直流電法勘探中三維電阻率採集系統在線故障檢測系統的製作方法
2023-07-29 17:21:01 1
直流電法勘探中三維電阻率採集系統在線故障檢測系統的製作方法
【專利摘要】一種直流電法勘探中三維電阻率採集系統在線故障檢測系統，包括函數信號發生器和信號檢測裝置，函數信號發生器，由微控制器、DDS模塊、放大電路、USB通信模塊、復位控制電路及液晶顯示組成，信號檢測裝置由信號調理部分、LPC1788內部控制邏輯和外圍電路、TFT液晶顯示電路三個模塊組成，信號調理部分包括：前置衰減與阻抗匹配電路、濾波電路、程控放大電器、AD轉換電路及信號整形電路。本發明採用DDS技術進行頻率合成，輸出頻率的帶寬相對較寬、轉換時間短、解析度極高、輸出波形具有靈活性、集成度較高、能量損耗低、重量輕、體積小、易於操作和控制、可靠性比較高，而且能夠便於控制，使用起來相當的靈活。
【專利說明】直流電法勘探中三維電阻率採集系統在線故障檢測系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於地球物理勘探【技術領域】，涉及應用於資源與環境勘探【技術領域】中的直流電法勘探中三維電阻率採集系統在線故障檢測系統。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著開採年限和開採量的增加，我國現有大型礦山的淺部資源已開採殆盡。如何在隱伏區、己知礦區和其外圍尋找深部礦或盲礦將成為地質找礦工作的重點。由於三維電法勘探具有勘探深度大、分辨能力強和工作效率高等特點，在礦產勘探、地下水探測、工程勘察等領域得到廣泛應用。
[0003]電法勘探迄今已有近200年的歷史，電子技術的飛速發展促進了電法勘探儀器的不斷推陳出新；同時計算機的應用也促進了解釋水平的極大提高。上世紀八十年代以來，電法勘探開始進入二維時代。進入本世紀初，隨著大規模集成電路的應用和計算速度的進一步提高，電法勘探已開始向三維方向發展。
[0004]電法勘探儀器第一至第三代產品採用集中式電極採集系統，而第四代高密度電法儀又稱三維電阻率採集系統，它集計算機與電測儀於一體，不僅可以進行二維測量(二維CT)，還可以進行三維測量(三維CO。三維電阻率採集系統測量電極數量多，在256個以上；控制的數據採集子站多，在16個以上。主機和數據採集子站以CAN總線連接，數據採集子站和電極通過RS-485總線連接，可以看出三維電阻率採集系統是一個複雜的網絡控制與測量系統，很容易出現故障。
[0005]利用三維電阻率採集系統進行野外勘探時，經常會由於天氣或者環境惡劣而容易損壞，經常會遇到儀器需要檢測的問題，需要儘快查出問題故障，從而對儀器進行檢修，使其正常工作。而傳統的檢修方法是將懷疑被損壞的儀器搬運回實驗室，利用示波器和信號發生器及其它輔助設備進行檢測。由於三維電阻率採集系統設備數量多，電纜連線笨重，將其搬回實驗室進行檢測是一件非常消耗時間、人力、財力的事情，同時地球物理勘探是一個特殊的行業，三維電阻率採集系統工作的環境非常惡劣，因而對檢修測試設備的要求也就非常高。它不僅要滿足低功耗、體積小、易攜帶，還需要操作方便簡單，功能齊全而且強大。然而在實際工作中一般的實驗室測試儀器遠遠不能滿足野外需求。目前還沒有三維電阻率採集系統加裝在線故障檢測裝置的資料。
[0006]信號發生器是應用在三維電阻率採集系統開發在線故障檢測系統的一種重要信號源，幾乎大部分的電壓、電流等電參量測試都要用到它。任意信號發生器是信號源的一種，它具有信號源所有的特點，可以形成正弦波信號源、函數發生器、脈衝發生器、掃描發生器、任意波形發生器、合成信號源等。
[0007]研製任意信號發生器需要頻率合成技術，該技術是指由一個或多個頻率穩定度和精確度很高的參考信號源經過頻率域的線性運算，產生具有同樣穩定度和精確度的大量離散頻率的過程。實現頻率合成的電路叫頻率合成器，直接數字頻率合成(DDS-DigitalDirect Frequency Synthesis)是一種新穎的頻率合成方法。隨著科學技術的日益發展,這種頻率合成方法也越來越體現出它的優越性來。DDS頻率合成器具有以下優點:(1)頻率解析度高，輸出頻點多，可達2N個頻點；(2)頻率切換速度快，可達μ S數量級；(3)頻率切換時相位連續；(4)可以輸出寬帶正弦信號；(5)輸出相位噪聲低，對參考頻率源的相位噪聲有改善作用；(6)可以產生任意波形；(7)全數位化實現，便於集成，體積小，重量輕。
[0008]電子技術的日新月異為三維電阻率採集系統開發在線故障檢測系統提供了可靠的硬體支持。ARM是業界領先的32位嵌入式RISC處理器，集成了各種總線和外設控制器，具有很高的性價比，而ARM的I/O 口很豐富，足以滿足其需求，同時還可以擴展多個外設。ARM處理器內部資源豐富，集成度很高，所以設計的儀器體積小，使用起來輕便靈活，同時減少了模塊間的相互幹擾，ARM處理器自帶IXD控制器，有專門的IXD接口，擴展顯示器件很方便，這樣可以現場實時顯示測量結果；ARM處理器集成了存儲控制器，可以擴展多種類型的存儲器。
【發明內容】
[0009]本發明的目的就是提供一種解析度極高、易於操作和控制、可靠性強的直流電法勘探中三維電阻率採集系統在線故障檢測系統。
[0010]本發明的三維電阻率採集系統在線故障檢測系統，包括函數信號發生器和信號檢測裝置，函數信號發生器是給電測子站輸出不同波形及不同頻率的檢測信號，信號檢測裝置是實現對三維電阻率採集系統的檢測功能。
[0011]所述的函數信號發生器，由微控制器、DDS模塊、放大電路、USB通信模塊、復位控制電路及液晶顯示組成，微控制器採用NXP公司的LPC1788晶片，DDS模塊的晶片採用AD公司的AD9851，微控制器根據按鈕正轉反轉發出頻率加減命令執行相應操作，通過串行控制DDS模塊輸出相應頻率波形輸出，DDS模塊輸出的信號經後級放大電路對通過改變電位器的值改變其輸出信號幅度及直流偏置量，通過與DDS模塊相接的電位器調節輸出方波信號的佔空比，經波形選擇，選擇方波或正弦波輸出，USB通信模塊實現在線對微控制器進行控制編程。DDS技術有輸出頻率的帶寬相對較寬、轉換時間短、解析度極高、輸出波形具有靈活性、集成度較高、能量損耗低、重量輕、體積小、易於操作和控制、可靠性比較高，而且能夠便於控制，使用起來相當的靈活。
[0012]所述的信號檢測裝置由信號調理部分、LPC1788內部控制邏輯和外圍電路、TFT液晶顯示電路三個模塊組成，信號調理部分包括:前置衰減與阻抗匹配電路、濾波電路、程控放大電器、AD轉換電路及信號整形電路。LPC1788是基於ARM Cortex-M3內核的微控制器，適用於要求高度集成和低功耗的嵌入式場合，LPC1788操作頻率可達120MHz，具有三級流水線和哈佛(Harvard)結構，帶獨立的本地指令和數據總線以及用於外設的第三條總線，非常適合於野外的三維電阻率採集系統在線故障檢測系統；TFT液晶顯示利用現今較先進的智能顯示終端。
[0013]本發明的三維電阻率採集系統在線故障檢測系統，採用DDS技術進行頻率合成，輸出頻率的帶寬相對較寬、轉換時間短、解析度極高、輸出波形具有靈活性、集成度較高、能量損耗低、重量輕、體積小、易於操作和控制、可靠性比較高，而且能夠便於控制，使用起來相當的靈活。【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明的函數信號發生器結構框圖；
圖2為本發明的信號檢測裝置結構框圖。
具體實施方案
[0015]一種三維電阻率採集系統在線故障檢測系統，包括函數信號發生器和信號檢測裝置，函數信號發生器實現方案如圖1，LPC1788 ARM微控制器(U1)是函數信號發生器的核心，LPC1788 ARM微控制器通過內嵌的USB模塊和三維電阻率系統的主機的USB通訊埠(U4)連接，接受三維電阻率系統的主機命令以產生各種輸出波形。LPC1788 ARM微控制器(LQFP封裝)的54號管腳(USB埠 I D—接收數據線)和主機USB埠的D—連接，49號管腳(USB埠 I D+接收數據線)和主機USB埠的D+連接。
[0016]DDS模塊(U2)採用AD9851晶片，AD9851晶片是一款高度集成的器件，內部包括了一個高速、高性能數模轉換器和高速比較器，可以用來作為數字可編程頻率合成器和時鐘發生器，當以精密時鐘源作為基準時，AD9851能產生一個頻率穩定、相位可編程的數位化模擬輸出正弦波、方波及三角波，可以直接作為基準信號源送給三維電阻率採集系統的電測子站。
[0017]LPC1788 ARM 微控制器(Ul)的 P0.24 ?P0.31 (11、10、8、35、34、42、43、36 號管腳)控制 DDS 模塊(U2)的 AD9851 晶片的 DO ?D7 (4、3、2、1、28、27、26、25 號管腳)，AD9851輸出接到放大電路的輸入，放大電路由AD8009晶片構成，AD9851輸出(21腳)接放大電路晶片AD8009的3腳。
[0018]經過放大電路的放大，由DDS產生的各種波形輸出到三維電阻率採集系統採集子站輸入級(U6)。
[0019]顯示部分採用液晶顯示器IXD 1602，實時更新顯示信息，使輸出波形的信息一目了然，它具有顯示質量高、數字式接口、體積小、重量輕、功耗低的特點；LPC1788 ARM微控制器的 Pl.24 ?Pl.31 (54、56、57、61、63、64、30、28 腳)控制 LCD1602 的 DO ?D7 (7、8、9、10、11、12、13、14 腳)。
[0020]信號檢測裝置如圖2，由前置衰減與阻抗匹配電路(U12)、濾波電路(U13)、程控放大電路(U14 )、A/D轉換電路(U15)、LPC1788 ARM微控制器(U11 )、TFT液晶顯示電路(U16 )六部分組成，三維電阻率數據採集系統電測子站的模擬輸出連接到前置衰減與阻抗匹配電路(U12)，以實現在線檢測，連接方式是:採集系統電測子站的最後一級放大電路晶片PGA205輸出11腳連接到前置衰減與阻抗匹配電路(U12)的輸入端，前置衰減與阻抗匹配電路(U12)的輸出接濾波電路(U13)的輸入；程控放大器(U14)選擇PGA206晶片，其作用是:若三維電阻率採集系統的輸出到本發明的信號檢測裝置信號很微弱，就需要將信號輸入到放大器中進行放大，以提高本發明的信號檢測裝置對被測信號的解析度並降低噪聲的影響，同時還要保證放大後的信號值在A/D轉換器輸入範圍之內。濾波電路(U13)的輸出和程控放大器(U14)的PGA206晶片的輸入端4腳相連接，程控放大器(U14)的輸出(11腳)和A/D轉換電路(U15)的輸入即LTC2393晶片的43腳連接。
[0021]A/D轉換器是本發明的信號檢測裝置的關鍵，為了使其具有較高的精度，本發明選用了 16位A/D晶片LTC2393作為A/D轉換電路的核心器件，這是一款16位高速、低噪聲逐次逼近型A/D轉換晶片。LTC2393輸入信號範圍士 4.096V全差分輸入，標準工作電源為5V，所以在寬動態信號採集方面應用的十分的廣泛。A/D轉換電路(U15)的LTC2393晶片與LPC1788 ARM微控制器(Ull)信息傳輸採用串口或並口兩種方式，無論是串口傳輸還是並口傳輸都可以達到I Msps的吞吐速率並且沒有周期延遲，本發明LTC2393晶片與LPC1788 ARM微控制器(Ull)數據傳輸採用並口傳輸。A/D轉換電路(U15)的LTC2393晶片與LPC1788 ARM微控制器(Ull)連接方式為:LTC2393晶片的DO?D15 (9、10、11、12、13、14、15、16、21、22、23、24、25、26、27、28 腳)和 LPC1788 ARM 微控制器(Ull)的 P0.0 ?P0.15(66、67、141、142、116、115、113、112、111、109、69、70、29、32、48、89 腳)連接。
[0022]TFT液晶顯示電路(U16)採用廣州致遠電子有限公司生產的BCT-HM1035-01TFT智能顯示終端，該智能顯示終端給LPC1788 ARM微控制器提供了容易操作的串行數據接口，兩者之間的通信接口為3線制(DIN/DOUT/GND) RS232串行接口，波特率115200bps。LPC1788 ARM 微控制器(Ull)的 Ul_RxD、Ul_TxD、Ul_CtX (89、90、87 號管腳)和 TFT 液晶顯示電路(U16)Din ,Dout, Busy (4、3、2號管腳)連接。
【權利要求】
1.一種直流電法勘探中三維電阻率採集系統在線故障檢測系統，其特徵在於:它包括函數信號發生器和信號檢測裝置，所述的函數信號發生器，由微控制器、DDS模塊、放大電路、USB通信模塊、復位控制電路及液晶顯示組成，微控制器根據按鈕正轉反轉發出頻率加減命令執行相應操作，通過串行控制DDS模塊輸出相應頻率波形輸出，DDS模塊輸出的信號經後級放大電路對通過改變電位器的值改變其輸出信號幅度及直流偏置量，通過與DDS模塊相接的電位器調節輸出方波信號的佔空比，經波形選擇，選擇方波或正弦波輸出，USB通信模塊實現在線對微控制器進行控制編程；信號檢測裝置由信號調理部分、LPC1788內部控制邏輯和外圍電路、TFT液晶顯示電路三個模塊組成，信號調理部分包括前置衰減與阻抗匹配電路、濾波電路、程控放大電器、AD轉換電路及信號整形電路。
2.根據權利要求1所述的直流電法勘探中三維電阻率採集系統在線故障檢測系統，其特徵在於:前置衰減與阻抗匹配電路(U12)的輸出接濾波電路(U13)的輸入，濾波電路(U13)的輸出和程控放大器(U14)的輸入端4腳相連接，程控放大器(U14)的輸出和A/D轉換電路(U15)的輸入連接，A/D轉換電路(U15)與LPC1788 ARM微控制器(Ull)信息傳輸採用串口或並口兩種方式，A/D轉換電路(U15)的LTC2393晶片與LPC1788 ARM微控制器(Ull)連接方式為，LTC2393 晶片的 DO ?D15(9、10、11、12、13、14、15、16、21、22、23、24、25、.26、27、28 腳)和 LPC1788 ARM 微控制器(Ull)的 P0.0 ?P0.15 (66、67、141、142、.116、115、113、112、111、109、69、70、29、32、48、89 腳)連接，LPC1788 ARM 微控制器(Ull)的 Ul_RxD、Ul_TxD、Ul_CtX (89、90、87 號管腳)和 TFT 液晶顯示電路(U16) Din、Dout、Busy (4、3、2號管腳)連接。
【文檔編號】G01V13/00GK103454698SQ201310411970
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月11日 優先權日:2013年9月11日
【發明者】劉慶成, 肖慧, 徐哈寧, 龔育齡, 黎正根, 曾正軍, 湯洪志, 鄧居智 申請人:東華理工大學