CN104199112A - 一种海洋电法探测信号采集电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海洋电法探测信号采集电路，包括信号调理与模数转换电路、单片机控制核心、数据存储电路、通讯电路和电源管理电路，其中：单片机控制核心通过控制电源管理电路来选择供电源；单片机控制核心控制模数转换电路采集经过放大、滤波等调理后的信号，得到的数字信息一方面存到大容量SD卡，另一方面通过通讯电路传给水面PC机。本发明采用微小体积，安装在电极处，在最短距离内将采集的模拟信号转换为数字信号，最大程度避免了模拟信号在传输过程中受发送电缆大功率信号的干扰和道间串扰，提高测量精度；采用RS-485网络在电缆中传输数字信号，减少了电缆芯数，减轻了电缆重量，便于运输与拖动作业。
Description
技术领域
本发明涉及一种信号采集电路，尤其是涉及一种用于海洋电法探测中的信号采集电路。
背景技术
在各种海洋勘探方法中，海洋电法勘探是根据海底沉积物乃至地壳中不同物质之间存在的电磁性质差异，通过观测天然的或人工激发的电场、电磁场分布特征，来研究海底地质构造、矿产资源分布，解决工程、环境、灾害等地质问题的一类地球物理勘探方法。在海上地震勘探难以发挥作用的特殊地质情况下，海洋电法可以提供海底深部构造的重要信息。近些年，海洋电法的研究与应用得到蓬勃发展，成为海洋勘探方法中炙手可热的一个研究方向。
目前在国内海洋拖曳式电法探测中，国家海洋局第一海洋研究所与中国地质大学（武汉）合作，研制出了一套海洋双频激电探测系统，经过多次海洋实验，证实了其在该领域取得了重大突破并积累了大量非常宝贵的经验。该海洋双频激电仪的接收机在采集双频激电信号时，采用集中式的数据采集方式。多个接收电极连接在一条多芯电缆上，多路信号通过电缆内的模拟信号传输线送入接收机中的数据采集卡进行模数转换。该方式类似于集中式的多道地震采集系统的工作方式，主要存在以下不足：首先，由于多个通道的模拟信号都在接收缆内传输，而模拟信号容易受发送电缆大功率信号的干扰和道间串扰，影响系统测量精度并且由于信号衰减通信距离受限进一步限制了数据采集通道数。并且模拟信号需要单独的线路传输，多通道数据采集会增加电缆的芯数，会增加电缆的直径，导致电缆变得笨重，在拖曳工作与运输过程中将非常不方便，而海洋作业环境又非常恶劣，电缆容易受到损坏，不易维修和更换。其次，随着通道数增加，电缆直径增加，会增加电缆的密封难度和成本。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种体积微小，易于密封的海洋电法探测信号采集电路，可以将采集到的模拟信号转化为数字信号在电缆中传输，提高测量精度，减少电缆芯数，减轻电缆重量。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：在每个接收电极处密封一个信号采集电路，将采集到的模拟信号转换为数字信号发送到电缆上，多个接收电极处的采集电路通过RS-485通讯组成采集网络将信号传输到PC机上，减少电缆芯数。
所述每个信号采集电路包括信号调理与模数转换电路、作为控制核心的单片机、数据存储电路、通讯电路、实时监控电路和电源管理电路。其中，所述单片机是信号采集的核心，由单独的电池供电，它接收PC机发送来的指令控制电源管理单元选择其他模块电路由外部供电还是电池供电，并返回供电电压值；在单片机控制下，模数转换电路采集电信号，将得到的数据存储到大容量SD卡，并通过RS-485通讯电路传给水面PC机。
所述电源管理电路供电方式选择由外部供电或由自带的电池供电。当采用外部供电时，由外部电源线给电路提供电源。为了提高电能传输效率，减小能力损耗，将采用24V或者36V电压输电，通过降压芯片将其转成低电压使用。为了减小降压电路的功率损耗，电压转换电路选择高效率的DC/DC芯片，同时，为了降低因DC/DC引入的电源噪声，DC/DC后面再接一级低压差线性稳压器。
所述单片机采用低功耗MSP430F1611单片机，用于控制串口通讯模块、日历时钟模块、SD卡存储模块、选择供电源、模数转换和数据的存储。
所述单片机包括有两个串口：一个与水面PC机通讯，执行包括状态检测信息、启动与结束工作、参数设置的功能；另一个通过串口分时复用，分别与实时时钟和存储模块通讯。
所述信号调理和模数转换电路采用一个3输入通道的24位模数转换器变换电路对3通道的信号进行模数转换，分别来自相邻三个通道的电极输出的电信号经过前端差分输入偏压后，送入前置程控放大器进行放大，然后经过一个二阶的巴特沃斯低通滤波器后送入24位模数转换器中。模数转换器在单片机的控制下，把采集的模拟电信号转化为数字信号，通过SPI总线将得到的数据存储在大容量SD卡里，并通过RS-485总线网络传输到PC机。
所述通讯电路包括232串口通讯、带光电隔离的485通讯，其中：单片机与水面PC机采用光隔离的485通讯；单片机与模数转换单元采用232串口通讯。通讯内容包括单片机与PC机通讯，包括数据和指令的传输，串口的分时复用，命令的识别，数据的接收和校验，通讯故障识别和处理；单总线读取和设定日历时钟的基准时间和设置闹钟时间，以及包括监测数据的报警判断和打包上发PC机系统。
所述实时监控电路由单片机控制核心通过串口分时复用方式获得电压、温度信息，实时上传至水面PC机。
由于信号采集电路在工作的时候会长期处于海底使用电池供电，因此，在设计节点和采集网络的时候考虑到了其低功耗性能。采用如下方法设计实现，选择自身功耗低的器件。如本发明选择了MSP430系列的低功耗单片机，当其处于LPM3模式休眠的时候，消耗电流仅有0.1μA；使用低电压电源，节点使用3V为系统电源，降低电压能明显降低各个芯片和电路的功耗；尽量关闭不需要的资源，比如单片机的定时器等资源，在使用完成后随时关闭；通讯器件默认关闭，在发送和接收时使能，各暂时不使用的存储器、时钟芯片等，取消片选信号；单片机片外器件的电源尽量由单片机实现可关断控制，如信号调理电路和模数转换电路的电源通过一个CMOS器件控制，单片机可以在其不工作的时候整体关断该模块的电源，最大化的节省功耗；充分利用单片机的休眠模式和中断功能，让其在绝大部分时间里处于休眠状态。
信号采集电路需要密封进电缆接头的防水舱内，为了密封、轻便和抗压性，使装置能适应更深的水域工作，需要小体积。采用了如下措施实现节点的体积微型化：元器件和接插件尽量采用最小的封装。节点设计中大部分的芯片都是扁平贴片封装，电阻电容使用0402的封装尺寸，最大限度的节约了空间；电路简洁，电路板绘制成4层PCB板，增加了走线的面积，压缩了节点的整体体积；由于系统使用电池供电，降低了系统的功耗后，在同样使用时间下可以使电池的容量和体积减小，也能实现整体体积的减小。
附图说明
图1是本发明的电路框图。
图2是本发明信号调理与模数转换电路的框图。
图3是本发明信号采集的流程图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例来进一步详细说明本发明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不是限制其保护范围的。
如图1所示，本发明包括信号调理与模数转换电路、单片机、数据存储电路、RS-485通讯电路和电源管理电路。其中：单片机是信号采集和控制的核心，由单独的电池供电，它接收PC机发送来的指令控制电源管理单元选择其他模块电路由外部供电还是电池供电，并返回供电电压值；在单片机控制下，模数转换电路采集电信号，得到的数据存储到大容量SD卡，并通过RS-485通讯电路传给水面PC机。其中，
1. 电源管理电路：包括供电源选择和数据转换部分。
系统可以选择由外部供电或由自带的电池供电。电压转换部分采用多个不同型号隔离型DC/DC的电压转换模块，其对外部供电或由自带的电池供电电压进行转换为独立的电源，供给电路各模块。
2.信号调理与模数转换电路：
采用一个3输入通道的24位模数转换器变换电路对3通道的信号进行模数转换，分别来自相邻三个通道的电极输出的电信号经过前端差分输入偏压后，送入前置程控放大器进行放大，然后经过一个二阶的巴特沃斯低通滤波器后送入24位模数转换器中，如图2所示。模数转换器在单片机的控制下，把模拟电信号转化为数字信号，通过SPI总线将得到的数据存储在大容量SD卡里，并通过RS-485总线网络传输到PC机。
3. 单片机主控单元：
采用低功耗单片机MSP430F1611为控制核心，主要包括以下模块：串口模块，日历时钟模块， SD卡存储模块，看门狗模块。
串口模块：本系列单片机有两个串口，一个与水面PC机通讯。另一个通过串口分时复用，分别与模数转换电路、存储电路通讯。
日历时钟模块（芯片型号DS1306）主要有三个作用：为测量数据的分析提高准确的时间信息；为系统定时启动或停止测量提供外部中断；可用作外部定时复位。
单片机是信号采集电路的控制核心，主要功能是通过接收水面PC机的通讯指令来执行相应的操作：开机自检、启动与结束工作和参数设置。当与PC机的通讯中断时，单片机能自动接管，完成正常数据采集。当预设定的时刻到达时（日历时钟产生中断），将触发单片机启动测量工作；到预设定结束时刻时能自动停止工作。
单片机控制核心（以下简称主控单元）软件的流程框图见图3。主要流程是：上电后，程序进入初始化子函数，主要包括系统时钟初始化、串口初始化、Micro SD卡检测与初始化。初始化完成后读取存在防掉电存储器内的运行参数值，判断上次掉电时的运行状态。若上次是在工作状态时非正常复位，则系统直接进入工作状态，否则进入休眠等待串口中断发生。串口产生中断后，程序可以做出以下三种任务：参数设置、文件读取、进入工作。三种任务的程序出口都是返回到继续等待串口中断，直到下一个任务产生。
4.RS-485通讯电路：
通讯方式包括232串口通讯、带光电隔离的485通讯。其中，单片机与水面PC机通讯使用光隔离的485通讯；单片机控制模数转换和数据存储使用232通讯。通讯主要作用是实现水面PC机系统与单片机的指令和数据传输，参数的修改，监测状态的读取等。
本发明考虑到拖曳作业的特殊性，做了如下的设计：
信号采集电路需要密封进电缆接头的防水舱内，为了密封、轻便和抗压性，使装置能适应更深的水域工作，需要小体积。采用了如下措施实现节点的体积微型化：元器件和接插件尽量采用最小的封装。节点设计中大部分的芯片都是扁平贴片封装，电阻电容使用0402的封装尺寸，最大限度的节约了空间；电路简洁，电路板绘制成4层PCB板，增加了走线的面积，压缩了节点的整体体积；由于系统使用电池供电，降低了系统的功耗后，在同样使用时间下可以使电池的容量和体积减小，也能实现整体体积的减小。
由于信号采集电路在工作的时候会长期处于海底使用电池供电，因此，在设计节点和采集网络的时候考虑到了其低功耗性能。采用如下方法设计实现，选择自身功耗低的器件。如本系统选择了MSP430这个低功耗系列的单片机，当其处于LPM3模式休眠的时候，消耗电流仅有0.1μA。使用低电压电源，节点使用3V为系统电源，降低电压能明显降低各个芯片和电路的功耗；尽量关闭不需要的资源。比如单片机的定时器等资源，在使用完成后随时关闭；通讯器件默认在发送关闭，接收使能状态，各暂时不使用的存储器、时钟芯片等，取消片选信号；单片机片外器件的电源尽量由单片机实现可关断控制。如信号调理电路和模数转换电路的电源通过一个CMOS器件控制，单片机可以在其不工作的时候整体关断该模块的电源，最大化的节省了功耗；充分利用单片机的休眠模式和中断功能，让其在绝大部分时间里处于休眠状态。
本发明的工作过程如下：
单片机是整个信号采集电路的核心，接收水面PC机的命令执行开机自检、启动与结束工作、参数设置、数据回放等任务。单片机与水面PC机通讯意外中断或者有意设定时，水下控制系统能及时判断故障，进入程序自容模式，即单片机在没有水面PC机指令下自动接管整个信号采集的工作，完成预设的任务。
系统首先选择供电源。自检操作中，单片机依次打开各个设备，并与之通信，若通信正常，且各项指标无异常，则认为自检通过。若通讯失败，或者某项信息异常，则单片机将发出故障信号给水面PC机。
参数设置中，单片机先打开模数转换电路，然后将水面PC机下发的参数（包括定时启动与结束测量时间，数据上传间隔时间，时间校准等），发送给单片机。单片接收到数据后进行防掉电存储，并上发指令表示参数设置成功。单片机收到指令后关闭模数转换电路，并回复水面PC机参数设置成功。
工作中，单片机等待PC机下发启动测量的命令。若没有下发该命令，当预设启动测量时刻到达时，单片机将命令模数转换电路开启工作。模数转换电路将电信号转换成数字信号，一面通过SPI总线将数据存储在SD卡在，一方面通过RS-485总线将数据上发至水面PC机。当水面PC机下发结束测量命令或者预设的结束测量时刻到达时，单片机命令模数转换电路退出工作，并关闭电源。
上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种海洋电法探测信号采集电路，其特征在于该电路包括信号调理与模数转换电路、单片机控制核心、数据存储电路、通讯电路和电源管理电路，其中：单片机控制核心通过控制电源管理电路来选择供电源；单片机控制核心控制模数转换电路采集经过放大、滤波等调理后的信号，得到的数字信息一方面存到大容量SD卡，另一方面通过通讯电路传给水面PC机。
2.根据权利要求1所述的海洋电法探测信号采集电路，其特征在于所述信号调理和模数转换电路采用一个3输入通道的24位模数转换器变换电路对3通道的信号进行模数转换，分别来自相邻3个通道的电极输出的电信号经过前端差分输入偏压后，送入前置程控放大器进行放大，然后经过一个二阶的巴特沃斯低通滤波器后送入24位模数转换器中。
3.根据权利要求1所述的海洋电法探测信号采集电路，其特征在于所述单片机控制核心采用低功耗MSP430F1611单片机为控制核心，主要控制串口通讯模块、日历时钟模块、SD卡存储模块、多路开关驱动及指示模块工作。
4.根据权利要求3所述的海洋电法探测信号采集电路，其特征在于所述单片机控制核心有两个串口，一个与水面PC机通讯，执行包括状态检测信息、启动与结束工作、参数设置；另一个通过串口分时复用，分别与数据采集电路模块与数据存储模块通讯。
5.根据权利要求4所述的一种海洋电法探测信号采集电路，其特征在于当与水面PC机的通讯中断时，单片机能自动接管，当预设定的时刻到达时，将触发单片机启动测量工作；到预设定结束时刻时能自动停止测量工作。
6.根据权利要求1所述的海洋电法探测信号采集电路，其特征在于所述电源管理电路包括供电源选择部分和电压转换部分，其中：供电源选择部分使用单片机选择外部供电或自带电池供电；电压转换部分把外部提供或自带的电池电压转换为独立的电源电压供电路各模块使用。
7.根据权利要求1所述的海洋电法探测信号采集电路，其特征在于所述通讯单元包括232串口通讯、带光电隔离的485通讯，其中：单片机与水面PC机通讯使用232串口；单片机与数据采集单元通讯使用232通讯。
8.根据权利要求1所述的海洋电法探测信号采集电路，其特征在于所述通讯电路包括232串口通讯、带光电隔离的485通讯，通讯内容主要包括单片机控制核心与PC机通讯，包括数据和指令的传输，串口的分时复用，命令的识别，数据的接收和校验，通讯故障识别和处理；单总线读取和设定日历时钟的基准时间和设置闹钟时间，以及包括监测数据的报警判断和打包上发PC机系统。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20141210 |