CN104216022A - 分布式并行电法数据采集大线装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式并行电法数据采集大线装置。我国高密度电法探测系统的电极基本是集中式，电极与电缆对应，使用30芯以上的多芯电缆，大线系统复杂，单测线控制距离有限，探测精度低，可靠性差。本发明包括通过通信网络相连的上位机和井下发射与控制主机还有采集线缆，线缆采用五芯，两根发射线缆，一根公共地线，两根双绞线，挂载有相同构造的电极，分别为发射电极A，发射电极B，公共地线电极M、N和电位差采集电极；双绞线一端有终结器。本发明线缆芯数少，使用可靠，维护方便，电极具有数据采集功能，每个电极结构相同，通过内部电路切换使用，能作为供电电极又能作为接收电极，能够通电自动注册、编号，无需人工调试。

Description

分布式并行电法数据采集大线装置

技术领域

本发明属于煤矿直流电法勘探技术领域，具体涉及一种分布式并行电法数据采集大线装置。 

背景技术

电法勘探是根据地壳中不同岩层之间、岩石和矿石之间存在的电磁性差异，观测人工或者自然电场、电磁场分布，根据电场、电磁场变化规律研究地质构造，用来解决实际工程问题的一种地球物理勘探方法。 

我国国内的矿用电法探测系统分为集中式和分布式两种。 

集中式电法探测系统的所有电极都直接与电极转换器接口相连，由CPU发出控制信号，通过接口电路控制发射与采集。这种设计由于每一个电极对应一芯导线，优点是时序控制简单，缺点是由于多芯电缆自重较大，电极总数不宜过多。 

分布式多在长春地质学院1991年研究成果的基础上研制，分布式电缆采用9芯～10芯电缆。 

高密度电法探测系统的电极基本属于集中式，由电极转换或者测量主机集中。电极与电缆对应，通常使用30芯以上的多芯电缆与主机或转换开关相连。近年来，高密度直流电法采用继电器控制电极，实现电极功能转换，实现了多方法自动观测。但是存在大线系统复杂（7芯到几十甚至百芯电缆），单测线控制距离有限等问题，探测精度低，可靠性差。 

发明内容

本发明的目的是提供一种分布式并行电法数据采集大线装置，解决了现有技术中存在的线缆数量多，电缆自重大，解决电法勘探系统大线复杂，单线距离有限的问题。 

本发明所采用的技术方案为： 

 一种分布式并行电法数据采集大线装置，包括通过通信网络相连的上位机和井下发射与控制主机，以及与每个井下发射与控制主机相连的采集线缆，所述线缆采用5芯电缆，一根作为第一发射线缆，一根作为第二发射线缆，一根作为公共地线，其余两根为双绞线作为芯片供电、通信的电缆，

所述采集线缆上挂载有相同构造的电极装置，将与第一发射线缆、双绞线相连的电极装置作为第一发射电极装置；将与第二发射线缆、双绞线相连的电极装置作为第二发射电极装置；将与公共地线、双绞线相连的电极装置作为公共地线电极装置；其他电极装置与第一发射线缆、第二发射线缆隔离，与双绞线连接作为电位差采集电极装置；所述双绞线上设置有终结器。

 所述电极装置包括由智能网络收发器、双口RAM、ARM处理器构成的电极控制电路，电极供电电路，晶振，复位电路，滤波放大采集电路，电极切换电路以及电极；所述智能网络收发器分别与晶振和复位电路相连接；所述智能网络收发器与双绞线之间设置有电极供电电路；所述ARM处理器与电极之间设置有滤波放大采集电路和电极切换电路。 

 所述终结器由电容C1、电阻R1与电容C2串联而成；在自由拓扑状态时，电阻R1的阻值为52.3Ω±1%，额定功率为1/8W，电容C1与电容C2的电容值为100μF，额定电压大于等于50V；在总线拓扑状态时，电阻R1的阻值为105Ω±1%，额定功率为1/8W，电容C1与电容C2的电容值为100μF，额定电压大于等于50V。 

 所述电极供电电路采用链路电源技术，在智能节点的电源模块前端与双绞线之间设置有使信号不能通过，只允许电流通过的低通滤波器；在智能节点的处理器信号输入端前端设有阻止电流的通过，只能通过数据信号的高通滤波器；供电时，信号先通过低通滤波器，过滤后的电流经桥式整流滤波电路，再经过由三极管Q1组成的降压电路，由三极管Q2和Q3组成的短路保护电路，并通过由稳压管D5组成的稳压电路进行稳压。 

 所述滤波放大采集电路包括前置放大采集电路，双T50Hz陷波器，6阶低通15Hz滤波器，前置隔离放大电路和AD采集电路；通过电极采集到的信号先经过由INA333组成的前置放大电路，经过放大的信号再通过由OPA2734构成的双T50Hz陷波器，经过陷波器滤除50Hz干扰的信号再通过由OPA2734组成的低通滤波器，滤除高频干扰，而后信号通过由OPA734构成的前置隔离放大电路，经放大的电压信号再通过由OPA163构成的滤波电路，然后由AD7767构成的A/D转换器转换成电压脉冲信号，通过SPI串口送入ARM微控制器中。 

 所述的电极切换电路由单片机与8通道高压模拟开关HV20220构成。 

本发明的有益效果在于： 

（1）采集大线采用5芯电缆设计，与现有矿井用电法数据采集大线比较，线缆芯数少，使用更可靠，维护方便。

（2）采集大线所带智能电极具有数据采集功能，现有大部分矿井电法仪器所带电极无此功能。 

（3）每个智能电极的结构是相同的，通过内部电路来切换使用，使其既能作为供电电极又能作为接收电极。 

（4）智能电极能够在连接到采集大线后，通电自动注册、自动编号，无需人工调试。 

附图说明

图1为系统示意图 

图2是线缆设计图

图3为智能电极设计图

图4为大线与电极连接切换示意图

图5为智能电极供电电路

图6为电极切换控制

图7为前置放大电路和双T50Hz陷波器电路

图8为6阶低通15Hz滤波器电路

图9为MN前置隔离放大电路

图10为MN检测AD采集电路

图11为大线终结器设计图和电路设计器件型号具体参数设置表

图中，1为上位机，2为通信网络，3为井下发射与控制主机，4为分布式电极装置，5为采集线缆，6为智能网络收发器，7为晶振，8为复位电路，9为双口RAM，10为ARM处理器，11为滤波放大采集电路，12为电极切换电路，13为电极，401为第一发射电极装置、402为第二发射电极装置、403为公共地线电极装置、404为第一电位差采集电极装置、405为第二电位差采集电极装置，501为第一发射线缆、502为第二发射线缆、503为公共地线、504、505为双绞线。

具体实施方式

本设计的大线电缆采用5芯电缆5，一根作为第一发射线缆501，一根作为第二发射线缆502（也可作为发射地线），一根作为公共地线503，其余两根双绞线作为芯片供电、通信的电缆504、505。大线挂载智能采集电极装置4，每一个电极具有相同的构造，任意工作电极装置，在采样时可以设置为发射电极装置A、发射电极装置B、采集电极装置M、采集电极装置N或者闲置，在供电时又都可以设置为供电正极装置A、供电负极装置B、测量电极装置M和测量电极装置N或者闲置状态。根据直流电法勘探方法切换电极装置状态，实现矿井直流电法勘探数据采集。另外本设计使用双绞线连接设备组成网络，必须使用网络终结器来改善网络的通信情况。自由拓扑结构和总线结构连接时，终结器的设计情况有所不同，大线终结器设计图和电路设计器件型号具体参数设置如图11所示。 

表1 

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本大线装置主要应用在采用分布式布极的智能多电极电法测量系统。其主要结构由上位机1、环网通信线路2、井下监测系统3、采集大线5和智能电极装置组成4。这样，按预设置的模式进行转换，实现分布式高密度电法采集。本设计应用嵌入式控制网络平台，通过一根五芯电缆5实现主机对几十至几百根电极装置4进行自动控制、数据采集及数据传输，实现不同观测装置、不同电极距、不同测点布置的自动观测。 

本发明的电极装置4具体包括由智能网络收发器6、双口RAM9、ARM处理器10构成的电极控制电路，电极供电电路，晶振7，复位电路8，滤波放大采集电路11，电极切换电路12以及电极13；智能网络收发器6分别与晶振7和复位电路8相连接；智能网络收发器7与双绞线之间设置有电极供电电路；ARM处理器10与电极13之间设置有滤波放大采集电路11和电极切换电路12。 

在本设计的电极转换系统中，每个节点都具有相同的硬件结构，尽管它们在任意时刻只能处于5种状态中的任意1种，而且同一个系统中不可能多于1个电极同处于前4种状态中的任意一种形式。由单片机控制8通道高压模拟开关HV20220通道的通断，从而使同一个电极装置4在工作过程中既可以作供电电极装置，又可以作测量电极装置。 

本发明在电极供电上采用了链路电源技术，在同一个双绞线上提供电源和发送数据。使用这种技术，可以使网络上的节点通过通信线路来获得电源，减少了电源线的开支，另外降低了布线和维护的难度。本设计采用链路电源技术给分布式智能节点供电和传输数据。在智能节点的电源模块前端为了隔离数据信号，加低通滤波器。这种滤波器使信号不能通过，只允许电流通过，给节点供电。在智能节点的处理器信号输入端前端附加高通滤波器，阻止电流的通过，使之只能通过数据信号。电路图如图5所示，二极管D1、D2、D3、D4组成的桥式电路对双绞线上传来的电流进行无极性转换，然后通过三极管T1的降压作用T2和T3的短路保护作用和稳压管D的稳压作用向分布式电极处理器提供3.3 V的工作电压，该电路为线性电源电路，输出纹波小(5mV以下)，电磁干扰弱。 

同时，本发明的智能电极控制部分是一种基于H-B结构的LonWorks智能节点，主要有FT3150收发器、双口RAM、ARM芯片等组成，电路图如图所示。其中ARM芯片主要完成电极切换控制功能及数据采集、处理，ARM芯片的加入可以缓解Neuron芯片内部资源紧张的问题，主要使用Neuron3150芯片来完成通信功能，保证通信的顺畅。它将处理过的数据通过收发器发送到基于Pyxos总线的电极大线，也可以将电极大线上的消息接收至本智能电极节点。FT3150芯片和ARM芯片的的数据共享区使用双口RAM。存储数据共享是双口RAM最大的特点。一个双口RAM存储器配备两套独立的地址、数据和控制线，允许两个独立的CPU或控制器同时异步地访问存储单元。内部存在访问仲裁控制模块控制数据共享。内部仲裁逻辑控制提供以下功能：对同一地址单元访问的时序控制；存储单元数据块的访问权限分配；信令交换逻辑（例如中断信号）等。双口RAM的同一存储单元对于FT3150及ARM芯片各有一个地址，两个系统就都能对其进行存取操作。 

另外，由于在电法勘探中，50Hz及其谐波为干扰源，物探仪器一般采用陷波器来压制工频信号干扰。但是井下环境复杂多变，一般的陷波器无法起到应有的作用。为了抑制外部和内部的电磁干扰，本设计采用50Hz双T陷波器来抑制工频干扰。陷波器也称带阻滤波器，主要作用是抑制输入信号中的某一频率的信号，同时不影响其他信号的输入。特别适用于滤除某一特定频率的干扰信号时的应用。MN信号进入仪表放大器INA333组成的前置放大电路，然后通过OPA2734构成的双T50Hz陷波器，滤除50Hz工频干扰（图7）。信号通过双T50Hz陷波器后，进入由OPA734和OPA2734组成的低通滤波器，滤除高频干扰（图8）。 

采集电压信号通过采集电极装置进入前置放大与滤波电路，然后由A/D转换器转换成电压脉冲信号，由SPI串口送入ARM微控制器中。采集模块主要由AD7767构成的采集电路组成。 

本发明所使用的大线5上根据需要挂载多个分布式电极装置4，将大线5的五芯都连接在每一个分布式电极装置4上。根据直流电法勘探方法切换电极装置4的状态，使电极装置4处于五种状态中的一种。 

在进行对称四级测深时，将电极装置4通过电极切换电路12，在大线与第一发射线缆上501导通作为第一发射电极装置A，将电极装置4通过电极切换电路与大线的第二发射线缆502导通作为第二发射电极装置B，将电极M、N之间通过公共地线连通作为接收电极装置，大线上的其他电极装置与线缆501、502、503隔离，只通过504和505来供电和传输数据，电极13采集电位差后处理和存储，按照预先设定的电极切换方式依次使用大线上的电极来完成对称四极测深操作。 

Claims (6)

1.分布式并行电法数据采集大线装置，包括通过通信网络（2）相连的上位机（1）和井下发射与控制主机（3），以及与每个井下发射与控制主机（3）相连的采集线缆（5），其特征在于：

所述线缆（5）采用五芯电缆，一根作为第一发射线缆（501），一根作为第二发射线缆（502），一根作为公共地线（503），其余两根为双绞线（504）、（505）作为芯片供电、通信的电缆，

所述采集线缆（5）上挂载有相同构造的电极装置（4），

将与第一发射线缆、双绞线相连的电极装置作为第一发射电极装置A；

将与第二发射线缆、双绞线相连的电极装置作为第二发射电极装置B；

将与公共地线、双绞线相连的电极装置作为公共地线电极装置M、N；

其他电极装置与第一发射线缆、第二发射线缆隔离，与双绞线连接作为电位差采集电极装置；

所述双绞线（504）、（505）一端设置有终结器。

2.根据权利要求1所述的分布式并行电法数据采集大线装置，

其特征在于：

所述电极装置（4）包括由智能网络收发器（6）、双口RAM（9）、ARM处理器（10）构成的电极控制电路，电极供电电路，晶振（7），复位电路（8），滤波放大采集电路（11），电极切换电路（12）以及电极（13）；

所述智能网络收发器（6）分别与晶振（7）和复位电路（8）相连接；

所述智能网络收发器（7）与双绞线之间设置有电极供电电路；

所述ARM处理器（10）与电极（13）之间设置有滤波放大采集电路（11）和电极切换电路（12）。

3.根据权利要求1所述的分布式并行电法数据采集大线装置，

其特征在于：

所述终结器由电容C1、电阻R1与电容C2串联而成；

在自由拓扑状态时，电阻R1的阻值为52.3Ω±1%，额定功率为1/8W，电容C1与电容C2的电容值为100μF，额定电压大于等于50V；

在总线拓扑状态时，电阻R1的阻值为105Ω±1%，额定功率为1/8W，电容C1与电容C2的电容值为100μF，额定电压大于等于50V。

4.根据权利要求2所述的一种分布式并行电法数据采集大线装置，其特征在于：

所述电极供电电路采用链路电源技术，在智能节点的电源模块前端与双绞线之间设置有使信号不能通过，只允许电流通过的低通滤波器；

在智能节点的处理器信号输入端前端设有阻止电流的通过，只能通过数据信号的高通滤波器；

供电时，信号先通过低通滤波器，过滤后的电流经桥式整流滤波电路，再经过由三极管Q1组成的降压电路，由三极管Q2和Q3组成的短路保护电路，并通过由稳压管D5组成的稳压电路进行稳压。

5.根据权利要求2所述的分布式并行电法数据采集大线装置，其特征在于：

所述滤波放大采集电路（11）包括前置放大采集电路，双T50Hz陷波器，6阶低通15Hz滤波器，前置隔离放大电路和AD采集电路；

通过电极采集到的信号先经过由INA333组成的前置放大电路，

经过放大的信号再通过由OPA2734构成的双T50Hz陷波器，

经过陷波器滤除50Hz干扰的信号再通过由OPA2734组成的低通滤波器，滤除高频干扰，

而后信号通过由OPA734构成的前置隔离放大电路，

经放大的电压信号再通过由OPA163构成的滤波电路，

然后由AD7767构成的A/D转换器转换成电压脉冲信号，

通过SPI串口送入ARM微控制器中。

6.根据权利要求2所述的分布式并行电法数据采集大线装置，其特征在于：

所述的电极切换电路（12）由单片机与8通道高压模拟开关HV20220构成。