CN1664615A - 用于地球物理勘探的地震数据采集板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于地球物理勘探的地震数据采集板，它分为两部分，第一部分上设置有地震数据采集接口、前置放大器模模块、选择控制模块和模拟电源，第二部分上设置有地震数据采集套片、现场可编程逻辑门阵列、时钟源、数字电源和通信接口，在两部分之间设置有相互通信用的接插件，前置放大器模块采用两级放大器结构，通信接口采用RS485电缆接口，现场可编程逻辑门阵列可实现上行数据格式转换、下行控制信号的接收和处理。采用该地震数据采集板，能提高数据采集的运算速度，实现高精度高分辨率的地震勘探，并且采集到品质高的地震数据资料。
Description
技术领域
本发明涉及地球物理勘探领域，尤其是涉及一种用于地球物理勘探的地震数据采集板。
背景技术
地震数据采集与记录系统是石油地震勘探中最为关键的设备，地震勘探作业要求不失真的接收记录地震波，地震数据采集与记录系统必须具有大动态范围、低噪音、低漂移、宽频带和压制干扰波等能力；因此前端的采集板功能是否完善，记录数据质量的好坏直接关系到最终采集数据的品质。
现有地震数据采集与记录系统的采集板，由于其采用传统的软件计算方式，即微控制器处理方式，所以运算速度不高，而且由于采用传统的电子元器件和设计方法，所以设备陈旧，难以完成高精度高分辨率的地震勘探。因而，传统地震数据采集板的性能无法满足更高性能指标的地震勘探要求，难以采集到品质高的地震数据资料。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种用于地球物理勘探的地震数据采集板，采用该地震数据采集板，能提高数据采集的运算速度，实现高精度高分辨率的地震勘探，并且采集到品质高的地震数据资料。
为了解决上述技术问题，本发明提供了所述地震数据采集板分为两个部分，第一部分上设置有地震数据采集接口、与地震数据采集接口相连的前置放大器模块、与前置放大器模块相连的选择控制模块、为前置放大器模块和选择控制模块供电的模拟电源，第二部分上设置有地震数据采集套片、与地震数据采集套片相连的现场可编程逻辑门阵列、分别与地震数据采集套片和现场可编程逻辑门阵列相连接且提供时钟信号的时钟源、为地震数据采集套片和现场可编程逻辑门阵列供电的数字电源、以及与现场可编程逻辑门阵相连且用于与外部设备进行通信的通信接口，在两部分之间设置有用于相互通信的接插件。
进一步地，本发明还具有如下特点：所述前置放大器模块采用两级放大器结构，其中第一级放大器用于收集压电传感器的信号，第二级放大器则用于实现差分信号到单端信号的转换以及增益选择。
进一步地，本发明还具有如下特点：所述第一级放大器采用差分输入输出方式，由结构相同的正信号通道和负信号通道组成，且每个通道均包括由集成运放、输入电阻、反馈电阻和反馈电容构成，其中反馈电容采用金属化聚碳酸酯电容器，电容量精度为1％，容量值为0.27μF。
进一步地，本发明还具有如下特点：所述第二级放大器采用差分输入单向输出的方式，由正信号通道、负信号通道和集成运放组成，每个通道均由模拟多路开关、输入电阻、匹配电阻构成，正信号通道与集成运放的反向端相连，负信号通道与集成运放的正向端相连，并且正向通道的模拟多路开关输出端与第二级放大器的输出信号端相连，反向通道的模拟多路开关输出端接地；模拟多路开关根据接收到的增益控制信号选择相应的匹配电阻，从而实现增益选择。
进一步地，本发明还具有如下特点：该采集板采用双层扣板结构，所述第一部分和第二部分的模块分别设置在其中的一层扣板上。
进一步地，本发明还具有如下特点：所述时钟源采用32.768MHz的晶振，其输出32.768MHz的时钟信号至现场可编程逻辑门阵列以及地震数据采集套片中的CS5376A芯片。
进一步地，本发明还具有如下特点：所述CS5376A芯片将接收到的32.768MHz时钟信号进行分频后，输出2.048MHz的时钟信号至CS5372芯片，现场可编程逻辑门阵列可将接收到的32.768MHz时钟信号进行分频后，输出1.024MHz的时钟信号至通信接口。
进一步地，本发明还具有如下特点：所述地震数据采集套片采用由美国凌云逻辑公司的CS4373、CS5376A和CS5372芯片构成的专用地震数据采集套片。
进一步地，本发明还具有如下特点：所述现场可编程逻辑门阵列可实现上行数据格式转换、下行控制信号的接收和处理，其中下行控制信号的接收和处理包括模拟门控制、自检波形产生、控制地震数据采集套片的配置和命令解析等功能。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明充分应用现代电子技术，更多采用高速现场可编程逻辑门阵列的硬件逻辑设计替代传统的软件计算，并且采用并行数据处理与流水线结构电路设计，大大提高了数据采集的运算速度；此外，本发明还采用性能优良的专用地震采集套片，使本地震数据采集板具有大动态范围、系统噪音低、道间串扰小、谐波畸变小、共模抑制比高等优点，基于地震勘探的特性要求，本发明可以实现高精度高分辨率的地震勘探，并且能采集到品质高的地震数据资料。
附图说明
图1是本发明中一层扣板的结构示意图；
图2是本发明中另一层扣板的结构示意图；
图3是本发明中第一级放大器的结构示意图；
图4是本发明中第二级放大器的结构示意图；
图5是本发明中模数转换模块和接口模块的结构示意图；
图6是本发明中时钟分配图；
图7是本发明中现场可编程逻辑门阵列所转换上行数据的格式；
图8是本发明中现场可编程逻辑门阵列的功能模块示意图。
图9是本发明中电压分布情况示意图。
具体实施方式
为深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明用于地球物理勘探的地震数据采集板采用双层扣板结构，在双层扣板之间设置有用于双层扣板相互通信的接插件。一层扣板上设置有地震数据采集接口、前置放大器模块、选择控制模块和模拟电源，如图1所示，其中，地震数据采集接口(图上未显示)与前置放大器模块相连，前置放大器模块采用两级放大器结构，其中第一级放大器用于收集压电传感器的信号，第二级放大器则用于实现差分信号到单端信号的转换以及增益选择，选择控制模块包括模拟多选开关和控制模块，用于控制前置放大器模块。
如图3所示，第一级放大器采用差分输入输出方式，由结构相同的正信号通道和负信号通道组成，且每个通道均包括由集成运放、输入电阻、反馈电阻Rf和反馈电容Cf构成。该电路的特点是输出电压和运算放大器的开环增益无关，只决定于压电传感器收集到的电荷Q和反馈电容Cf的大小，具有极好的稳定性。为了得到必要的测量精度，要求反馈电容具有很好的温度稳定性和时间稳定性。本实施例中，反馈电容采用电容量精度1％且容量值为0.27uF的金属化聚碳酸酯电容器，可以满足测量的需要。反馈电阻Rf实现直流反馈功能，可以减小零漂，使放大器工作稳定。此外，TS+和TS-指自检测试信号输入。
如图4所示，第二级放大器采用差分输入单向输出的方式，由正信号通道、负信号通道和集成运放组成，每个通道均由模拟多路开关、输入电阻、匹配电阻构成，正信号通道与集成运放的反向端相连，负信号通道与集成运放的正向端相连，并且正向通道的模拟多路开关输出端与第二级放大器的输出信号端SIGNAL_OUT相连，反向通道的模拟多路开关输出端接地；模拟多路开关的控制端C1、C2接收来自于选择控制模块的增益控制信号GAIN_CONTROL，并根据该增益控制信号选择相应的匹配电阻，实现增益选择。
如图2和图5所示，另一层扣板上设置有专用地震数据采集套片、FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)、时钟源、数字电源和通信接口，其中，专用地震数据采集套片由美国凌云逻辑公司(CirrusLogic Inc.)的CS4373、CS5376A和CS5372芯片构成，CS4373芯片是高度集成的差分输出数模转换器(DAC)，适用于测试高精度的低频测量系统，具有小体积、低功耗、可选衰减、多输出及可编程测试模式等特点；CS5372芯片是用于地球物理学和声纳设备的单通道和双通道4阶Delta-Sigma调制器，与现有工业调制器标准相比，其具有更高的动态范围、更低的总谐波失真和极低的消耗功率；CS5376A芯片是多功能的数字滤波芯片，可以为至多4个Delta-Sigma模块实现有效滤波，因此，通过将CS5376A芯片、CS5372芯片的Delta-Sigma模块和CS4373的Delta-Sigma测试数模转换器(DAC)相结合，可实现同步高分辨率多通道测量，大大提高地震勘探的测试性能。
图2中，DAC由CS4373芯片实现，该DAC与FPGA相连；ADC由两片CS5372芯片实现，其与数字滤波模块相连；数字滤波模块由CS5376A芯片实现，其分别与FPGA和存储器模块(ROM)相连；FPGA采用美国阿尔特拉的芯片，EPC为该FPGA的配置闪存；通信接口采用RS485电缆接口。
图5中，DC_DC Regulator为直流电源转换模块，用于将375V直流到12V直流的转换，REF为CS5372芯片的参考配置电压，EEPROM为电可擦写只读存储器，用于配置CS5376A芯片，本发明中采用两片CS5372芯片进行4个通道数据采集，CS5376A芯片对两片CS5372芯片进行控制，而FPGA分别控制CS5376A芯片和RS485电缆接口。
本实施例中，时钟源采用32.768MHz的晶振，如图6所示，其输出32.768MHz的时钟信号至FPGA以及CS5376A芯片，CS5376A芯片将接收到的32.768MHz时钟信号进行分频后，由MCLK端口输出2.048MHz的时钟信号至CS5372芯片；FPGA将接收到的32.768MHz时钟信号进行分频得到内部时钟信号，该内部时钟信号的频率包括有1.024MHz，2.048MHz，4.096MHz和16.384MHz；FPGA输出1.024MHz的时钟信号至RS485电缆接口，使得RS485电缆接口的传输时钟频率为1.024MHz；另外的内部时钟信号分别提供给本发明中的其它模块。
而且，CS5376A芯片上SPI1(Serial Peripheral Interface 1，串行外围接口模块1)的SCK1端口的时钟频率缺省值为1.024MHz；SPI2(SerialPeripheral Interface 2，串行外围接口模块2)的SCK2端口的时钟频率可选32KHz、128KHz、512KHz、1.024MHz、2.048MHz和4.096MHz几种；测试比特流时钟模块(Test Bit Stream Clock)的TBCLK端口的时钟频率为CS5376A芯片内部时钟频率的1/8，最大值为2.048MHz；串行数据端口模块(Serial Data Port)的SDCLK端口由外部设备提供时钟信号，频率可为62.5Hz～4K OWR(字输出速率)。
本发明中FPGA可用于实现上行数据格式转换、下行控制信号的接收和处理，如图8所示，该FPGA的功能子模块包括有数据格式转换子模块、数字滤波芯片控制子模块、自检波形产生子模块、命令解析子模块和模拟门及其他控制子模块。其中，上行数据格式转换是指FPGA将采集到数据转换成如图7所示的UART(通用异步接收/发送)格式数据，并且通过RS485电缆接口传输到数字包的传输板，比特流时钟为1MHz；下行控制信号的接收和处理指模拟门控制(即为调节放大器增益和自检控制等)，控制专用地震数据采集套片的配置(即控制EEPROM的读写以配置CS5376芯片和RESET等功能)，产生自检波形(即其与DAC共同作用提供自检测试信号)，以及完成各种自检模式的命令解析。其中，自检用正弦信号是由FPGA中数字信号经DAC数模转换后得到，然后输出至前置放大器第一级放大中TS+、TS-输入端，本系统中与自检控制有关的命令信号如表1所示。
表1：自检控制信号类别表
| 控制信号名 | 逻辑值 | 实现功能 |
| PH_CONN | 0 | 断开与传感器的连接 |
| 1 | 前放与传感器相连 | |
| PH_FAKE | 0 | 不接入模拟电容 |
| 1 | 接入模拟电容 | |
| TS1 | 0 | PH1通道输入端接地 |
| 1 | PH1通道输入端接测试信号 | |
| TS2 | 0 | PH2通道输入端接地 |
| 1 | PH2通道输入端接测试信号 | |
| TS3 | 0 | PH3通道输入端接地 |
| 1 | PH3通道输入端接测试信号 | |
| TS4 | 0 | PH4通道输入端接地 |
| 1 | PH4通道输入端接测试信号 | |
| GN_CON1，GN_CON0 | 0，0 | 增益0dB |
| 0，1 | 增益6dB | |
| 1，0 | 增益12dB | |
| 1，1 | 增益24dB |
本发明中模拟电源采用线性电源芯片，将输入的±12V电压转换为±8V、±3V、+5V的模拟电压；数字电源采用开关电源芯片，将±12V电压转换为+1.5V、+3.3V、+3V、+5V的数字电压。
如图9所示，采用LT3765芯片将12V的输入电压转换为5V的数字电压，输出至RS485电缆接口芯片和MAX1972芯片，再经MAX1972芯片的转换分别输出3.3V和1.5V的数字电压至FPGA，其中3.3V的数字电压还分别输出至DAC和数字滤波芯片。采用LM78M08芯片将12V的输入电压转换为8V的模拟电压，经78M05芯片后转换为5V的模拟电压输出至DAC，此外采用LM79M08芯片将-12V的输入电压转换为-8V的模拟电压，于是将±8V的模拟电压输出至前置放大器模块；8V的模拟电压经LM1086芯片后转换为3V的模拟电压，-8V的模拟电压经LM337芯片后转换为-3V的模拟电压，故将±8V的模拟电压输出至ADC；将3V的模拟电压接电感后转换为3V的数字电压并分别输出至数字滤波芯片和ADC。
Claims (10)
1、一种用于地球物理勘探的地震数据采集板，其特征在于：所述地震数据采集板分为两个部分，第一部分上设置有地震数据采集接口、与地震数据采集接口相连的前置放大器模块、与前置放大器模块相连的选择控制模块、为前置放大器模块和选择控制模块供电的模拟电源，第二部分上设置有地震数据采集套片、与地震数据采集套片相连的现场可编程逻辑门阵列、分别与地震数据采集套片和现场可编程逻辑门阵列相连接且提供时钟信号的时钟源、为地震数据采集套片和现场可编程逻辑门阵列供电的数字电源、以及与现场可编程逻辑门阵相连且用于与外部设备进行通信的通信接口，在两部分之间设置有用于相互通信的接插件。
2、根据权利要求1所述的用于地球物理勘探的地震数据采集板，其特征在于：所述前置放大器模块采用两级放大器结构，其中第一级放大器用于收集压电传感器的信号，第二级放大器则用于实现差分信号到单端信号的转换以及增益选择。
3、根据权利要求2所述的用于地球物理勘探的地震数据采集板，其特征在于：所述第一级放大器采用差分输入输出方式，由结构相同的正信号通道和负信号通道组成，且每个通道均包括由集成运放、输入电阻、反馈电阻和反馈电容构成。
4、根据权利要求3所述的用于地球物理勘探的地震数据采集板，其特征在于：所述反馈电容采用金属化聚碳酸酯电容器，电容量精度为1％，容量值为0.27μF。
5、根据权利要求2所述的用于地球物理勘探的地震数据采集板，其特征在于：所述第二级放大器采用差分输入单向输出的方式，由正信号通道、负信号通道和集成运放组成，每个通道均由模拟多路开关、输入电阻、匹配电阻构成，正信号通道与集成运放的反向端相连，负信号通道与集成运放的正向端相连，并且正向通道的模拟多路开关输出端与第二级放大器的输出信号端相连，反向通道的模拟多路开关输出端接地；模拟多路开关根据接收到的增益控制信号选择相应的匹配电阻，从而实现增益选择。
6、根据权利要求1所述的用于地球物理勘探的地震数据采集板，其特征在于：该采集板采用双层扣板结构，所述第一部分和第二部分的模块分别设置在其中的一层扣板上。
7、根据权利要求1所述的用于地球物理勘探的地震数据采集板，其特征在于：所述时钟源采用32.768MHz的晶振，其输出32.768MHz的时钟信号至现场可编程逻辑门阵列以及地震数据采集套片中的CS5376A芯片。
8、根据权利要求7所述的用于地球物理勘探的地震数据采集板，其特征在于：所述CS5376A芯片将接收到的32.768MHz时钟信号进行分频后，输出2.048MHz的时钟信号至CS5372芯片，现场可编程逻辑门阵列可将接收到的32.768MHz时钟信号进行分频后，输出1.024MHz的时钟信号至通信接口。
9、根据权利要求8所述的用于地球物理勘探的地震数据采集板，其特征在于：所述地震数据采集套片采用由美国凌云逻辑公司的CS4373、CS5376A和CS5372芯片构成的专用地震数据采集套片。
10、根据权利要求9所述的用于地球物理勘探的地震数据采集板，其特征在于：所述现场可编程逻辑门阵列可实现上行数据格式转换、下行控制信号的接收和处理，其中下行控制信号的接收和处理包括模拟门控制、自检波形产生、控制地震数据采集套片的配置和命令解析等功能。
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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 | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20061213 Termination date: 20170419 |