CN211043689U - 一种孔间弹性波采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种孔间弹性波采集装置，包括信号接收探头、信号调理模块和处理器，其特征在于：处理器分为主控单元处理器和采集单元处理器，两者通过串口连接，主控单元处理器连接人机交互模块，采集单元处理器连接信号调理模块，信号调理模块连接信号接收探头。提供一种基于ARM的分布式硬件构架，主ARM处理器负责人机交互控制，协ARM处理器专门负责数据采集，二者通过两路串口进行通信，协作完成整个弹性波的采集任务，以达到满足采集实时性能的同时，降低了对单个处理器的处理能力要求，降低了整体硬件成本，并便于接口资源的拓展和模块维修替换。

Description

一种孔间弹性波采集装置

技术领域

本发明属于工程勘探、检测领域，更具体地，涉及地质层析成像技术中用到的孔间弹性波采集装置。

背景技术

工程勘探中的层析成像施工示意图如图1，其工作过程为：震源放炮通过发射探头11发射弹性波，弹性波开始从发射孔穿透地层介质向接收孔传播，同时产生一个同步信号，该同步信号会通过同步信号电缆13传递给弹性波采集装置14，弹性波采集装置14一旦接收到同步信号，则立即对接收探头12的信号进行采集，以发现地下的岩性异常体。弹性波采集装置一般具有：同步信号触发、数据实时采集、采集数据滤波、数据波形界面显示功能。因此，弹性波采集装置实时，准确的进行信号采集是层析成像施工的关键步骤。

作为弹性波采集装置，一套合理的硬件构架和配套的数据采集方法，是满足其功能要求和数据采集实时性的关键。目前市场上已经有一些厂商推出了弹性波采集装置进行销售，一般采用的是工控机结合信号采集外围电路实现。这种单一处理器的硬件架构由处理器内部程序即可完成整个弹性波数据采集工作，但通常工控机的单台价格比较昂贵，体积大，重量重。另外，由单个处理器完成人机交互控制功能和同步信号触发实时数据采集功能的硬件实现方式，对于处理能力弱的处理器，其弹性波采集的实时性难以得到保证，而采用处理能力强的处理器不仅会提高产品成本，同时在面对弹性波数据后续处理显示这类实时性要求低的任务时，又存在性能过剩的情况。此外，伴随震源放炮产生的同步信号通常带有较强的高频噪声，采用同步信号和弹性波采集信号接同一处理器的设计模式，需要为同步信号设计复杂的信号调理电路以降低对弹性波采集信号产生的噪声干扰。为此，有必要开发一种低成本，系统设计简单，同时满足数据实时采集和数据后续处理的任务需求，可靠性高的孔间弹性波采集装置。

申请人在现有技术中找到3份较相近的专利文献[1] CN102296645A. 一种桩基质量检测方法及其装置. 朱德兵. 2011.06.02；[2] CN108797662A. 立柱下桩基长度无损检测方法及装置. 中南大学. 2018.07.24；[3] CN104020488A. 无线分布式弹性波反射体探测装置、系统和方法. 成都畅达通检测技术股份有限公司. 2014.06.13。三者采集系统的结构原理：专利[1]采用的是微型速度或加速度传感器形成的10厘米左右间隔检波器串，检波器串的输出信号通过信号电缆与多道同步弹性波采集仪器连接，通过信号电缆记录弹性波响应信号，重复锤击形成信号叠加；将多道弹性波响应信号所包含的上行波和下行波进行行波分离，压制或滤出下行波，保留反映桩基下部缺陷反射信号的上行波，根据缺陷反射上行波信号的相关性进行偏移叠加，形成桩顶面激发和接收的反射信号，获取桩基下部缺陷位置和性质。专利[2]采用的是通过弹性波采集仪器采集到有i道地震波记录的原始采集记录；从获得的原始采集记录中，提取来自桩基底部的桩底横波反射信号；从所述桩底横波反射信号拾取来自桩底的横波反射波到达时间，并根据立柱横波波速进行桩长、桩身速度等参数解算，从而获取掩埋在立柱之下的桩基长度。专利[3]采用的是一种无线分布式弹性波反射体探测装置、系统和方法，其装置包括控制终端、无线数据存储装置、振动信号接收装置、无线数据采集装置和振动激发装置，采用无线立体空间分布式弹性波采集仪器、无线数据存储仪器和人力小能量锤击方式，可以快捷、方便、安全的采集到大量的弹性波信号。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题：降低弹性波采集装置的硬件成本，简化系统设计，保证弹性波采集装置的可靠性，使弹性波采集装置能够完成弹性波数据实时采集与数据处理显示功能。

本发明的目的在于提供一种基于ARM的分布式硬件构架，主ARM处理器负责人机交互控制，协ARM处理器专门负责数据采集，二者通过两路串口进行通信，协作完成整个弹性波的采集任务，以达到满足采集实时性能的同时，降低了对单个处理器的处理能力要求，降低了整体硬件成本，并便于接口资源的拓展和模块维修替换。

本发明的另一目的在于提出一种基于该ARM的分布式构架，将同步信号处理模块从数据采集单元独立出来单独设计，并由人机交互控制单元控制，以达到屏蔽同步信号高频干扰对弹性波采集数据的影响，简化数据采集电路设计的目的。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于ARM的孔间弹性波采集装置，包括信号接收探头、信号调理模块和处理器，其特征在于：处理器分为主控单元处理器和采集单元处理器，两者通过串口连接，主控单元处理器连接人机交互模块，采集单元处理器连接信号调理模块，信号调理模块连接信号接收探头。

主控单元处理器向同步信号处理器输出信号，同步信号处理模块向采集单元处理器输出信号，同步信号处理模块连接同步信号输出装置。

两个处理器均为ARM处理器，通过一个串口一进行参数设置，通过串口二进行数据传输。

设有电源模块向各个单元供电。

信号调理模块包括四个对应每个采样通道的差分放大电路和滤波电路，连接四个信号接收探头。

同步信号处理模块包括一个双电压比较器，主控单元处理器IO控制引脚EINT14和EINT15分别接入双电压比较器的调压电阻选择电路。

信号调理模块中包括信号调理电路，每个信号调理电路有两个采样通道，每个采样通道连接有精密差分放大器芯片，放大后的电压接入二通道滤波芯片。

首先通过主控制单元处理器选择同步信号处理模块中的调压电阻，以此控制同步信号触发阈值电压，然后口向数据采集单元发送开始采集指令，并附带参数设定信息；操作震源放炮同时产生同步信号，同步信号首先进入同步信号处理模块，经过放大和阈值比较，输出稳态触发信号传递给数据采单元处理器；数据采集单元处理器一旦收到该触发信号立即通过信号调理电路实时采集波形数据。

参数设定信息包括采样率、滤波截止频率、采样点数、采样延时、采样通道使能和同步信号触发档位；数据采集单元的处理器收到开始采集指令后，通过参数设置串口对主控制单元进行通信回复；数据采集单元处理器中的数据采集程序完成相关参数的配置，并根据参数设置信息中的滤波截止频率对信号调理电路进行设定。

数据采集单元完成实时数据采集任务后，将采集的数据通过数据传输串口发送给主控制单元，主控制单元ARM处理器解析数据得到各个采样通道对应的采集数据。

本发明与现有技术相比较，具有如下显著优点：

通过采用主处理器负责人机交互控制任务，协处理器单独负责数据采集任务，二者通过两路串口完成参数设置与数据传输通信的硬件架构，充分利用了数据采集装置对数据采集实时性要求高而对后续数据处理实时性要求低的特点，从而降低了对单个专用处理器性能要求，又能保障数据采集的实时性。同时，本发明设计了专用的同步信号处理模块，由该模块向数据采集单元提供稳定的触发信号，此种设计相比于将同步信号触发电路作为数据采集处理器外围电路直接触发的模式，能够有效屏蔽同步信号中的高频杂波对数据采集端口的影响，并简化了数据采集单元的设计。同时，本发明基于该硬件构架提出了一套完整的数据采集与处理流程，实现了层析成像技术对弹性波数据采集的功能要求。综上，这种孔间弹性波采集装置，在保证数据采集实时性与可靠性基础上，能够降低仪器成本，使层析成像技术有效地应用于实践。

附图说明

图1是地质层析成像施工示意图。

图2是本发明中基于双ARM处理器的孔间弹性波采集装置的结构框图。

图3是本发明实施例中同步信号触发的电路连接示意图。

图4是本发明实施例中信号调理的电路连接示意图。

图5为本发明采集功能实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图2所示，本发明提出的一种基于ARM的孔间弹性波采集装置，包括主控制单元和数据采集单元两部分，二者通过两路串口分别进行参数设置和数据传输通信；主控制单元负责人机交互控制任务，数据采集单元负责弹性波数据采集任务，二者通过两路串口分别进行采集参数设置和数据传输通信。其中主控制单元包括：ARM处理器1、人机交互模块2、同步信号处理模块3、电源模块4；数据采集单元包括：ARM处理器5、信号调理模块6及1-4号信号接收探头。

所述的电源模块4用于提供电源，其采用外部12V直流开关电源7为输入源，通过DCDC变换器产生一路+5V电源8、一路+3.3V电源9、一路+5V和+3.3V电源10，其中，+5V电源8为人机交互模块2供电，+3.3V电源9采用LT1763CS8-3.3芯片产生，用于为ARM处理器1供电，+5V和+3.3V电源10中+5V由TPS5420产生，+3.3V采用SA1117-33芯片产生，其作为ARM处理器5供电和AD、DA转换芯片的参考电压。

所述的人机交互模块2，实施过程中处理器1的显示输出引脚接触摸显示屏，处理器1中的控制程序通过触摸显示屏完成人机交互过程，获得相关采集参数。

所述的同步信号处理模块3，如图3所示，U9A和U9B采用双电压比较器。ARM处理器的IO控制引脚EINT14和EINT15分别接入调压电阻R1选择电路，选择接入回路的调压电阻R1阻值，利用调压电阻的分压作用控制U9A和U9B的触发基准电压。外部的同步信号TRIG由J7接口接入电路，经过初步滤波放大，输出电压为Vs。Vs分别与U9A和U9B的另一端输入作比较，如果Vs的电压值与基准电压的差值过大，则U9A或U9B会输出一个稳态触发信号，用于触发数据采集单元开始采集。

所述的信号调理模块6，图4对应了两个采样通道的信号调理电路，本实施例中有两个二通道带通滤波芯片，每个二通道带通滤波芯片连接两个接收探头，如图，将接收探头1和2将感应产生的电信号分别接入IN1+、IN1-和IN2+、IN2-。首先经过精密差分放大器芯片U4和U5作电压放大，放大后的电压接入二通道滤波芯片。二通道滤波芯片的工作原理是：ARM处理器利用外部时钟控制滤波芯片基准频率，通过芯片提供的控制引脚选择低通和高通截止频率。

实施过程中，所使用的ARM处理器STM32F407VG，设计ARM处理器5的最小系统，扩展出所有IO口，供其它各模块与ARM处理器5与其通信。ARM处理器5引脚VREF+与电源模块4中产生的3.3V电压连接，为ARM处理器5内部AD转换提供稳定的参考电压。ARM处理器5的NRST引脚与复位芯片MAX809的RST引脚相连为ARM处理器5提供复位信号。在电路板上为ARM处理器5预留了SWD调试接口，方便对运动控制卡进行在线调试。ARM处理器VCC与GND之间分别连上0.1uF电容，滤除电源杂波，为ARM处理器5提供平稳电源。

所述的主控制单元所使用的ARM处理器采用Samsung S5PV210，基于CortexTM-A8，运行主频1GHz，内置PowerVR SGX540高性能图形引擎，支持流畅的2D/3D图形加速。外扩接口资源有1路LCD显示接口、4路串口、1个SDIO接口、6路AD输入。

如图5所示，其控制流程如下：主控制单元的ARM处理器1通过同步信号处理模块设定同步信号触发电平，然后通过参数设置串口向数据采集单元发出采集命令，数据采集单元接收采集命令，对其进行解析得到采样率、触发电平，低通滤波设置、高通滤波设置、滤波器基频、采样点数，采样延时、通道1采集使能、通道2采集使能、通道3采集使能、通道4采集使能。此时，数据采集单元处于采集准备就绪阶段。之后，震源放炮同时产生一个同步信号，同步信号首先经过同步信号处理模块，满足触发电位要求后，同步信号处理模块发出触发信号，数据采集单元的ARM处理器5一旦收到触发信号立即进行采集，数据采集单元完成数据采集任务后，ARM处理器5通过数据传输串口将数据发送给主控制单元的ARM处理器1进行解析数据，通过人机交互模块2将采集到的数据进行显示，即完成一次层析成像的数据采集。

其中参数设置串口的数据通信格式如下：

HDR LEN ACC CMD data1 ... dataN，其中HDR占一个字节，固定为0x24，LEN占一个字节，代表从ACC到dataN的字节个数，ACC占一个字节，代表从CMD到dataN的累加和，CMD占一个字节，代表命令字，data1...dataN为CMD所对应的数据内容，收到该命令后将返回HDR LEN ACC CMD信息。

CMD=0x01代表启动采集，其后的数据内容是采集参数结构体

typedef struct _CFG_PARAM

{ uint32_t samprate; //采样率(Hz)

uint8_t trigedge; //外触发模式的触发电平

uint8_t lpfreq; //低通滤波器设置

uint8_t hpfreq; //高通滤波器设置

uint32_t fbfreq; //滤波器的基频Fb设置

uint16_t samppoints; //数据采样点数

int16_t delay; //采样延时设置，即从触发条件后进行延时采样

uint8_t gain; //滤波器增益

uint8_t chan1enable; //通道1采集使能

uint8_t chan2enable; //通道2采集使能

uint8_t chan3enable; //通道3采集使能

uint8_t chan4enable; //通道4采集使能

}CFG_PARAM;

CMD=0x02代表停止采集，其后无参数。

CMD=0x03代表设置数据端口的波特率，其后为32位无符号数，用来表示波特率。

数据传输串口传输的采集数据，其数据以二进制输出，包含数据头信息和数据块，其格式为：

HDR1 HDR1 HDR2 chan lenL lenH data1L data1H data2L data2H ... dataNLdataNH，其中HDR1为7E，HDR2为5E，chan为通道号（1-4），lenL和lenH分别为数据块长度的低8位和高8位（是数据块点数），数据块则为所采集到的数据值，每个点在发送时先发送低字节，再发送高字节。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种孔间弹性波采集装置，包括信号接收探头、信号调理模块和处理器，其特征在于：处理器分为主控单元处理器和采集单元处理器，两者通过串口连接，主控单元处理器连接人机交互模块，采集单元处理器连接信号调理模块，信号调理模块连接信号接收探头。

2.根据权利要求1所述孔间弹性波采集装置，其特征在于：主控单元处理器向同步信号处理模块输出信号，同步信号处理模块向采集单元处理器输出信号，同步信号处理模块连接同步信号输出装置。

3.根据权利要求2所述孔间弹性波采集装置，其特征在于：两个处理器均为ARM处理器，通过串口一进行参数设置，通过串口二进行数据传输。

4.根据权利要求2所述孔间弹性波采集装置，其特征在于：设有电源模块向各个单元供电。

5.根据权利要求2所述孔间弹性波采集装置，其特征在于：信号调理模块包括四个对应每个采样通道的差分放大电路和滤波电路，连接四个信号接收探头。

6.根据权利要求2所述孔间弹性波采集装置，其特征在于：同步信号处理模块包括一个双电压比较器，主控单元处理器IO控制引脚EINT14和EINT15分别接入双电压比较器的调压电阻选择电路。

7.根据权利要求2所述孔间弹性波采集装置，其特征在于：信号调理模块中包括信号调理电路，每个信号调理电路有两个采样通道，每个采样通道连接有精密差分放大器芯片，放大后的电压接入二通道滤波芯片。

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