三維電阻率成像系統的電極智能切換裝置的製作方法

2023-04-26 02:46:26

專利名稱：三維電阻率成像系統的電極智能切換裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於地球物理勘探技術領域，是應用於資源與環境勘探技術領域中的直流 電法勘探技術，涉及 一 種三維電阻率成像系統的電極智能切換裝置。
背景技術：
早在19世紀初就開始用電法找礦以來，直流電法勘探技術發展了近200年。自20 世紀80年代高密度電法技術發展以來，電法勘探技術得到迅速發展和廣泛應用。直流 電法勘探技術主要以高密度電法為主。
近十幾年來，隨著計算機技術、網絡技術、電子器件的飛速發展，電法找礦已由 高密度電法找礦逐步發展到三維電阻率成像找礦。三維電阻率成像系統一方面需要研 究合理的數學模型、數據處理方法、成像算法等(即軟體部分)，另一方面需要設計具 備數據採集、數據存儲、數據預處理、數據傳輸等功能的系統(即硬體部分)。電極智 能切換裝置作為硬體系統的一個關鍵組成裝置，通過連接到RS485總線電纜上，與數 據採集子站裝置進行數據通信，接收它發來的命令並解釋、執行命令操作，控制電極 選擇的切換。由於在RS485總線電纜和並行測量電纜上，最多要連接60個電極智能切 換裝置，為此，需要設計的電極智能切換裝置，它要滿足以下幾個性能要求①具備 符合RS485總線標準的接口，能與RS485總線電纜和並行測量電纜相連；②能夠完成 RS485總線電纜中的供電正極芯線、供電負極芯線、測量公共極芯線、測量採集極芯 線與極化電極或非極化電極的不同連通；③能夠被系統識別連接在RS485總線電纜上 的節點位置。

發明內容
本發明的目的就是要解決三維電阻率成像系統的硬體系統對電極智能切換裝置的 要求，提供一種採用單片機AT89C2051為核心，通過RS-485總線來實現數據採集裝置
和多個電極智能切換裝置之間的通信的三維電阻率成像系統的電極智能切換裝置。
本發明所採用的技術方案它採用單片機AT89C2051 (U12)為核心，通過晶片 MAX485 (U13)和RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的2、 3腳相連，單片機AT89C2051 (U12)的6個I/0腳和繼電器驅動電路(U14)相連，驅動6個繼電器(Kl、 K2、 K3、 K4、 K5、 K6)的切換；繼電器(Kl)的1腳和RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的9腳 相連，2腳和RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的1腳相連，3腳和繼電器(K3)的1 腳相連；繼電器(K2)的1腳和RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的2腳相連，2腳和 RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的3腳相連，3腳和繼電器(K3)的2腳相連；繼電器(K4)的l腳和並行測量電纜輸入接頭(P4)相連，2腳和繼電器(K3)的3腳相連， 3腳和繼電器(K5)的3腳相連；繼電器(K5)的l、 2腳分別和電極接頭(P5)的1、 2腳相連；繼電器(K6)的1腳懸空，2腳和RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的6腳相 連，3腳和RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的8腳相連；RS485總線電纜輸入接頭(Pl) 的7腳分別與單片機AT89C2051 (U12)、晶片MAX485 (U13)、和繼電器驅動電路(U14) 的5V電源負極相連，8腳分別與單片機AT89C2051 (U12)、晶片MAX485 (U13)、和繼 電器驅動電路(U14)的5V電源正極相連。
RS485總線電纜與電極智能切換裝置分開，以及邏輯地址即通信地址和空間地址即 節點位置的智能識別方法，在每個電極智能切換裝置中設定了一個16bit的2位元組的 邏輯地址，來實現三維電阻率成像系統中數據採集子站裝置與多個電極智能切換裝置 之間的通信；在RS485總線電纜節點上，智能切換裝置位置識別芯線中依順序串聯連 接阻值相同的電阻R，來實現空間地址即節點位置的智能識別。
本發明採用單片機AT89C2051為核心，通過RS-485總線來實現數據採集裝置和多 個電極智能切換裝置之間的通信，從而控制繼電器來完成RS485總線電纜中的供電正 極芯線、供電負極芯線和測量公共極芯線、測量採集極芯線與極化電極或非極化電極 的不同連通，從而實現工程應用或科研應用中電極狀態切換需要.並且在RS485總線電 纜上設置一根電線，依順序串聯接上阻值相同的電阻，來把每個電極智能切換裝置的 邏輯地址(通信地址)和空間地址(節點位置)識別出來並對應起來.


圖1、本發明實施例1電極智能切換裝置的原理圖。
圖2、本發明實施例1電極智能切換裝置的邏輯地址和空間地址的自動識別原理圖。 圖3、本發明實施例l電極智能切換裝置在工程應用中的應用方案圖。 圖4、本發明實施例1電極智能切換裝置在科研應用中的應用方案圖。
具體實施例方式
結合附圖對實施例1作進一步說明
圖1中，電極智能切換裝置採用單片機AT89C2051 (U12)為核心，其UART串口和 晶片MAX485 (U13)相連，再和RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的5、 6腳相連，實現 RS-485通信。單片機AT89C2051 (U12)的6個I/O腳和繼電器驅動電路(U14)相連， 驅動6個繼電器(Kl、 K2、 K3、 K4、 K5、 K6)的切換，繼電器(Kl)的1腳和RS485 總線電纜輸入接頭(Pl)的9腳相連，2腳和RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的1腳 相連，3腳和繼電器(K3)的1腳相連。繼電器(K2)的1腳和RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的2腳相連，2腳和RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的3腳相連，3腳和繼 電器(K3)的2腳相連。繼電器(K4)的l腳和並行測量電纜輸入接頭(P4)相連，2 腳和繼電器(K3)的3腳相連，3腳和繼電器(K5)的3腳相連。繼電器(K5)的1 腳和電極接頭(P5)的1腳相連，繼電器(K5)的2腳和電極接頭(P5)的2腳相連。 繼電器(K6)的1腳懸空，2腳和RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的4腳相連，3腳和 RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的8腳相連。RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的7腳和 單片機AT89C2051 (U12)、晶片MAX485 (U13)、繼電器驅動電路(U14)的5V電源負 極相連，8腳和單片機AT89C2051 (U12)、晶片MAX485 (U13)、繼電器驅動電路(U14) 的5V電源正極相連。
使用時，在工程應用中，如圖3所示，電極智能切換裝置8的RS485總線電纜輸 入接頭(Pl)接到RS485總線電纜7的一個節點位置上，極化電極9接到電極智能切 換裝置8的電極接頭(P5)的l腳上；在科研應用中，如圖4所示，還需要把並行測 量電纜11中的一根輸入芯線接到電極智能切換裝置的並行測量電纜輸入接頭(P4)上， 非極化電極10接到電極智能切換裝置8的電極接頭(P5)的2腳上。其中極化電極9 為金屬電極，非極化電極10為硫酸銅溶液電極。
電極智能切換裝置的切換原理是單片機AT89C2051 (U12)的UART串口通過RS485 通信接口晶片MAX485 (U13)進行電氣標準轉換，就能和RS485總線相連，來完成三 維電阻率成像系統中數據採集子站裝置6與電極智能切換裝置8之間的數據通信.單片 機AT89C2051 (U12)在收到數據後，對數據進行解釋，然後通過繼電器驅動電路(U14)， 來控制繼電器(Kl、 K2、 K3、 K4、 K5)的切換，從而完成RS485總線電纜7中的供電 正極芯線、供電負極芯線和測量公共極芯線、測量採集極芯線與極化電極9或非極化 電極10的不同連通。或者來控制繼電器(K6)的切換，來完成電極智能切換裝置的邏 輯地址和空間地址自動識別.(l)電極智能切換裝置在上電後，單片機AT89C2051(U12) 的6個I/0腳輸出高電平，繼電器驅動電路(U14)截止，繼電器K1 K6都接通於1 腳(常閉觸點)，此時極化電極和並行測量電纜中的某一根輸入芯線接通(在工程應用 中不使用並行測量電纜，實際上是懸空的)；(2)當繼電器K4接通於2腳(常開觸點) 而其它繼電器接通於1腳，此時極化電極和供電負極芯線接通；(3)當繼電器Kl、 K4 接通於2腳而其它繼電器接通於1腳，此時極化電極和供電正極芯線接通；(4)當繼電 器K3、K4接通於2腳而其它繼電器接通於1腳，此時極化電極和測量公共極芯線接通； (5)當繼電器K2、 K3、 K4接通於2腳而其它繼電器接通於l腳，此時極化電極和測量 採集極芯線接通；(6)當繼電器K5接通於2腳而其它繼電器接通於1腳，此時非極化 電極和並行測量電纜中的某一根輸入芯線接通(只應用於科研應用方案中)；(7)當繼電器K6接通於2腳而其它繼電器接通於1腳，此時完成電極智能切換裝置的邏輯地址
和空間地址自動識別. 為了應用更加方便靈活，減輕電纜重量和減小其體積，特別是節點處的粗細程度
(大小)，提高電纜的使用壽命，降低更換電纜成本，應該設計把RS485總線電纜與電 極智能切換裝置分開。並且，為了使用方便，要求任意一個電極智能切換裝置可以連 接在RS485總線電纜的任意節點位置上。為了做到這一點，如何自動識別連接在同一 根RS485總線電纜上的電極智能切換裝置的邏輯地址(通信地址)和空間地址(節點 位置)並對應起來就成為關鍵技術。圖2中，9芯的RS485總線電纜中單獨設一根芯 線作為空間地址識別芯線，然後這根芯線與電極智能切換裝置連接位置上，依順序串 聯接上阻值相同的電阻R 。 RS485總線電纜一端連到數據採集子站裝置6上，且空間 地址識別芯線通過數據採集子站裝置6上的採樣電阻R0接到5V電源負極，利用數據 採集子站裝置(F)上的電壓測量功能(相當於V表)測出R0上的電壓，便能實現該 項自動識別技術。①要識別電極智能切換裝置的邏輯地址。給電極智能切換裝置分配 一個2個字節(只使用其中13位，還有3位預留)的邏輯地址存儲於AT89C2051 (U12) 中，每個電極智能切換裝置有唯一的邏輯地址(邏輯地址也就是識別電極智能切換裝 置的唯一身份編碼)，因此在一套三維電阻率成像系統中最多可連接213 (8192)個電 極智能切換裝置和電極。首先上電後，數據採集子站裝置6通過RS485總線電纜7給 連接在該電纜上的所有電極智能切換裝置8發送一個廣播命令，要求每個電極智能切 換裝置8把自己的邏輯地址發送給數據採集子站裝置6。然後每個電極智能切換裝置8 延時邏輯地址(換算成數值)個基本時間(l個基本時間約lms)後，把邏輯地址數據 發送給數據採集子站裝置6，這可以確保發送數據不衝突。最後數據採集子站裝置6 把收到的邏輯地址數據存儲起來，並計算該條RS485總線電纜上的電極智能切換裝置 的個數。②要識別每個電極智能切換裝置的空間地址(節點位置)並建立起與邏輯地 址的對應關係。首先，數據採集子站裝置6依據存儲的邏輯地址，向某個電極智能切 換裝置(如其邏輯地址為m)發送控制命令，電極智能切換裝置收到命令後，切換繼 電器K6接通於2腳而其它繼電器接通於1腳。然後，利用數據採集子站裝置6測出取 樣電阻RO上的電壓Un，並利用公式〃 =^><|計算出該電極智能切換裝置是連接 在電纜的節點n處，也就識別出邏輯地址jl"為m的電極智能切換裝置連接在電纜的空 間地址(節點位置)節點n處。再依次對每個電極智能切換裝置重複前面操作，就實 現了把每個電極智能切換裝置的邏輯地址(通信地址)和空間地址(節點位置)自動 識別出來並建立起對應表。三維電阻率成像系統也就能知道哪一個電極智能切換裝置 連接在電纜的哪個節點位置。RS485總線電纜中的9根芯線和RS485總線電纜接頭(Pl)的9個引腳是對應的， 其中l腳對應供電正極芯線，2腳對應測量公共極芯線，3腳對應測量採樣極芯線，4 腳對應電極智能切換裝置位置識別芯線，5腳對應RS485-A芯線，6腳對應RS485-B 芯線，7腳對應5V供電正極芯線，8腳對應5V供電負極芯線，9腳對應供電負極芯 線。其中在RS485總線電纜節點上，電極智能切換裝置位置識別芯線中依順序串聯連 接阻值相同的電阻R。
用本發明的電極智能切換裝置應用於三維電阻率成像系統的步驟
(1)在工程應用中，按圖3用一根的RS485總線電纜7把數據採集子站裝置6 和多個電極智能切換裝置8連接起來.在一根的RS485總線電纜上最多可以連接60 個電極智能切換裝置。再把極化電極9接到電極智能切換裝置8的電極接頭(P5)的 1腳上；在科研應用方案中，按圖4用一根RS485總線電纜7和一根60芯並行測量 電纜11把數據採集子站裝置6與多個電極智能切換裝置8連接起來，其中電極智能 切換裝置8的電極接頭(P5)接到RS485總線電纜7上，並行測量電纜輸入接頭(P4) 接到並行測量電纜ll上。再把極化電極9接到電極智能切換裝置8的電極接頭(P5) 的1腳上，非極化電極10接到電極智能切換裝置8的電極接頭(P5)的2腳上。
(2) 識別電極智能切換裝置的邏輯地址。首先上電後，數據採集子站裝置6通過 RS485總線電纜7給連接在該電纜上的所有電極智能切換裝置8發送一個廣播命令， 要求每個電極智能切換裝置8把自己的邏輯地址發送給數據採集子站裝置6。然後每 個電極智能切換裝置8延時邏輯地址(換算成數值)個基本時間(1個基本時間約lms) 後，把邏輯地址數據發送給數據採集子站裝置6，這可以確保發送數據不衝突。最後 數據採集子站裝置6把收到的邏輯地址數據存儲起來，並計算該條RS485總線電纜7 上的電極智能切換裝置8的個數。
(3) 識別每個電極智能切換裝置的空間地址(節點位置)並建立起與邏輯地址的 對應關係。首先，數據採集子站裝置6依據存儲的邏輯地址，向某個電極智能切換裝 置8(如其邏輯地址為m)發送控制命令，電極智能切換裝置8收到命令後，切換繼電 器K6接通於2腳而其它繼電器接通於1腳。然後，利用數據採集子站裝置6上的電壓 測量功能測出RO上的電壓Un，並利用公式；7二,x，計算出該電極智能切換裝置 是連接在電纜的節點n處，也就識別出邏輯地址^"為m的電極智能切換裝置8連接在 電纜的空間地址(節點位置)節點n處。再依次對每個電極智能切換裝置重複前面操 作，就實現了把每個電極智能切換裝置的邏輯地址(通信地址)和空間地址(節點位 置)自動識別出來並建立起對應表。
(4) 數據採集子站裝置6根據三維電阻率成像系統中的筆記本電腦1 (上位機)的要求，通過RS485總線向需要切換電極連接狀態的電極智能切換裝置8發送控制命令。 電極智能切換裝置8收到命令後，改變極化電極9或非極化電極10與RS485總線電纜 7中的供電正極芯線、供電負極芯線和測量公共極芯線、測量採集極芯線或並行測量 電纜ll中的測量輸入芯線的連通狀態。然後數據採集子站裝置6再進行測量等操作。
權利要求
1、一種用於三維電阻率成像系統中的電極智能切換裝置，它採用單片機AT89C2051(U12)為核心，通過晶片MAX485(U13)和RS485總線電纜輸入接頭(P1)的2、3腳相連，其特徵在於單片機AT89C2051(U12)的6個I/O腳和繼電器驅動電路(U14)相連，驅動6個繼電器(K1、K2、K3、K4、K5、K6)的切換；繼電器(K1)的1腳和RS485總線電纜輸入接頭(P1)的9腳相連，2腳和RS485總線電纜輸入接頭(P1)的1腳相連，3腳和繼電器(K3)的1腳相連；繼電器(K2)的1腳和RS485總線電纜輸入接頭(P1)的2腳相連，2腳和RS485總線電纜輸入接頭(P1)的3腳相連，3腳和繼電器(K3)的2腳相連；繼電器(K4)的1腳和並行測量電纜輸入接頭(P4)相連，2腳和繼電器(K3)的3腳相連，3腳和繼電器(K5)的3腳相連；繼電器(K5)的1、2腳分別和電極接頭(P5)的1、2腳相連；繼電器(K6)的1腳懸空，2腳和RS485總線電纜輸入接頭(P1)的6腳相連，3腳和RS485總線電纜輸入接頭(P1)的8腳相連；RS485總線電纜輸入接頭(P1)的7腳分別與單片機AT89C2051(U12)、晶片MAX485(U13)、和繼電器驅動電路(U14)的5V電源負極相連，8腳分別與單片機AT89C2051(U12)、晶片MAX485(U13)、和繼電器驅動電路(U14)的5V電源正極相連。
2、 根據權利要求1所述的一種用於三維電阻率成像系統中的電極智能切換裝置， 其特徵在於RS485總線電纜與電極智能切換裝置分開，以及邏輯地址即通信地址和空 間地址即節點位置的智能識別方法，在每個電極智能切換裝置中設定了一個16bit的 2位元組的邏輯地址，來實現三維電阻率成像系統中數據採集子站裝置與多個電極智能 切換裝置之間的通信；在RS485總線電纜節點上，智能切換裝置位置識別芯線中依順 序串聯連接阻值相同的電阻R，來實現空間地址即節點位置的智能識別。
全文摘要
本發明屬於地球物理勘探技術領域，涉及一種三維電阻率成像系統的電極智能切換裝置，它能滿足三維電阻率成像系統的科研應用和工程應用的要求，它採用單片機AT89C2051和MAX485來實現與數據採集子站裝置的RS-485通信功能，在數據採集子站裝置發送命令控制下，單片機AT89C2051控制6個繼電器的切換，實現RS485總線電纜中的供電正極芯線、供電負極芯線和測量公共極芯線、測量採集極芯線與極化電極或非極化電極的不同連通，或者並行測量電纜與非極化電極的連通。
文檔編號G01V3/04GK101581793SQ20091011562
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月30日 優先權日2009年6月30日
發明者劉慶成, 徐哈寧, 饒利民 申請人:東華理工大學