CN110554430A - 地震勘探数据无线采集节点的ad转换与数据存储系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种AD转换与数据存储系统及方法，特别涉及一种适用于地震勘探无线采集系统中的采集节点的AD转换与数据存储。采用转换精度32位、最大采样率为4000Hz的ADS1282芯片进行数据模数转换，可以获得高保真度、高分辨率的数字地震信号；采用STM32L1系列超低功耗单片机作为AD微控制单元(MCU)，有效延长无线采集节点野外工作时间；利用GPS授时和单片机定时器计数相结合的方式，将时间精度控制在微秒级，可同时保证地震勘探数据采集系统的时间同步及数据采集精度；利用在主板微控制单元(MCU)中移植的FatFs文件系统，将采样后的地震数据按照一定格式、以时间的顺序存储在本地TF卡中，实现地震勘探无线采集数据的高效、快速存储。

Description

地震勘探数据无线采集节点的AD转换与数据存储系统及方法

技术领域

本发明属于地震勘探领域，具体涉及地震勘探数据无线采集节点的AD转换与数据存储系统的开发。

背景技术

地震勘探是勘测石油、天然气、煤矿等地下资源的重要手段，在地下断层、地壳研究方面也运用十分广泛。地震方法利用可控震源产生的地震波在不同弹性的地层内传播规律来勘测地质情况。地震波在地下传播中，当地层岩石的弹性参数发生变化时，地震波场也随之发生变化，通过地震仪器接收变化后的地震波，经专业的地震处理软件解释后即可反演出地下地质结构及岩性，达到地质勘探的目的。地震仪是一种能接收记录地震波的仪器，地震仪的发展直接关系着地震勘探技术的发展。地震数据采集记录系统是集地震数据传感、采集、传输、处理和控制于一体的高精度、高分辨率、高可靠性的复杂系统，作为地球物理勘探开发最前端的数据采集设备。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明旨在提供一种高精度、高分辨率、高可靠性的地震勘探数据无线采集节点的AD转换与数据存储系统及方法。

为了实现上述功能，本发明将采用以下技术方案：

一种地震勘探数据无线采集节点的AD转换与数据存储系统，其特征在于设有上位机、电源模块、采集节点、主板微控制单元、无线通信模块、数据存储模块、GPS模块，所述采集节点设有地震检波器、模数转换芯片和AD微控制单元，模数转换芯片分别与地震检波器和模数转换芯片相连接其中，所述模数转换芯片为ADS1282模数转换芯片，AD微控制单元为STM32L1系列单片机作为AD微控制单元，所述主板MCU和AD板MCU均为STM32L1系列超低功耗单片机，可以有效延长无线采集节点野外工作时间，其时间获取采用GPS时间同步授时和主板微控制单元定时器计数相结合的方式，通过GPS授时，主板MCU得到时间精度到秒的实时时间，再利用主板MCU定时器计数，获取当前计数值，最后将主板MCU的时间精度调整到微秒。

本发明所述主板微控制单元分别与电源模块、GPS模块、采集节点相连接，主板微控制单元经无线通信模块分别与上位机、采集节点、GPS模块与相连接。

本发明所述主板微控制单元为主板MCU,AD微控制单元为AD板MCU。

本发明利用主板MCU中移植的小型嵌入式文件系统，即FatFs文件系统，将采样后的地震数据按照一定格式高效、快速存储在数据存储模块中，在接收到TCP服务器的发送数据命令后，根据震源时间从数据存储模块中查找对应的数据，并打包发送出去。

本发明所述数据存储模块包含TF卡，TF卡可进行高效，快速数据存储，可以在PC端有效识别TF卡中的文件及其内部相关数据。

本发明所述采用的模数转换芯片为ADS1282模数转换芯片，AD板MCU可设置模数转换芯片的采样率；选用ADS1282模数转换芯片，转换精度高达32位，最大采样率可通过编程设置为4000Hz，可满足地震检波器采集的地震波形具有高动态、宽频带、高信噪比等特点，获得高保真度、高分辨率的数字地震勘探信号。

一种地震勘探数据无线采集节点的AD转换与数据存储方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：ZigBee网络中的网关节点、采集节点开机，WiFi、ZigBee、GPS等模块上线；

步骤2：WiFi、ZigBee上线后，通过ZigBee网络告知TCP服务器可以工作，然后主板MCU通过ZigBee网络接收TCP服务器发送的更改AD采集板的采样率命令；

步骤3：GPS稳定后，主板MCU获取GPS的定位信息，通过ZigBee发送给主板MCU，以便TCP服务器绘制节点地图；

步骤4：主板MCU收到开始采集命令后，获取GPS时间信息和主板定时器的计数精度，其中GPS授时用于获取实时时间，利用GPS模块每隔1秒中主动向主板MCU发送一个秒脉冲信号PPS的特性。设置主板MCU的定时器中断时间为2秒，主板MCU接收到PPS信号后，置位定时器，使其从初始值开始计数，避免定时器产生不必要的溢出，主板MCU获得GPS时间后，再读取定时器的当前计数值，即可将精度调整到微秒级，同时通知AD采集板开始开机，将此时间信息作为第一个地震采样数据的时间；

步骤5：AD采集板将数据打包发送给主板MCU，当主板MCU收到第一个数据包时通知TCP服务器采集工作正常，采集板继续保持采集状态，直到工作结束；

步骤6：主板MCU解包数据，将地震采样数据按照一定格式写入TF卡中创建的二进制地震文件；

步骤7：主板MCU收到TCP服务器通过ZigBee网络转发的数据回传命令，根据命令中的震源引爆时间、回传时间长度消息，通过计算得到对应的地震数据在文件中的偏移量，并提取有效的地震数据打包发送给无线板模块，再通过WiFi模块发送给TCP服务器；

步骤8：若TCP服务器检测到有丢包，主板MCU根据TCP服务器需求重传丢失的数据包，至此完成一次采集，等待下一次数据回传命令抵达。

本发明选用ADS1282模数转换芯片，可以获得高保真度、高分辨率的数字信号；使用高性能STM32L1系列超低功耗单片机作为微控制单元，有效延长无线采集节点野外工作时间。利用GPS同步授时和单片机定时器计数相结合的方式，将时间精度精确到微秒级；通过移植FatFs文件系统，将采样后的地震数据按照一定格式存储在本地TF卡中，在接收到上位机的发送数据命令后，根据震源时间从TF卡中查找对应的数据，并打包发送出去。具有时间精度高、工作时间长、数字信号高保真、高分辨率、可本地存储等优点。

附图说明

图1为本本发明的系统框图。

图2为通过信号发生器生成10Hz、15V的正弦波信号经采集、转换、存储、传输，TCP服务器处理后写入SEG-Y文件后最终恢复的波形。

图3为野外测试中使用重锤模拟震源，动圈式检波器拾取后的地震模拟信号，经采集、转换、存储、传输，TCP服务器处理后写入SEG-Y格式文件。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明：

本发明主要包括以下步骤：

步骤1：采集节点开机，WiFi、ZigBee、GPS等模块上线；

步骤2：WiFi、ZigBee上线后，通过ZigBee网络告知TCP服务器可以工作，然后接收TCP服务器更改AD采样率的命令；

步骤3：GPS稳定后，主板MCU获取GPS的定位信息，通过ZigBee发送给TCP服务器，以便TCP服务器绘制节点地图；

步骤4：主板MCU收到开始采集命令后，获取GPS时间信息和主板定时器的计数精度，其中GPS授时用于获取实时时间。由于该时间只精确到秒，不满足采集精度的要求，所以，需要同时使用主板的定时器计数，利用GPS模块每隔1秒中主动向主板MCU发送一个秒脉冲信号PPS的特性。设置主板MCU的定时器中断时间为2秒，主板MCU接收到PPS信号后，置位定时器，使其从初始值开始计数，避免定时器产生不必要的溢出。主板MCU获得GPS时间后，再读取定时器的当前计数值，即可将精度调整到微秒级，同时通知AD采集板开始开机，将此时间信息作为第一个地震采样数据的时间；

步骤5：AD采集板将数据打包发送给主板MCU，当主板MCU收到第一个数据包时通知TCP服务器采集工作正常，采集板保持采集，直到工作结束；

步骤6：主板MCU解包数据，将地震采样数据按照一定格式写入TF卡中创建的二进制地震文件；

步骤7：主板MCU一旦收到数据回传命令，根据命令中的震源引爆时间、回传时间长度消息，通过计算得到对应的地震数据在文件中的偏移量，并提取有效的地震数据打包发送给无线板MCU，再通过WiFi模块发送给TCP服务器；

步骤8：若TCP服务器检测到有丢包，主板MCU根据TCP服务器需求重传丢失的数据包，至此完成一次采集，等待下一次数据回传命令抵达。

本发明选用ADS1282模数转换芯片，可以获得高保真度、高分辨率的数字信号；使用高性能STM32L1系列超低功耗单片机作为微控制单元，有效延长无线采集节点野外工作时间。利用GPS同步授时和单片机定时器计数相结合的方式，将时间精度精确到微秒级；通过移植FatFs文件系统，将采样后的地震数据按照一定格式存储在本地TF卡中，在接收到上位机的发送数据命令后，根据震源时间从TF卡中查找对应的数据，并打包发送出去。具有时间精度高、工作时间长、数字信号高保真、高分辨率、可本地存储等优点。

Claims (9)

1.一种地震勘探数据无线采集节点的AD转换与数据存储系统，其特征在于设有上位机、电源模块、采集节点、主板微控制单元、无线通信模块、数据存储模块、GPS模块，所述采集节点包括地震检波器、模数转换芯片和AD微控制单元，模数转换芯片分别与地震检波器和模数转换芯片相连接，其中，所述模数转换芯片为ADS1282模数转换芯片，AD微控制单元为STM32L1系列单片机作为AD微控制单元，其时间获取采用GPS时间同步授时和主板微控制单元定时器计数相结合的方式，通过GPS授时，主板MCU得到时间精度到秒的实时时间，再利用主板MCU定时器计数，获取当前计数值后，将主板MCU的时间精度调整到微秒。

2.根据权利要求1所述的一种地震勘探数据无线采集节点的AD转换与数据存储系统，其特征在于主板微控制单元分别与电源模块、GPS模块、采集节点相连接，主板微控制单元经无线通信模块分别与上位机、采集节点、GPS模块与相连接。

3.根据权利要求1所述的一种地震勘探数据无线采集节点的AD转换与数据存储系统，其特征在于利用主板MCU中移植的小型嵌入式文件系统，即FatFs文件系统，将采样后的地震数据按照一定格式高效、快速存储在数据存储模块中。

4.根据权利要求1所述的一种地震勘探数据无线采集节点的AD转换与数据存储系统，其特征在于数据存储模块包含TF卡，TF卡可进行高效，快速数据存储，可以在PC端有效识别TF卡中的文件及其内部相关数据。

5.根据权利要求1所述的一种地震勘探数据无线采集节点的AD转换与数据存储系统，其特征在于所述无线通信模块包括ZigBee模块和WiFi模块，其中，其主要使用ZigBee网络接收上位机的控制消息，使用WiFi网络回传主板MCU的数据到上位机。

6.根据权利要求1所述的一种地震勘探数据无线采集节点的AD转换与数据存储系统，其特征在于上位机为TCP（Transmission Control Protocol）服务器。

7.根据权利要求1所述的一种地震勘探数据无线采集节点的AD转换与数据存储系统，其特征在于主板微控制单元为主板MCU,AD微控制单元为AD板MCU。

8.根据权利要求7所述的一种地震勘探数据无线采集节点的AD转换与数据存储系统，其特征在于设置主板MCU的定时器中断时间为2秒，主板MCU接收到GPS秒脉冲信号PPS后，置位定时器，使其从初始值开始计数，避免定时器产生不必要的溢出，主板MCU获得GPS时间后，再读取定时器的当前计数值，即可将精度调整到微秒级，同时通知AD采集板开始开机，将此时间信息作为第一个地震采样数据的时间。

9.一种地震勘探数据无线采集节点的AD转换与数据存储方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：ZigBee网络中的网关节点、采集节点开机，WiFi、ZigBee、GPS等模块上线；

步骤2：WiFi、ZigBee上线后，通过ZigBee网络告知TCP服务器可以工作，然后主板MCU通过ZigBee网络接收TCP服务器发送的更改AD采集板的采样率命令；

步骤3：GPS稳定后，主板MCU获取GPS的定位信息，通过ZigBee发送给主板MCU，以便TCP服务器绘制节点地图；

步骤4：主板MCU收到开始采集命令后，获取GPS时间信息和主板定时器的计数精度，其中GPS授时用于获取实时时间，利用GPS模块每隔1秒中主动向主板MCU发送一个秒脉冲信号PPS的特性。设置主板MCU的定时器中断时间为2秒，主板MCU接收到PPS信号后，置位定时器，使其从初始值开始计数，避免定时器产生不必要的溢出，主板MCU获得GPS时间后，再读取定时器的当前计数值，即可将精度调整到微秒级，同时通知AD采集板开始开机，将此时间信息作为第一个地震采样数据的时间；

步骤5：AD采集板将数据打包发送给主板MCU，当主板MCU收到第一个数据包时通知TCP服务器采集工作正常，采集板继续保持采集状态，直到工作结束；

步骤6：主板MCU解包数据，将地震采样数据按照一定格式写入TF卡中创建的二进制地震文件；

步骤7：主板MCU收到TCP服务器通过ZigBee网络转发的数据回传命令，根据命令中的震源引爆时间、回传时间长度消息，通过计算得到对应的地震数据在文件中的偏移量，并提取有效的地震数据打包发送给无线板模块，再通过WiFi模块发送给TCP服务器；

步骤8：若TCP服务器检测到有丢包，主板MCU根据TCP服务器需求重传丢失的数据包，至此完成一次采集，等待下一次数据回传命令抵达。