基于FPGA的动圈检波器参数测试仪的设计与实现

摘要

石油，作为一种能源物质，被人们誉为现代工业发展的血液，但其巨大的需求量和有限的存储量使得石油勘探变得非常重要。地震勘探是石油勘探方法中最常见的一种手段，它不仅拥有着较高的分辨率及精度，也可以满足较深的勘探深度，这些都是其他勘探方法所无法比拟的。而检波器又是该方法中的一个关键之处，其可以将收集到的地震波信号转化成电信号并传至后端进行收集保存并解析。不可否认的是，传统的动圈式地震检波器凭借着其稳定、可靠、成本低等优势在地震勘探领域广泛使用了40余年。只有动圈检波器确认正常工作才能保证整个勘探过程的顺利进行及所得结果的可靠性，如果出现错误，那将可能造成巨大的损失，所以在每次勘探之前对所有的动圈检波器进行测试检查是很有必要的，这也将保证了整体的采集质量。目前国外市场上美国OO公司生产的SMT系列的检波器测试仪使用广泛且测试精度较高，但英文的操作界面不便我国的勘探队伍使用，且价格昂贵。而国内生产的检波器测试仪种类繁多，但测试精度高低不一，性能层次不齐，且多采用单片机为核心处理器。考虑到可编程逻辑器件FPGA更强的逻辑控制能力，为此，本文设计了一款以可编程逻辑器件FPGA为核心处理器的动圈检波器参数测试仪。
　　本文共分为以下几章:
　　第一章为绪论，主要介绍了本课题的选题背景，包括动圈检波器测试仪的发展简介，此外还给出了本文的研究内容与整体结构安排。
　　第二章介绍了现有的陆上地震勘探的原理、动圈检波器的性能参数以及这些参数的测试原理方法，通过对比不同的测试原理，找出最符合便携式测试仪设计的直流激励法。
　　第三章主要介绍了本测试仪的硬件设计与其逻辑设计，从电源模块、前端测试电路模块、信号激励模块、数据采集模块以及数据传输模块等五个模块角度分别介绍了本文的设计。其中数据采集模块采用的是高精度模数转换芯片ADS1282，采集到的32bits数据通过协议芯片W5300处理经网口传出，并通过网线传至PC客户端。因为各个模块所需时钟也不尽相同，所以在第三节简要介绍了FPGA控制的时钟分配方案。
　　第四章介绍了本设计的数据传输及其软件数据处理，在软件设计方面，基于Winsock网络编程，本文采用了如connect()等TCP套接口函数成功实现PC客户端的数据接收，软件数据处理是在Windows系统环境下采用VC＃编程实现。
　　第五章介绍了关于动圈检波器参数测试仪的实测分析，利用SignalTap ii对测试仪进行了模块化的调试，通过后对编号1-7动圈检波器进行实测，所得结果与SMT-150测试结果对比发现，本文设计的测试仪在检波器直流电阻、阻尼比及自然频率等参数测试方面比较准确，但在灵敏度等参数测试中还存在不足，需要后续改进提升。
　　第六章为总结与展望，总结了本文的主要工作，同时也指出了本文的不足及改进之处。

目录

声明

摘要

表格索引

插图索引

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 动圈检波器测试仪的发展简介

1．3 本文的研究内容与结构安排

第二章 地震勘探原理与动圈检波器测试原理

2．1 地震勘探原理

2．2 动圈检波器的性能参数

2．2．1 自然频率

2．2．2 阻尼比

2．2．3 灵敏度

2．2．4 谐波失真

2．3 检波器参数测试的原理

2．3．1 动圈式地震检波器的基本模型

2．3．2 常规参数测试原理

2．3．3 动态特性参数测试原理

第三章 动圈检波器参数测试仪的硬件及其逻辑设计

3．1 测试仪的硬件结构

3．2 模块化设计

3．2．1 电源模块

3．2．2 前端测试电路模块

3．2．3 信号激励模块

3．2．4 数据采集模块

3．2．5 数据传输模块

3．3 测试仪的时钟分配

第四章 动圈检波器参数测试仪的数据传输与软件处理

4．1 基于Winsock网络编程实现测试仪的数据传输

4．1．1 socket基本概念

4．1．2 利用TCP套接口函数实现数据接收

4．2 测试仪参数测试的数据处理

第五章 动圈检波器参数测试仪实测分析

5．1 利用Signaltap ii对测试仪进行模块化调试

5．1．1 信号激励模块

5．1．2 数据传输模块

5．1．3 信号采集模块

5．2 整体实测结果及分析

第六章 总结与展望

6．1 动圈检波器测试仪总结

6．2 动圈检波器测试仪亮点与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果