本安型24位地震数据采集电路板

摘要

本发明为一种本安型24位地震数据采集电路板，由硬件和软件两部分构成，硬件部分主要包括：电源变换电路、采集控制电路、信号调理电路、模/数转换电路及辅助电路，软件部分主要包括：通信模块、采集控制模块、低功耗管理模块及漂移校准模块；该采集电路板可实现1～3通道可调的地震信号的采集、存储和数字信号传输功能，通过选用高性能、低功耗器件及电路优化设计、低功耗管理，实现了电路本质安全型防爆，具有体积小、功耗低、精度高、防尘、防水、防爆的特点，该采集电路板既可与地震信号传感器封装于同一壳体中构成24位数字三分量检波器，同时又可单独封装构成24位三通道地震数据采集站，适用于工程现场和煤矿井下的地震数据采集。

说明书

技术领域

本发明属于地球物理勘探技术领域，是一种用于高分辨率地震勘探的地震数据采集设备，适用于工程现场和煤矿井下的地震数据采集。

技术背景

地球物理探测技术因其具有无损、简便、超前、快速高效、低成本等突出技术优势，而逐渐成为解决诸多矿井(工程)地质问题所必需的新技术手段。现有矿井物探技术主要包括地震波法、直流电法、电磁波与槽波等勘探方法，这些方法在实践应用中都取得了一定的成果，但已有矿井物探仪器普遍存在精度低、稳定性差、功能单一或便携性不够等问题，跟不上当今地球物理勘探技术与仪器装备的飞速发展，因此制约着它们在矿井下的应用。

地震勘探具有震波传播距离远、波场信息丰富能进行多属性参数反演等特点，其新近发展起来的多波多分量地震勘探更是用于解决复杂地区高精度探测及工程地质问题的一种地震勘探新技术，使用三分量采集地震波场的丰富震波信息，给地震勘探走向精确勘探之路提供了前提条件，目前地面三维三分量地震勘探使用的装备皆为国外进口的大型遥测系统，三分量地震勘探在工程领域尚很少应用，特别是煤矿工程因其环境条件与特殊要求(防爆)更无适合井下开展此项技术的物探装备。

目前，工程领域使用的地震仪多为集中式单分量采集，AD转换精度一般小于24位，以12位与16位为主，由于集中式控制系统的大线笨重、不能拆分，因此其接收道数一般不多，多为12、24道，而工程地震勘探地质任务变化多样，有一定面积的规模勘探，也有局部小区域探测，所以集中式地震仪往往难以满足工程勘探要求，同时，由于集中式控制、模拟信号传输，易产生通道串扰、外界电讯干扰等，各通道模拟信号传输距离的差异也会导致信号衰减不同，使利用地震数据进行AVO等属性分析形成系统误差；因为矿井地震勘探工作时需要装备轻便灵活，煤矿井下使用的设备必须具有防爆性能，所以矿井地震数据采集应设计为本质安全型便携式仪器才具有适用性，本发明针对矿井地震数据采集要求精度高、弱信号拾取与抗干扰性能强、灵活便携等要求，设计一种高性能地震数据采集电路，通过选用新型可编程仪表放大器和24位、多通道同步模/数转换器，构成高性能地震数据采集电路，该采集电路板既可与地震信号传感器(检波器芯体)封装于同一壳体中构成高性能24位数字三分量检波器，同时又可单独封装构成高性能三通道地震数据采集站，利用本安便携式矿井地震记录仪(已获专利，专利号ZL200610165382.9)进行控制，形成分布式地震数据采集系统，以提高采集系统的整体性能。

本发明的工作原理为：由震源激发产生的地震波，经地下介质传播后，携带着介质内部的结构信息返回地面，在各测点处被检波器芯体所接收，检波器芯体将被测振动信号转换为电信号，通过信号输入接口送入反混叠滤波电路的输入端，经滤波后的信号再送入可变增益运算放大器的输入端，经放大后的模拟信号送入24位高性能模/数转换器进行数据转换，转换后的数字信号首先存入数据存储器中，然后通过串行接口传送到外部主机，主机显示并记录采集数据，所记录数据经处理解析可得到相关地质成果。

发明内容

为满足高精度地震数据采集的应用需要，设计开发了一种24位地震数据采集电路板，它主要由硬件和软件两部分构成，硬件主要由电源变换电路、采集控制电路、信号调理电路、模/数转换电路及辅助电路构成，软件主要由通信模块、采集控制模块、低功耗管理模块及漂移校准模块构成。其中电源变换电路采用数字电源和模拟电源分开供电的方式，分别由相应的数字电源变换电路和模拟电源变换电路构成；采集控制电路部分主要是由微控制器、启动采集的触发电路组成；信号调理电路主要是由反混叠滤波电路和可变增益运算放大器组成；模/数转换电路主要由参考源电路、模/数转换器和数据存储器构成；辅助电路主要由复位电路、状态指示电路、信号输入接口和串行通信接口组成。设计中为达到低功耗、小体积、高精度、高分辨率的设计目的，信号放大器选择新型、低噪声可编程仪表放大器AD8253，模数转换器选用高性能24位、4通道同步采集模/数转换器ADS1274，微控制器(Micro-Controller Unit简称MCU)选用高性能、微功耗、16位RISC微控制器MSP430F2232，此外为满足大数据量采集的应用需要外扩2个32Kb×8的低功耗数据存储器FM26L256，采集电路所选器件及布线方式均满足本安设计要求，电路板在调试完成后均匀喷涂三次三防漆，该采集电路板可实现1～3通道可调节的地震信号采集、存储和数字信号传输功能，通过选用高性能、低功耗器件及电路优化设计、低功耗管理，实现了电路本质安全型防爆，具有体积小、功耗低、精度高、防尘、防水、防爆的特点，该采集电路板既可与地震信号传感器(检波器芯体封)装于同一壳体中构成高性能24位数字检波器，同时又可单独封装构成高性能三通道采集站，适用于工程现场和煤矿井下的地震数据采集。地震数据采集电路板的主要技术指标如下：

通道数：3

采样间隔：100us～2ms递增可选

采样点数：512、1024、2048可选

允许动态范围：＞110dB

共模抑制比：＞100dB(G＝10)

前放噪声：＜1.0uV

工作电压：±12V

非线性：＜0.05％

外形尺寸：π×50²mm²

附图说明

图1地震数据采集电路板的硬件组成框图

图2信号调理电路的设计

图3MCU与ADS1274的接口

图4MCU与FM25L256的接口

图5采集控制模块的设计流程

图6通信模块的设计流程

图7低功耗管理模块的设计流程

具体实施方式

1硬件设计

图1为地震数据采集电路板的硬件组成框图，设计中将模拟电路和数字电路分开供电，模拟电源仅给信号调理电路、模/数转换器和参考源电路供电，数字电源给MCU、存储器、通讯接口等数字电路部分供电。地震信号传感器的输出信号首先通过信号输入接口送入采集电路板，经滤波和放大后送入模/数转换器，经模/数转换后的数据首先存入FRAM中，然后通过RS-485串行通信接口送到主机，触发电路是用于实现分布式地震数据采集时采集启动时刻与外部震源的同步。

(1)信号调理电路设计

信号调理电路的功能是将传感器拾取的模拟信号量进行适当的调整和处理，以便对物理特性提供相应的测量，调理电路的结构和性能取决于传感器的电特性和输出。基于简化结构和防止信号畸变两方面因素，在采集系统的设计中去除了模拟低切滤波器，仅在数据输入端加入一级反混叠滤波器，其滤波电路如图2所示。图中+IN、一IN分别表示来自模拟地震传感器的差分输入信号，由R、C_D和C_C构成的低通滤波器滤波后送入仪表放大器的输入端，电容C_D与C_C并联可有效地降低由于两输入端C_C不匹配引起的AC CMR误差，当C_D比C_C大10倍，则可将由于C_C不匹配造成的CMR误差降低20倍。

本设计中选用的模数转换器是高速、24位Δ-∑型模数转换器，它的主要特点是具有优良的AC和DC特性，采样率最高可达128KSPS，工作于高精度模式时信噪比(SNR)可达111dB，失调漂移为0.8μV/℃。考虑到组成系统的每一个器件的性能都会影响采集系统的整体性能，再加输入信号是一个随使用条件变化的量，因此本设计系统中的放大驱动电路选用的是高性能指标的可编程仪表放大器。

在地震数据采集系统中，前放电路对整个系统的影响最大，其性能直接关系到系统对输入信号的抗干扰能力和检波器的输出灵敏度(即输出效率)。由于差动放大器作输入电路，具有输入阻抗高、抗共模干扰能力强等特点，且不会造成复合信号的相位畸变，因此设计中选用了单片集成的三运放式仪表放大器AD8253作为前置放大器，它具有体积小、噪声低、建立时间短等特点，因而非常适合于宽频带、高分辨率信号采集的设计需要。由于来自三通道的地震波信号的振幅有一定差别，因此设计中使用了三个前置放大器分别对三道输入信号进行调理以使各道幅值均衡。图2给出了AD8253的应用电路，设计中为了与ADS1274匹配，采用差分方式输出，同时将电位平移了2.5V以满足ADS1274的电平要求。

(2)数据采集电路的设计

在数据采集电路的设计中，模/数转换器(简称ADC)的性能直接关系到信号采集的质量，衡量ADC的主要性能指标有采样率和采样精度，其中采样率决定了允许输入信号的有效频率范围，即输入信号的带宽，采样精度决定了输入信号的动态范围。

在本采集电路的设计中选用ADC主要从以下几个因素考虑：一是被采集信号的频带：这里主要用于采集中、浅层地震波反射信号，有效信号频段多在几十Hz～几百Hz，用于地面工程勘探时最高可达1000Hz以上；二是采样的精度：常规震源激发的地震波信号可从uV级至几百mV，为了记录来自不同深度的地震波信号(信号强度随深度增加而逐渐衰弱)，要求ADC的动态范围应大于110dB；三是采集系统的功耗和体积：本采集系统电路板要求嵌入常规三分量模拟检波器壳体中，采用电池供电，因而要求体积小、功耗低。在本系统的设计中从功耗、集成度、采样率、精度等需求分析，确定选用24位、高速、Δ-∑型ADC。

在具体的型号选择中通过查阅相关新型元器件资料，分别选取ADI公司的新型24位高速模数转换器AD7760、AD7764和TI公司的新型24位高速模数转换器ADS1271、ADS1274进行性能分析和比较，通过综合考虑目前新型ADC的指标，决定选用单通道、单AD方案，为了节省空间，选择单片集成四个ADC的模数转换器ADS127，ADS1274与微控制器MCU的接口电路如图3所示。

设计中为了在功耗、精度方面灵活调节，将ADS1274的工作模式设置为可调模式，采样频率根据实际应用的需要设置为可调，ADS1274的数据输出率在模式选择后与芯片的时钟频率CLK有关，实际应用中利用MCU的ACLK的输出作为CLK，频率可通过程序设置；数据输出采用SPI接口，转换后的数据采用TDM模式移位输出，设计中将FORMAT[2:0]设置为000，使得串行数据输出采用SPI接口协议，所有通道采集的数据通均过DOUT1引脚输出，各通道输出数据位置采用动态分配。图中VREFP和VREFN为A/D转换的参考电源，设计中接2.5V的基准电压信号。

(3)存储器及其接口设计

在采集电路的设计中，需将采集的数据存入存储器中，设计中选用新型铁电存储器FM25L256存储采集的数据，FM25L256是由RAMTRON生产的、具有256Kb的低功耗型铁电存储器(以下简称FRAM)，它既具有SRAM和DRAM快速读写的特性，又具有EEPROM和Flash的非易失的特性，构成的系统具有接口简单、占用系统资源少、非易失、无读写延迟的特点。设计中利用FM25L256实现采集数据缓冲存储功能，图4是FM25L256与MSP430F2232的接口电路，本设计中采用标准的SPI总线传输数据。

(4)辅助电路及其说明

辅助电路主要由复位电路、状态指示电路、信号输入接口和串行通信接口组成，其中复位电路包括上电复位和手动复位，手动复位时通过外接复位按钮实现；状态指示电路用于指示采集电路当前的工作状态，设计中用双色发光二极管两种颜色变化做状态指示；信号输入接口用于将地震信号传感器的输出信号送入采集电路的输入端口，设计中可送入三通道差分信号；串行通讯接口用于与外部主机进行信息传输，设计中使用RS-485通信接口。

2软件设计

(1)采集控制模块的程序设计

地震数据采集电路板的软件部分主要包括：通信模块、采集控制模块、低功耗管理模块、漂移校准模块，其中采集控制模块的功能是在已设置好采集参数的条件下控制数据的采集，并将采集后的数据存入随机存储器中；数据采集前，首先进行采集参数的初始化设置，然后等待外部震源启动的触发信号，图5为地震数据采集控制模块的程序设计流程，进行数据采集时，系统屏蔽所有中断，并进入待触发状态，一旦检测到采集触发信号，系统即启动模/数转换器进行数据采集，转换后的多通道数据首先送入MCU的寄存器中，然后写入随机存储器FRAM中，最后根据主机给出的传数命令通过串口向主机发送所采集的数据。

(2)通讯模块的程序设计

通信模块的功能是完成主机与采集电路板之间的命令传送及数据交换。主机与采集电路板之间的每一次通信都由主机启动，以采集电路板(简称从机)的正确应答结束，为及时响应主机发送的命令，避免信息丢失，接收数据采用查询方式，且在接收时对各字段按约定进行实时检查，以提高通信的可靠性。主机发出的命令有两种形式，一种是各从机分别执行的命令，例如握手命令、置参命令，它需要各从机分别应答，这时主机与各从机的通信以从机的地址为周期轮流发出；另一种命令是广播式命令，即各从机需同时执行的命令，例如采集命令、背景检查命令，这时所有从机在接到命令后同时执行相应的操作，但只由主机指定的其中某一从机回送应答信息。为确保通信的可靠性，主机向从机发送命令帧时，设置了超时检测和重发功能(允许重发次数为三次)，通信模块的程序设计流程如图6所示。

(3)漂移校准模块的程序设计

零点漂移是指当输入信号为零时，测量的输出值偏离零点的值。零点漂移的大小以及零点是否稳定是造成测量误差的主要来源之一，消除这种影响一方面应在硬件上选用低漂移、温度稳定性高的放大器和A/D转换器，使漂移量尽可能小；另一方面就是利用微处理器的优势，通过软件来调整。本采集电路漂移校准的实现过程是：首先根据主机发送的置参命令设置好采集参数，然后由微处理器控制多路选择器转到接地输入端，启动背检操作，采集一组数据，然后对这组数据求得一个平均值，将这个均值存入MCU的一个内部RAM单元中，在以后的数据采集中，每次将采集后的数据与前面测得的均值相减即可得校正后的数据。在以后的采集过程中，如果需要修改采集参数，则再按上述步骤重新测量一次漂移值存入原单元中即可，运算的数学模型为：

$D=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{I}_n$

式中D＝漂移值；I＝各样点值；n＝样点序数；N＝总样点数。

(4)低功耗管理模块的程序设计

为了实现对采集系统的低功耗运行和管理，一方面在硬件设计上要提供相应的低功耗控制信号，另一面就是在软件上要配合相应的管理指令，图7是本采集电路系统的低功耗管理流程。开机后，系统初始化，等待接收主机的控制命令，这时除通讯电路应维持正常运行以保证随时接收主机命令外，其余电路均处于无效运行状态，此时应使它们进入低功耗备用状态(模数转换模块和存储模块置于空闲方式)，当采集系统接收到主机发送的命令后，才使相应的电路模块进入正常工作状态。为避免通讯电路及MCU处于盲目等待状态，设计中设置了超时检测电路，若等待超时则MCU进入待机方式，打开串口中断，只有当检测到串口中断时，MCU才返回正常工作状态。