能，极大地提高了数字VSP系统的灵活性和操作性。
Description
技术领域
本发明涉及一种数字VSP系统，具体涉及的是一种具有检波器动态地址配置功能的数字VSP系统及其地址配置方法。
背景技术
近年来，垂直地震剖面(VSP)勘探越来越受到国内外石油、天然气等行业的青睐。VSP系统具有分辨率高和信噪比高的特点，但施工过程相对比较复杂，而且仪器效率低下，其主要原因在于：首先，检波器布置在井下，需要辅助装置(如推靠臂)来配合其实现与井壁充分接触，因而仪器结构复杂、体积庞大，而且稳定性不高；其次，在勘探过程中，必须手动设置每个检波器的物理连接位置和通信地址，如此一来，操作过程较为繁琐，容易出错；再者，常规仪器通常不能扩展与剪裁，各支检波器之间也不能任意组合级联、相互替换，修理非常困难，系统维护成本高。因此，优化VSP系统结构，提高仪器灵活性，降低施工难度，一直都是各地球物理勘探公司极力想解决的一项关键技术瓶颈。
针对VSP系统不能任意组合级联检波器、施工困难、稳定性差等问题，国内外相关科研单位和应用单位曾对VSP常规仪器做了部分改进工作，在一定程度上增强了系统的灵活性。纵观国内外VSP相关设备，目前主要有模拟和数字系统两大类。
模拟VSP系统多数是由地面地震勘探设备直接改进而来，为提高其抗干扰能力和稳定性，通常将检波器、模拟传输电缆、承重钢缆、密封气管等设计为统一整体，整个检波器串不可扩展与剪裁、不可更换检波器相对位置，而且在使用过程中，如果其中一支检波器异常，一般需要更换整支检波器串，因此检波器的维护成本极其高。
而随着集成电路和数字信号处理技术的发展，部分科研单位对数字VSP系统进行了初步尝试，设计了一种基于直流电机的推靠臂结构，并将传输总线、承重钢缆、电源总线等融合为单一电缆，极大降低了仪器的体积和重量，各传感器拾取到的地震信号在检波器中转换成数字信号后，由电缆中的串行通信总线(如RS485)传输到地面数据采集站。相比模拟VSP系统而言，数字VSP系统可以避免由于直接传输模拟信号而产生固有的道间串音、工频干扰，且检波器可以在施工过程中临时拆卸与组装，极大降低了仪器搬运与施工成本。
然而，现有的数字VSP系统仍然存在着检波器之间不可相互替换的缺点。从数字VSP系统工作原理来说，要想获得清晰的可用于数据分析的单炮地震记录，在施工之前，操作者必须清楚每个检波器的物理布置位置和通信地址，且在整个施工过程中，不能随意改变。如果因为某种原因而交换其中某两支检波器的物理连接位置，而恰好此时又在数据采集过程中，不能进行相应参数设置，则会导致采集到的单炮记录出现同相轴混乱的现象。更重要的是，由于每支检波器具有固定的通信地址，如果其中一支损坏，在将其替换后，必须要对所有检波器的通信地址进行重新配置，整个过程极其繁琐，需要专业拆卸工具，人力成本较高，且不适合施工人员现场操作。
综上原因，由于数字VSP系统中的检波器串不能任意组合级联、且相互替换不灵活，因此也造成了仪器施工效率低下、系统维护困难，而由此带来的后果则是给各应用单位带来了非常巨大的经济损失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有检波器动态地址配置功能的数字VSP系统的地址配置方法，主要解决现有数字VSP系统中的检波器串由于不能任意组合级联、相互替换而导致仪器施工效率低、系统维护困难、企业经济损失大的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
具有检波器动态地址配置功能的数字VSP系统的地址配置方法，所述的数字VSP系统包括地面数据采集站(1)及N支内部均设有相互连接的主控CPU和RS485收发器的检波器(3)，N为大于1的自然数，还包括均设置在检波器(3)内部的RS485前端接口、单刀双掷模拟开关和RS485后端接口，其中：
N支检波器首尾依次连接构成检波器串；最前端的检波器中的RS485前端接口外部通过RS485通信总线与地面数据采集站连接，该检波器中的RS485后端接口外部通过RS485通信总线与后部的检波器中的RS485前端接口外部连接；
所述RS485前端接口同时与RS485收发器的差分输入端和单刀双掷模拟开关的COM端口连接；
所述RS485后端接口与单刀双掷模拟开关的NO端口连接；
所述单刀双掷模拟开关的IN控制端与主控CPU的通用输出引脚连接；
所述的地址配置方法则包括以下步骤：
S1：系统上电复位后，各支检波器中的主控CPU均控制各自的单刀双掷模拟开关将对应的RS485后端接口与后部的检波器中的RS485前端接口断开，然后地面数据采集站利用广播通信地址“0xFF”发送“是否有未配置地址的检波器连接到通信总线上”的查询指令，对所有检波器进行在线查询；
S2：与地面数据采集站连接的最前端，也即物理连接位置为1的检波器收到指令并进行回复，然后地面数据采集站利用广播通信地址“0xFF”，发送“点对点通信地址配置”指令，对该物理连接位置为1的检波器地址配置为“0x01”；
S3：地面数据采集站利用点对点通信地址“0x01”发送“打开单刀双掷模拟开关”指令，打开物理连接位置为1的检波器中的单刀双掷模拟开关，将物理连接位置为2的检波器与地面数据采集站连通；
S4：地面数据采集站再次利用广播通信地址“0xFF”发送“是否有未配置地址的检波器连接到通信总线上”的查询指令，对所有检波器进行在线查询；
S5：物理连接位置为2的检波器收到指令并进行回复，然后地面数据采集站利用广播通信地址“0xFF”，发送“点对点通信地址配置”指令，对该物理连接位置为2的检波器地址配置为“0x02”；
S6：地面数据采集站利用点对点通信地址“0x02”发送“打开单刀双掷模拟开关”指令，打开物理连接位置为2的检波器中的单刀双掷模拟开关，将物理连接位置为3的检波器与地面数据采集站连通；
S7：依次重复步骤S4～S6，对剩余的检波器进行地址配置，直到地面数据采集站查询不到有未配置地址的检波器在线为止，此时，各支检波器便具有与其物理连接位置相对应的点对点通信地址，并在后续统一采用该地址进行数据传输。
进一步地，所述地面数据采集站以及N支检波器之间均通过铠装电缆连接，而检波器中的RS485前端接口和RS485后端接口均与铠装电缆中的RS485通信总线连接。
作为优选，所述RS485收发器的型号为ADM2582E。
再进一步地，所述单刀双掷模拟开关的型号为SGM3002，其引脚8接5V电源，并通过并联的电容C1和极性电容C2接数字地DGND，该单刀双掷模拟开关的引脚3也接数字地DGND。
更进一步地，所述单刀双掷模拟开关的引脚NC1、NC2之间通过匹配电阻R1连接。
本发明的设计原理在于，其是利用单刀双掷模拟开关在线连接与断开检波器RS485通信总线来获取检波器的物理连接位置，并据此采用广播通信地址和点对点通信地址配合的方式，实现所有检波器依次接入通信总线并由地面数据采集站动态配置其通信地址。
在系统上电复位后，各支检波器中的主控CPU通用输出引脚均默认为低电平，单刀双掷模拟开关在低电平连通方向引脚控制下，强制切断各自检波器与其下级检波器中的RS485通信总线连接，并在地址配置之前，禁止对单刀双掷模拟开关进行操作，保证在任何时候只能有一个未配置地址的检波器直接与地面数据采集站连接。并且，在物理连接位置上，该检波器一定处于所有已配置完通信地址检波器的下级和所有未配置检波器的上级，据此原理可以实现对各检波器物理连接位置进行依次定位。基于这个基础上，地面数据采集站利用广播通信地址依次对各检波器进行“是否有未配置地址的检波器连接到通信总线上”查询和探测检波器，并发送“点对点通信地址配置”指令，完成上级检波器的通信地址配置，然后利用其点对点通信地址对上级检波器模拟开关进行操作，实现与下级检波器的连接，然后再依次对各检波器在线接入RS485通信总线和动态地址分配的全部过程。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明系统设计合理，构思巧妙，设计流程简洁，施工方便。
(2)本发明在检波器中设置了RS485前端接口、单刀双掷模拟开关、RS485后端接口，并通过有效的线路连接和设计，使得检波器与地面数据采集站之间形成了在线连接与断开的关系，并利用该种设计原理，确保在未配置通信地址之前，所有的主控CPU均控制对应的单刀双掷模拟开关在线切断RS485通信总线，保证只有一个未配置地址的检波器与地面数据采集站连接，并对地面数据采集站的指令进行回复，如此逐层渐进，既能为每支检波器准确配置动态地址，又能排除检波器之间的干扰。
(3)本发明中，由于系统中所有的检波器是在系统上电复位后再进行动态地址配置的，因而对检波器的设置数量没有限制，整个系统可任意扩展与剪裁，其操作相当便捷，系统的适应性非常高，可完全适用于大多数不同等级的垂直地震剖面勘探。
(4)本发明采用了动态地址的分配方法，实现了检波器在线动态地址配置功能，在通信地址配置以前，各支检波器完全一样，可以相互替换、任意组合级联，并且在配置地址后，即使其中的某支检波器出现了损坏，在将其替换后，由于地面数据采集站会时刻发送“是否有未配置地址的检波器连接到通信总线上”的查询指令，因此，当该替换后的检波器被查询到之后，地面数据采集站便会通过点对点通信地址的配置方式，重新单独为替换后的检波器配置通信地址(例如原先配置地址为“0x02”的检波器出现损坏并进行替换，则替换后的检波器被分配到的通信地址依然为“0x02”)。如此一来，便大幅提高了整个系统的灵活性，降低系统维护成本，提高仪器施工效率，并极大地减少了企业的经济损失，因此，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步。
(5)本发明采用铠装电缆将各级部件进行连通，由于铠装电缆比一般电缆具有更强的机械强度及更好的抗腐蚀能力，因而更适用于岩石层区的直埋敷设。
(6)本发明中RS485收发器和单刀双掷模拟开关采用的型号分别为ADM2582E和SGM3002，其中，ADM2582E型号的收发器由于集成了隔离技术和DC/CD电源，因而可以大幅减少PCB板的面积，使得PCB的布局更易于设计，并且该种收发器还具备过热关断的特性，能够防止输出短路及过高的电源温度，保护芯片不受损坏；而SGM3002型号的单刀双掷模拟开关在断开后泄漏的电流非常微弱(通常只有1nA)，完全确保了人员和设备的安全，因此，RS485收发器和单刀双掷模拟开关选用的型号进一步优化了整个检波器的性能。
(7)本发明实用性强，稳定性好，应用广泛，其具有很高的实用价值，适于在地球物理勘探仪器领域中推广应用。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明实现检波器动态地址配置的电路原理图。
图3为本发明-实施例中上电复位时刻系统地址配置的初始状态示意图。
图4为本发明-实施例中检波器1地址配置完成后的系统状态示意图。
图5为本发明-实施例中检波器2地址配置完成后的系统状态示意图。
图6为本发明-实施例中检波器3地址配置完成后的系统状态示意图。
图7为本发明-实施例中检波器4地址配置完成后的系统状态示意图。
图8为本发明-实施例的同相轴示意图。
其中，附图标记对应的零部件名称为：
1-地面数据采集站，2-铠装电缆，3-检波器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1、2所示，本发明应用于地球物理勘探仪器领域，其主要由地面数据采集站1及多支内部均具有相互连接的主控CPU和RS485收发器的检波器3构成。多支检波器通过铠装电缆2首尾依次连接构成检波器串，每支检波器中均设有依次连接的RS485前端接口、单刀双掷模拟开关和RS485后端接口，最前端的检波器中的RS485前端接口外部也通过铠装电缆与地面数据采集站1连接，而该最前端的检波器中的RS485后端接口则与后部(即下级)的检波器中的RS485前端接口连接，依次类推。铠装电缆兼作承重、数据传输和电源传输三种功能，检波器中的RS485前端接口和RS485后端接口均与铠装电缆中的RS485通信总线连接。
本发明中的RS485前端接口和RS485后端接口均采用双口插座，而RS485收发器和单刀双掷模拟开关优选采用的型号则分别为ADM2582E、SGM3002。每支检波器中，RS485前端接口同时与RS485收发器的差分输入端(即引脚A、B)和单刀双掷模拟开关的COM端口连接；RS485后端接口与单刀双掷模拟开关的NO端口连接；单刀双掷模拟开关的IN控制端口则与地面数据采集站连接。如图2所示，具体地说，所述RS485前端接口的引脚A同时与RS485收发器的引脚A(即引脚18)和单刀双掷模拟开关的引脚COM1(即引脚6)连接，该RS485前端接口的引脚B则同时与RS485收发器的引脚B(即引脚17)和单刀双掷模拟开关的引脚COM2(即引脚10)连接。所述RS485后端接口的引脚A与单刀双掷模拟开关的引脚NO1(即引脚4)连接，该RS485后端接口的引脚B与单刀双掷模拟开关的引脚NO2(即引脚2)连接。而单刀双掷模拟开关的引脚IN1(即引脚1)与引脚IN2(即引脚5)则同时与主控CPU的通用输出引脚连接，并且该单刀双掷模拟开关的引脚8(即电源引脚)接5V电源，同时该引脚8还通过并联的电容C1和极性电容C2接数字地DGND，而该单刀双掷模拟开关的引脚3(即引脚GND)也接数字地DGND。此外，在信号传输时，为了避免信号的反射和回波，单刀双掷模拟开关的引脚NC1、NC2(即引脚7、9)之间还通过匹配电阻R1连接，本实施例中，该匹配电阻R1的阻值为120欧姆。
按照上述硬件结构，下面本实施例以数字VSP系统中设置四个检波器构成的检波器串为例，对本发明中检波器的动态地址配置流程进行详细介绍。
如图3～7所示，系统上电复位后，各支检波器中的主控CPU均控制各自的单刀双掷模拟开关将对应的RS485后端接口与后部的检波器中的RS485前端接口断开，然后地面数据采集站利用广播通信地址“0xFF”发送“是否有未配置地址的检波器连接到通信总线上”的查询指令，对所有检波器进行在线查询。由于单刀双掷模拟开关将RS485前端接口与RS485后端接口断开，因而此时只有与地面数据采集站连接的最前端，也即物理连接位置为1的检波器处于可探测状态并能够接收到指令，其他检波器无法探测。物理连接位置为1的检波器接收到指令并进行回复，然后地面数据采集站利用广播通信地址“0xFF”，发送“点对点通信地址配置”指令，对该物理连接位置为1的检波器地址配置为“0x01”，如图4所示。
配置完成后，地面数据采集站利用点对点通信地址“0x01”发送“打开单刀双掷模拟开关”指令，打开物理连接位置为1的检波器中的单刀双掷模拟开关，此时，整个通信总线上连接有地面数据采集站、点对点通信地址为“0x001”的物理检波器1、未配置地址的物理连接位置为2的检波器三个可通信节点，且该物理连接位置为2的检波器处于可探测状态。
接着，地面数据采集站再次利用广播通信地址“0xFF”发送“是否有未配置地址的检波器连接到通信总线上”的查询指令，对所有检波器进行在线查询。在该状态下，物理连接位置为2的检波器收到指令并进行回复，物理连接位置为1的检波器由于已经配置过地址，虽然也收到查询指令，但不会进行回复。然后地面数据采集站利用广播通信地址“0xFF”，发送“点对点通信地址配置”指令，对该物理连接位置为2的检波器地址配置为“0x02”，配置完成后，该检波器2将具有与物理连接位置对应的点对点通信地址，如图5所示。
而后，地面数据采集站再次利用点对点通信地址“0x02”发送“打开单刀双掷模拟开关”指令，打开物理连接位置为2的检波器中的单刀双掷模拟开关，将物理连接位置为3的检波器接入通信总线，然后再次循环上述步骤，给物理连接位置为3的检波器进行地址配置，最后再以同样的方式给物理连接位置为4的检波器进行地址配置，如图6、7所示。而当地面数据采集站利用广播通信地址“0xFF”发送“是否有未配置地址的检波器连接到通信总线上”的查询指令，对所有检波器进行在线查询时，由于所有的检波器均已配置过地址，因而不再有检波器进行回复，此时，系统便完成了对通信总线上的所有检波器进行在线动态地址配置。
在上述整个地址配置过程中，查询“是否有未配置地址的检波器直接连接到RS485通信总线上”和“点对点通信地址配置”指令使用广播通信地址“0xFF”，所有连接到通信总线上的检波器(包括已配置过地址的和未配置地址的)均可收到该类指令，但最多只有一个未配置地址的检波器产生回复。发送“打开单刀双掷模拟开关”指令和后期数据通信，统一使用各检波器与其物理连接位置对应的点对点通信地址，因此，在未配置地址以前，不能对各检波器的单刀双掷模拟开关进行操作，也不能进行数据传输，保证了地址配置过程的稳定性和确定性，避免多个检波器对同一广播指令同时产生回复而导致的配置失败。
上述四支检波器按照物理位置从上到下依次排列，地面某震源产生的震动，通过地面不同路径传输到各个检波器处。由于传输到不同检波器的地震波行程不一样，因而每个检波器接收到的地震波初至也不一样，但仍然具有一定规律，如果按照物理连接位置将不同检波器接收到的地震波放置在一张地震剖面图(即单炮记录)上，就可以清楚看到一条明显的抛物线状同相轴，如图8所示，图8的数字1、2、3、4分别表示物理连接位置为1～4的检波器记录的同相轴。通过图8可以看出，本发明在实现任意组合级联、相互替换的基础上，可以很好地获得清晰的可用于数据分析的单炮地震记录，没有出现同相轴混乱的现象，因此，本发明与现有技术相比，技术进步十分明显。
上述实施例仅为本发明的一种优选实施例，不应当用以限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神下所作出的任何毫无实质意义的改动和润色，或是进行等同置换的技术方案，其所解决的技术问题实质上与本发明一致的，也应当属于本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.具有检波器动态地址配置功能的数字VSP系统的地址配置方法，其特征在于，所述的数字VSP系统包括地面数据采集站(1)及N支内部均设有相互连接的主控CPU和RS485收发器的检波器(3)，N为大于1的自然数，还包括均设置在检波器(3)内部的RS485前端接口、单刀双掷模拟开关和RS485后端接口，其中：
N支检波器首尾依次连接构成检波器串；最前端的检波器中的RS485前端接口外部通过RS485通信总线与地面数据采集站连接，该检波器中的RS485后端接口外部通过RS485通信总线与后部的检波器中的RS485前端接口外部连接；
所述RS485前端接口同时与RS485收发器的差分输入端和单刀双掷模拟开关的COM端口连接；
所述RS485后端接口与单刀双掷模拟开关的NO端口连接；
所述单刀双掷模拟开关的IN控制端与主控CPU的通用输出引脚连接；
所述的地址配置方法则包括以下步骤：
S1：系统上电复位后，各支检波器中的主控CPU均控制各自的单刀双掷模拟开关将对应的RS485后端接口与后部的检波器中的RS485前端接口断开，然后地面数据采集站利用广播通信地址“0xFF”发送“是否有未配置地址的检波器连接到通信总线上”的查询指令，对所有检波器进行在线查询；
S2：与地面数据采集站连接的最前端，也即物理连接位置为1的检波器收到指令并进行回复，然后地面数据采集站利用广播通信地址“0xFF”，发送“点对点通信地址配置”指令，对该物理连接位置为1的检波器地址配置为“0x01”；
S3：地面数据采集站利用点对点通信地址“0x01”发送“打开单刀双掷模拟开关”指令，打开物理连接位置为1的检波器中的单刀双掷模拟开关，将物理连接位置为2的检波器与地面数据采集站连通；
S4：地面数据采集站再次利用广播通信地址“0xFF”发送“是否有未配置地址的检波器连接到通信总线上”的查询指令，对所有检波器进行在线查询；
S5：物理连接位置为2的检波器收到指令并进行回复，然后地面数据采集站利用广播通信地址“0xFF”，发送“点对点通信地址配置”指令，对该物理连接位置为2的检波器地址配置为“0x02”；
S6：地面数据采集站利用点对点通信地址“0x02”发送“打开单刀双掷模拟开关”指令，打开物理连接位置为2的检波器中的单刀双掷模拟开关，将物理连接位置为3的检波器与地面数据采集站连通；
S7：依次重复步骤S4～S6，对剩余的检波器进行地址配置，直到地面数据采集站查询不到有未配置地址的检波器在线为止，此时，各支检波器便具有与其物理连接位置相对应的点对点通信地址，并在后续统一采用该地址进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的具有检波器动态地址配置功能的数字VSP系统的地址配置方法，其特征在于，所述地面数据采集站以及N支检波器之间均通过铠装电缆(2)连接，而检波器中的RS485前端接口和RS485后端接口均与铠装电缆中的RS485通信总线连接。
3.根据权利要求1或2所述的具有检波器动态地址配置功能的数字VSP系统的地址配置方法，其特征在于，所述RS485收发器的型号为ADM2582E。
4.根据权利要求3所述的具有检波器动态地址配置功能的数字VSP系统的地址配置方法，其特征在于，所述单刀双掷模拟开关的型号为SGM3002，其引脚8接5V电源，并通过并联的电容C1和极性电容C2接数字地DGND，该单刀双掷模拟开关的引脚3也接数字地DGND。
5.根据权利要求4所述的具有检波器动态地址配置功能的数字VSP系统的地址配置方法，其特征在于，所述单刀双掷模拟开关的引脚NC1、NC2之间通过匹配电阻R1连接。
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