CN104391329A - 一种用于电法勘探系统中的接收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于电法勘探系统中的接收装置，包括：第二GPS模块(1’)、第二FPGA模块(2’)、第二单片机模块(3’)、第二键盘模块(4’)、第二显示控制模块(5’)、第二温度检测模块(6’)、第二存储模块(7’)、AD模块(8’)、第二串口通信模块(9’)、DSP实时处理模块(10’)、第一接收电极(103)和第二接收电极(104)。本发明实现了在有噪声的环境中采集数据并获得视电阻率和视频散率信息的效果，具有抗噪声性能强的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于电法勘探系统中的接收装置。
背景技术
当地下介质中的电流稳定且电流密度足够小时，该地电系统可以看成是线性时不变系统，因此地球物理勘探问题便转换为系统辨识问题。将地下介质看作待辨识的系统，通过电极向地下供入伪随机电流信号，同时在地表接收通过大地系统的响应信号，利用伪随机相关辨识技术可以得到地下介质的传递函数。因为输入为电流，测量结果为电压，因此该传递函数即为地下介质的复阻抗。这实质是通信系统中伪随机扩频技术与自动控制中系统辨识技术在地球物理勘探中的应用。鉴于伪随机相关辨识技术的高效率与强压制噪声能力，该方法将有效的解决目前激电法中存在的噪声干扰和效率问题，因此其具有很好的发展前景。
目前现有的研究，美国Zonge GDP-32和加拿大Phoenix V8都是比较成熟的仪器，Phoenix V8采用了24位的AD进行采集，每秒可采集96000个采样点。中南大学使用过24位CS 5321/5322 A/D转换器进行数据采集，也曾使用过16位的AD转换芯片TLC320ADC。吉林大学曾使用过16位的AD芯片ADS8323。本发明使用的芯片是TI公司的ADS1274，是一款24位同步采样Σ-ΔADC，在性能上足以满足接收机的采集要求，并使用了具有实时运算处理能力的DSP芯片，以完成相关辨识算法的实时运算，在显示屏上实时显示计算结果。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于电法勘探系统中的接收装置，用于获得地电参数，实现了在有噪声的环境中采集数据并获得视电阻率和视频散率信息的效果，具有抗噪声性能强的优点。
本发明的技术解决方案为：一种用于电法勘探系统中的接收装置，包括：第二GPS模块(1’)、第二FPGA模块(2’)、第二单片机模块(3’)、第二键盘模块(4’)、第二显示控制模块(5’)、第二温度检测模块(6’)、第二存储模块(7’)、AD模块(8’)、第二串口通信模块(9’)、DSP实时处理模块(10’)、第一接收电极(103)和第二接收电极(104)；
第二GPS模块(1’)包括第二GPS天线(11’)、第二脉冲输出端(12’)和第二信号输出串口(13’)；第二FPGA模块(2’)包括第二分频脉冲同步模块(21’)、第二伪随机信号生成模块(22’)、第一启动控制模块(23’)和第二恒温晶振(24’)；第二单片机模块(3’)包括第二计数单元(31’)、第二温度检测单元(32’)、第二GPS串口(33’)、第二异常报警单元(34’)、第二显示与控制单元(35’)、第二数据存储模块(36’)、第四串口通信单元(37’)、第二键盘控制模块(38’)、第二启动控制单元(39’)、第二信号采集单元(310’)；
第二显示控制模块(5’)包括第二信息显示单元(51’)和第二触摸屏手动控制单元(52’)；
AD模块(8’)包括AD芯片(81’)和信号调理与放大电路(82’)；
DSP实时处理模块(10’)由实时数字运算处理单元(105’)组成；
实时数字运算处理单元(105’)与第二伪随机信号生成模块(22’)相连接，第二信号采集单元(310’)与时数字运算处理单元(101’)相连接，AD芯片(81’)与第二信号采集单元(310’)相连接；第二参数显示单元(51’)和第二触摸屏手动控制单元(52’)均与第二显示与控制单元(35’)相连；第二温度检测模块(6’)与第二温度检测单元(32’)连接；第二存储模块(7’)与第二数据存储模块(36’)相连接，第二存储模块(7’)和第二参数显示单元(51’)均与实时数字运算处理单元(105’)连接；第二串口通信单元(37’)与第二串口通信模块(9’)连接；第二键盘模块(4’)与第二键盘控制模块(38’)相连接；
在接收部分中，第二GPS天线(11’)接收卫星数据后，将接收到的卫星时间数据通过第二信号输出串口(13’)将卫星数据发送至第二GPS串口(33’)，并将从卫星接收到的授时时间脉冲通过第二脉冲输出端(12’)传送给第二分频脉冲同步模块(21’)；
第二分频脉冲同步模块(21’)不断地接收第二GPS模块(1’)中第二脉冲输出端(12’)传输过来的授时脉冲，同时也接收恒温晶振(24’)输出的脉冲，然后对恒温晶振(24’)输出的脉冲进行分频，使得分频后的脉冲与第二脉冲输出端(12’)输出的脉冲对齐，然后将对齐后的分频脉冲输出到第二计数单元(31’)；第二启动控制模块(23’)接收到来自第二启动控制单元(39’)发来的启动信号之后，发送一个通知信号给第二伪随机信号生成模块(22’)；第二伪随机信号生成模块(22’)使用本地算法生成m序列或逆重复m序列，并将生成的m序列或逆重复m序列发送到DSP实时处理模块(10’)中的实时数字运算处理单元(105’)；
第二GPS串口(33’)接收到第二信号输出串口(13’)的卫星时间数据，并将获得的卫星时间数据分别送至第二显示与控制单元(35’)和第二计数单元(31’)；
第二计数单元(31’)接收来自第二显示与控制单元(35’)的或第二键盘控制模块(38’)输入的启动时间数据，同时也接收来自第二GPS串口(33’)的卫星时间数据，并将启动时间数据与第二GPS串口(33’)接收到的卫星时间数据求差；求差结果保存在第二计数单元(31’)内部，用第二分频脉冲同步模块(21’)输出的分频脉冲对求差结果进行加一或减一的计数，计数完成后通过第二启动控制单元(39’)发送启动信号；
第二温度检测单元(32’)向第二温度检测模块(6’)发送采集温度数据的指令，第二温度检测模块(6’)接收到该指令后，将温度信息发送给第二温度检测单元(32’)；如果第二温度检测单元(32’)检测到的温度高于设定值，则发送报警信号给第二异常报警单元(34’)；
第二异常报警单元(34’)接收来自第二温度检测单元(32’)的报警信号后立即报警；
第二显示与控制单元(35’)通过第二信息显示单元(51’)将第二GPS串口(33’)接收到的卫星时间数据显示出来，并将用户通过第二触摸屏手动控制单元(52’)输入的信息传送到第二计数单元(31’)；
第二数据存储模块(36’)接收第二信号采集单元(310’)传来的数据，并将这些数据存入第二存储模块(7’)；
第一串口通信单元(37’)通过第二串口通信模块(9’)与上位PC机双向通信，将PC机需要的数据发送过去，并接收PC机发过来的信号；
第二键盘控制模块(38’)接收由第二键盘模块(4’)传来的信息，并将这些信息传输给第二计数单元(31’)；
第二启动控制单元(39’)等待第二计数单元(31’)发来的指令，当接收到指令后，可以控制第二启动控制模块(23’)是否发出启动指令，也可以控制AD芯片(81’)是否开始采集数据；
第二信号采集单元(310’)记录AD芯片(81’)采集到的数据，并将记录下来的数据发送给第二数据存储模块(36’)和实时数字运算处理单元(105’)；
AD芯片(81’)等待第二启动控制单元(39’)发来的启动信号，当接收到启动信号之后，AD芯片(81’)采集信号调理与放大电路(82’)输出的模拟信号，并将采集后的数据发送给第二信号采集单元(310’)；第二信号采集单元(310’)将获得的数据发送给DSP实时处理模块(10’)；
信号调理与放大电路(82’)在接收到启动信号后，将第二接收电极(103)和第二接收电极(104)上的模拟电压信号进行处理，使之满足AD芯片(81’)的电压输入范围，再发送给AD芯片(81’)；
DSP实时处理模块(10’)将第二信号采集单元(310’)和第二伪随机信号生成模块(22’)发送来的数据，使用相关辨识法进行运算和处理，快速获得运算结果，并将运算结果发送至第二信息显示单元(51’)，并将运算结果发送到第二存储模块(7’)中存储。
第二信息显示单元(51’)将第二显示与控制单元(35’)和实时数字运算处理单元(105’)发送来的数据显示出来，第二触摸屏手动控制单元(52’)将用户输入的信息传输给参数显示单元(51’)。
所述第二单片机模块(3’)采用Cortex-M4架构的单片机STM32F407ZGT6，该CPU为32位，内有多个串口，实现与GPS模块，FPGA模块的与上位机PC多个模块的数据通信。
所述第二FPGA模块(2’)采用带有DCM时钟管理模块的FPGA Xilinx XC3S50AN，借助FPGA的DCM模块实现高精度同步的GPS标准脉冲，使FPGA同步后的标准脉冲与GPS芯片的脉冲高度同步，精度能够达到纳秒级。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的硬件设计方案是基于相关辨识法的理论研究，使该发明具有较强的抗干扰能力，并能同时获得视电阻率和视频散率参数。
(2)在DSP实时处理模块(10’)中，使用了具有高速数字运算处理能力的DSP芯片，结合相关辨识理论方法，在采集的过程中实现实时的相关辨识运算处理，快速获得处理结果，可以比较便捷的获得地下介质的视电阻率，视频散率等参数，并且将运算结果实时显示出来，可以直观的看到结果参数。
(3)Xilinx FPGA内部独有的数字时钟管理模块(DCM)可以产生比其它的FGPA或单片机准确度更高的GPS分频脉冲，这可以保证在计数的过程中有更高的准确度。
(4)相比于传统的51单片机，基于Cortex-M4架构的单片机STM32F407ZGT6功能更强，可以同时进行串口通信，LCD显示与控制，键盘控制，SD卡数据读写，报警控制等功能，并为今后的升级与改进预留出了空间。
附图说明
图1为本发明的组成框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：第二GPS模块1’、第二FPGA模块2’、第二单片机模块3’、第二键盘模块4’、第二显示控制模块5’、第二温度检测模块6’、第二存储模块7’、AD模块8’、第二串口通信模块9’、DSP实时处理模块10’、第一接收电极103和第二接收电极104；
第二GPS模块1’包括第二GPS天线11’、第二脉冲输出端12’和第二信号输出串口13’；第二FPGA模块2’包括第二分频脉冲同步模块21’、第二伪随机信号生成模块22’、第一启动控制模块23’和第二恒温晶振24’；第二单片机模块3’包括第二计数单元31’、第二温度检测单元32’、第二GPS串口33’、第二异常报警单元34’、第二显示与控制单元35’、第二数据存储模块36’、第四串口通信单元37’、第二键盘控制模块38’、第二启动控制单元39’、第二信号采集单元310’；
第二显示控制模块5’包括第二信息显示单元51’和第二触摸屏手动控制单元52’；
AD模块8’包括AD芯片81’和信号调理与放大电路82’；
DSP实时处理模块10’由实时数字运算处理单元105’组成；
实时数字运算处理单元105’与第二伪随机信号生成模块22’相连接，第二信号采集单元310’与时数字运算处理单元101’相连接，AD芯片81’与第二信号采集单元310’相连接；第二参数显示单元51’和第二触摸屏手动控制单元52’均与第二显示与控制单元35’相连；第二温度检测模块6’与第二温度检测单元32’连接；第二存储模块7’与第二数据存储模块36’相连接，第二存储模块7’和第二参数显示单元51’均与实时数字运算处理单元105’连接；第二串口通信单元37’与第二串口通信模块9’连接；第二键盘模块4’与第二键盘控制模块38’相连接；
在接收部分中，第二GPS天线11’接收卫星数据后，将接收到的卫星时间数据通过第二信号输出串口13’将卫星数据发送至第二GPS串口33’，并将从卫星接收到的授时时间脉冲通过第二脉冲输出端12’传送给第二分频脉冲同步模块21’；
第二分频脉冲同步模块21’不断地接收第二GPS模块1’中第二脉冲输出端12’传输过来的授时脉冲，同时也接收恒温晶振24’输出的脉冲，然后对恒温晶振24’输出的脉冲进行分频，使得分频后的脉冲与第二脉冲输出端12’输出的脉冲对齐，然后将对齐后的分频脉冲输出到第二计数单元31’；第二启动控制模块23’接收到来自第二启动控制单元39’发来的启动信号之后，发送一个通知信号给第二伪随机信号生成模块22’；第二伪随机信号生成模块22’使用本地算法生成m序列或逆重复m序列，并将生成的m序列或逆重复m序列发送到DSP实时处理模块10’中的实时数字运算处理单元105’；
第二GPS串口33’接收到第二信号输出串口13’的卫星时间数据，并将获得的卫星时间数据分别送至第二显示与控制单元35’和第二计数单元31’；
第二计数单元31接收来自第二显示与控制单元35’的或第二键盘控制模块38’输入的启动时间数据，同时也接收来自第二GPS串口33’的卫星时间数据，并将启动时间数据与第二GPS串口33’接收到的卫星时间数据求差；求差结果保存在第二计数单元31’内部，用第二分频脉冲同步模块21’输出的分频脉冲对求差结果进行加一或减一的计数，计数完成后通过第二启动控制单元39’发送启动信号；
第二温度检测单元32’向第二温度检测模块6’发送采集温度数据的指令，第二温度检测模块6’接收到该指令后，将温度信息发送给第二温度检测单元32’；如果第二温度检测单元32’检测到的温度高于设定值，则发送报警信号给第二异常报警单元34’；
第二异常报警单元34’接收来自第二温度检测单元32’的报警信号后立即报警；
第二显示与控制单元35’通过第二信息显示单元51’将第二GPS串口33’接收到的卫星时间数据显示出来，并将用户通过第二触摸屏手动控制单元52’输入的信息传送到第二计数单元31’；
第二数据存储模块36’接收第二信号采集单元310’传来的数据，并将这些数据存入第二存储模块7’；
第一串口通信单元37’通过第二串口通信模块9’与上位PC机双向通信，将PC机需要的数据发送过去，并接收PC机发过来的信号；
第二键盘控制模块38’接收由第二键盘模块4’传来的信息，并将这些信息传输给第二计数单元31’；
第二启动控制单元39’等待第二计数单元31’发来的指令，当接收到指令后，可以控制第二启动控制模块23’发出启动指令，也可以控制AD芯片81’是否开始采集数据；
第二信号采集单元310’记录AD芯片81’采集到的数据，并将记录下来的数据发送给第二数据存储模块36’；
AD芯片81’等待第二启动控制单元39’发来的启动信号，当接收到启动信号之后，AD芯片81’采集信号调理与放大电路82’输出的模拟信号，并将采集后的数据发送给第二信号采集单元310’；第二信号采集单元310’将获得的数据发送给DSP实时处理模块10’；
信号调理与放大电路82’在接收到启动信号后，将第二接收电极103’和第二接收电极104上的模拟电压信号进行处理，使之满足AD芯片81’的电压输入范围，再发送给AD芯片81’；
DSP实时处理模块10’将第二信号采集单元310’和第二伪随机信号生成模块22’发送来的数据，使用相关辨识法进行运算和处理，快速获得运算结果，并将运算结果发送至第二信息显示单元51’，并将运算结果发送到第二存储模块7’中存储；
第二信息显示单元51’将第二显示与控制单元35’和实时数字运算处理单元105’发送来的数据显示出来，第二触摸屏手动控制单元52’将用户输入的信息传输给参数显示单元51’。
第二FPGA模块2’采用带有DCM时钟管理模块的FPGA Xilinx XC3S50AN，借助FPGA的DCM模块实现高精度同步的GPS标准脉冲，使FPGA同步后的标准脉冲与GPS芯片的脉冲高度同步，精度能够达到纳秒级。以100M的时钟为例，每个脉冲的宽度为10纳秒，所以误差理论上可以控制在两个脉冲宽度20纳秒以内。
本发明中使用的Cortex-M4架构的单片机STM32F407ZGT6，总共具有六个串口，一个串口用于读取GPS卫星的信息，另一个串口用于与上位机PC通信，还有一个串口用于对FPGA分频后输出的脉冲进行计数。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。
Claims (3)
1.一种用于电法勘探系统中的接收装置，其特征在于包括：第二GPS模块(1’)、第二FPGA模块(2’)、第二单片机模块(3’)、第二键盘模块(4’)、第二显示控制模块(5’)、第二温度检测模块(6’)、第二存储模块(7’)、AD模块(8’)、第二串口通信模块(9’)、DSP实时处理模块(10’)、第一接收电极(103)和第二接收电极(104)；
第二GPS模块(1’)包括第二GPS天线(11’)、第二脉冲输出端(12’)和第二信号输出串口(13’)；第二FPGA模块(2’)包括第二分频脉冲同步模块(21’)、第二伪随机信号生成模块(22’)、第一启动控制模块(23’)和第二恒温晶振(24’)；第二单片机模块(3’)包括第二计数单元(31’)、第二温度检测单元(32’)、第二GPS串口(33’)、第二异常报警单元(34’)、第二显示与控制单元(35’)、第二数据存储模块(36’)、第四串口通信单元(37’)、第二键盘控制模块(38’)、第二启动控制单元(39’)、第二信号采集单元(310’)；
第二显示控制模块(5’)包括第二信息显示单元(51’)和第二触摸屏手动控制单元(52’)；
AD模块(8’)包括AD芯片(81’)和信号调理与放大电路(82’)；
DSP实时处理模块(10’)由实时数字运算处理单元(105’)组成；
实时数字运算处理单元(105’)与第二伪随机信号生成模块(22’)相连接，第二信号采集单元(310’)与时数字运算处理单元(101’)相连接，AD芯片(81’)与第二信号采集单元(310’)相连接；第二参数显示单元(51’)和第二触摸屏手动控制单元(52’)均与第二显示与控制单元(35’)相连；第二温度检测模块(6’)与第二温度检测单元(32’)连接；第二存储模块(7’)与第二数据存储模块(36’)相连接，第二存储模块(7’)和第二参数显示单元(51’)均与实时数字运算处理单元(105’)连接；第二串口通信单元(37’)与第二串口通信模块(9’)连接；第二键盘模块(4’)与第二键盘控制模块(38’)相连接；
在接收部分中，第二GPS天线(11’)接收卫星数据后，将接收到的卫星时间数据通过第二信号输出串口(13’)将卫星数据发送至第二GPS串口(33’)，并将从卫星接收到的授时时间脉冲通过第二脉冲输出端(12’)传送给第二分频脉冲同步模块(21’)；
第二分频脉冲同步模块(21’)不断地接收第二GPS模块(1’)中第二脉冲输出端(12’)传输过来的授时脉冲，同时也接收恒温晶振(24’)输出的脉冲，然后对恒温晶振(24’)输出的脉冲进行分频，使得分频后的脉冲与第二脉冲输出端(12’)输出的脉冲对齐，然后将对齐后的分频脉冲输出到第二计数单元(31’)；第二启动控制模块(23’)接收到来自第二启动控制单元(39’)发来的启动信号之后，发送一个通知信号给第二伪随机信号生成模块(22’)；第二伪随机信号生成模块(22’)使用本地算法生成m序列或逆重复m序列，并将生成的m序列或逆重复m序列发送到DSP实时处理模块(10’)中的实时数字运算处理单元(105’)；
第二GPS串口(33’)接收到第二信号输出串口(13’)的卫星时间数据，并将获得的卫星时间数据分别送至第二显示与控制单元(35’)和第二计数单元(31’)；
第二计数单元(31)接收来自第二显示与控制单元(35’)的或第二键盘控制模块(38’)输入的启动时间数据，同时也接收来自第二GPS串口(33’)的卫星时间数据，并将启动时间数据与第二GPS串口(33’)接收到的卫星时间数据求差；求差结果保存在第二计数单元(31’)内部，用第二分频脉冲同步模块(21’)输出的分频脉冲对求差结果进行加一或减一的计数，计数完成后通过第二启动控制单元(39’)发送启动信号；
第二温度检测单元(32’)向第二温度检测模块(6’)发送采集温度数据的指令，第二温度检测模块(6’)接收到该指令后，将温度信息发送给第二温度检测单元(32’)；如果第二温度检测单元(32’)检测到的温度高于设定值，则发送报警信号给第二异常报警单元(34’)；
第二异常报警单元(34’)接收来自第二温度检测单元(32’)的报警信号后立即报警；
第二显示与控制单元(35’)通过第二信息显示单元(51’)将第二GPS串口(33’)接收到的卫星时间数据显示出来，并将用户通过第二触摸屏手动控制单元(52’)输入的信息传送到第二计数单元(31’)；
第二数据存储模块(36’)接收第二信号采集单元(310’)传来的数据，并将这些数据存入第二存储模块(7’)；
第一串口通信单元(37’)通过第二串口通信模块(9’)与上位PC机双向通信，将PC机需要的数据发送过去，并接收PC机发过来的信号；
第二键盘控制模块(38’)接收由第二键盘模块(4’)传来的信息，并将这些信息传输给第二计数单元(31’)；
第二启动控制单元(39’)等待第二计数单元(31’)发来的指令，当接收到指令后，可以控制第二启动控制模块(23’)发出启动指令，也可以控制AD芯片(81’)是否开始采集数据；
第二信号采集单元(310’)记录AD芯片(81’)采集到的数据，并将记录下来的数据发送给第二数据存储模块(36’)；
AD芯片(81’)等待第二启动控制单元(39’)发来的启动信号，当接收到启动信号之后，AD芯片(81’)采集信号调理与放大电路(82’)输出的模拟信号，并将采集后的数据发送给第二信号采集单元(310’)；第二信号采集单元(310’)将获得的数据发送给DSP实时处理模块(10’)；
信号调理与放大电路(82’)在接收到启动信号后，将第二接收电极(103’)和第二接收电极(104)上的模拟电压信号进行处理，使之满足AD芯片(81’)的电压输入范围，再发送给AD芯片(81’)；
DSP实时处理模块(10’)将第二信号采集单元(310’)和第二伪随机信号生成模块(22’)发送来的数据，使用相关辨识法进行运算和处理，快速获得运算结果，并将运算结果发送至第二信息显示单元(51’)，并将运算结果发送到第二存储模块(7’)中存储；
第二信息显示单元(51’)将第二显示与控制单元(35’)和实时数字运算处理单元(105’)发送来的数据显示出来，第二触摸屏手动控制单元(52’)将用户输入的信息传输给参数显示单元(51’)。
2.根据权利要求1所述的用于电法勘探系统中的接收装置，其特征在于：在DSP实时处理模块(10’)中，使用了具有高速数字运算处理能力的DSP芯片，结合相关辨识理论方法，在采集的过程中实现实时的相关辨识运算处理，快速获得处理结果，可以比较便捷的获得地下介质的视电阻率，视频散率参数，并且将运算结果实时显示出来，直观的看到结果参数。
3.根据权利要求1所述的用于电法勘探系统中的接收装置，其特征在于：所述第二FPGA模块(2’)采用带有DCM时钟管理模块的FPGA Xilinx XC3S50AN，借助FPGA的DCM模块实现高精度同步的GPS标准脉冲，使FPGA同步后的标准脉冲与GPS芯片的脉冲高度同步，精度能够达到纳秒级。
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