一种高分辨率石油地震勘探系统的数据采集板设计方法

摘要

本发明属于石油地震勘探仪，特别是一种高分辨率石油地震勘探系统的数据采集板设计方法，包括前置放大电路、模数转换器、存储器、处理器和平均地址分配给每一块数据采集板的覆盖开关电路，分配给每一块数据采集板的覆盖开关电路由8片ADG734构成，一块数据采集板可差分接入32只检波器，ADG734的两个通道导通使一个检波器差分接入到一个前置放大电路，一块数据采集板有16只前置放大电路，前置放大电路的输出与模数转换器的输入电连接，一块数据采集板有2只模数转换器，每只模数转换器可同时接8路模拟信号输入，共可接入16路模拟信号输入，模数转换器为24位模数转换器。它提供了一种多通道、高分辨率、低功耗、高可靠性、内置式电子覆盖开关的高分辨率石油地震勘探系统的数据采集板设计方法。

说明书

技术领域

本发明属于石油地震勘探仪，特别是一种高分辨率石油地震勘探系统的数据采集板设计方法。

背景技术

地震勘探仪是地震勘探中用人工爆炸或用其他可控震源激发地震波，并记录它在地面引起的振动位移的仪器。通过分析地震波在岩石中的传播规律，确定地震界面的埋藏深度和形状，地震勘探仪器的根本任务是野外地震数据的采集和记录。在石油的天然气勘探领域地震勘探是主要技术手段。目前地震勘探仪器在精度、分辨率、动态范围、功耗、灵敏高、抗干扰、扩充性、轻便易携等方面存在不同程度的问题。下面给出石油地震勘探仪国内外同类仪器指标对比表，从中可以看出一些问题。从表中可以了解到现有的石油地震勘探仪已经从8位A/D向24位A/D过渡，以得到更高的分辨率，而其切换频率也向更高发展，使其同时能检测更多通道，以获得更祥实的实验数据供软件分析。

众所周知，分辨率、通道数决定着石油地震勘探设备是否能实现更高的性能，而其使用软件是否强大确了本身设计外，与上述硬件是否能提供可多的信息有关。

国内外同类仪器指标对比

发明内容

本发明的目的是提供一种多通道、高分辨率、低功耗、高可靠性、内置式电子覆盖开关的一种高分辨率石油地震勘探系统的数据采集板设计方法。

本发明的目的是这样实现的，一种高分辨率石油地震勘探系统的数据采集板设计方法，包括前置放大电路、模数转换器、存储器、处理器和平均地址分配给每一块数据采集板的覆盖开关电路，分配给每一块数据采集板的覆盖开关电路由8片ADG734构成，一块数据采集板可差分接入32只检波器，ADG734的两个通道导通使一个检波器差分接入到一个前置放大电路，一块数据采集板有16只前置放大电路，前置放大电路的输出与模数转换器的输入电连接，一块数据采集板有2只模数转换器，每只模数转换器可同时接8路模拟信号输入，共可接入16路模拟信号输入，模数转换器为24位模数转换器。模数转换器的所有的控制信号端通过计算机总线与处理器的I/O接口电连接，由处理器控制模数转换器增益和通道。模数转换器的转换数字输出与处理器通过串口电连接，由处理器对数据进行处理，最后由处理器将处理后的字节数据存贮在存储器中；处理器和存储器通过计算机总线电连接。

所述的数据采集板中的每一路模拟量信号线在电路板中夹持在PCB上下层地线中，电路板采用多层板结构。

所述的覆盖开关电路采用美国ANALOG DEVICE公司的ADG734构成开关阵列，覆盖开关电可选择48-96个检波器，覆盖开关电路选择的检波器接通后，检波器输出信号正负端将连接至对应的前置放大电路的INA+和INA-端，GAIN0、GAIN1、GAIN2用于前放增益选择，可选择设置0、6、12、18、24、30、36dB的前放增益；PWND、LPWP为工作模式选择，可设置成休眠模式、低速模式，在非采集期间降低系统功耗；GAIN0、GAIN1、GAIN2、PWND、LPWP通过计算机总线与处理器的I/O端口电连接，根据PC104+嵌入式工控机(上位机)指令进行控制；前置放大电路的输出端OUTF+、OUTF-差分进入模数转换器的输入端，由模数转换器进行模数转换，模数转换器的输出与处理器通过接口电路电连接，处理器将串行位转换成字节存入存储器中。

所述的信号发生电路产生参考信号，参考信号模拟检波器的输出，信号发生电路3的输出与前置放大电路的INB+和INB-端差分电连接。

所述的存储电路采用3片大容量IDT72V2111作为数据缓存，IDT72V2111作为A/D转换的数据暂存，由下位机MCU通过SPI接口接收AD转换器的转换数据，依次写入FIFO中，采集完成后，由MCU向上位机报告采集完成状态，由上位机通过FIFO另一端口读取FIFO中数据。

所述的处理器采用美国Cygnal公司推出的高性能单片机C8051F130是，C8051F的低端口(P0、P1、P2、P3)电连接控制信号；高端口(P4、P5、P6、P7)与显示模块、存储器等模块的数据、地址总线电连接。

所述的电源电路采用了三级稳压，将电池11经过电源板稳压器件进行第一级稳压，分别输出模拟电源和数字电源，模拟电源和数字电源输出至数据采集板，再由数据采集板的电源稳压组件进行第二级稳压，第二级稳压产生所需的多级电压，其中一组为模数转换器输出一路数字电压，数字电压再经过第三级稳压到模数转换器组成的参考电压稳压电路。

本发明的优点通过表2可以清楚说明：

附图说明

下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明实施例电路框图；

图2是图1中数据采集板16实施例电路框图；

图3是本发明覆盖开关电路2ADG734的管脚定义图；

图4是本发明前置放大电路原理图；

图5是模数转换器电路管脚分布图；

图6是本发明存贮电路管脚分布图；

图7是本发明实施例电源电路实施例电路框图。

图中，1、检波器；2、覆盖开关电路；3、信号发生电路；4、PCI接口板；5、PC104+嵌入式工控机；6、前置放大电路；7、模数转换器；8、存储器；9、处理器；10、计算机总线；11、电池；12、电源电路；13、信号线；14、PCB上下层地线；15、信号输入端口；16、数据采集板。

具体实施方式

如图1所示，一种高分辨率石油地震勘探系统，它包括：它至少包括：覆盖开关电路2、PCI接口板4、PC104+嵌入式工控机5、信号发生电路3、数据采集板16、计算机总线10和电源电路，数据采集板16有6块，数据采集板16通过PCI接口板与PC104+嵌入式工控机5电连接，通过PCI接口与PC104+嵌入式工控机5通信回路，由PC104+嵌入式工控机进行数据、控制信号、地址信号的分发，数据采集板16的信号输入端口15与覆盖开关电路的输出端电连接，其中在一个数据采集板16与信号发生电路3的信号端电连接，用于检测、校正数据采集板16的工作状态、精度；覆盖开关电路2和前置放大电路6分别通过计算机总线10由处理器9进行控制，覆盖开关电路2的地址端由处理器9根据PC104+嵌入式工控机5的命令选取地址，将选择的地震检波器接至对应的前置放大电路；检波器1将震动信号转换成模拟电信号，通过大线连接至覆盖开关电路2，覆盖开关电路2根据上位机(PC104+嵌入式工控机5)采集设置通过处理器9选通有效通道，覆盖开关电路2的对应位导通，使检波器1的信号接通输送至数据采集板16，由数据采集板16放大、模数转换、数据存贮，由PC104+嵌入式工控机5进行数据显示。

如图2所示，给出数据采集板16的框图，数据采集板16包括：前置放大电路6、模数转换器7、存储器8、处理器9和平均地址分配给每一块数据采集板16的覆盖开关电路，分配给每一块数据采集板16的覆盖开关电路由8片ADG734构成，一块数据采集板16可差分接入32只检波器1，ADG734的两个通道导通使一个检波器1差分接入到一个前置放大电路6，一块数据采集板16有16只前置放大电路6，前置放大电路的输出与模数转换器7的输入电连接，一块数据采集板16有2只模数转换器7，每只模数转换器7可同时接8路模拟信号输入，共可接入16路模拟信号输入，模数转换器7为24位模数转换器。模数转换器7的所有的控制信号端通过计算机总线10与处理器9的I/O接口电连接，由处理器9控制模数转换器7增益和通道。模数转换器7的转换数字输出与处理器9通过串口电连接，由处理器9对数据进行处理，最后由处理器9将处理后的字节数据存贮在存储器8中；处理器9和存储器8通过计算机总线10电连接。

数据采集板16中的每一路模拟量信号线13在电路板中夹持在PCB上下层地线14中，电路板采用多层板结构。

数据采集板16中的电源采用电池供电，电池经三级电源稳压和管理接到数据采集板16中的前置放大电路6、模数转换器7电源端。

如图3所示，覆盖开关电路2采用美国ANALOG DEVICE公司的ADG734构成开关阵列，ADG734是一款低压CMOS器件，内置四个独立可选的单刀双掷(SPDT)开关，ADG734中A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2为信号输入端，A、B、C、D为信号输出端，A1和A2对应A，B1和B2对应B，、C1和C2对应C，D1和D2对应D，ADG734由CE使能，CE为1电平时，A1、B1、C1和D1导通，CE为0电平时，A2、B2、C2和D2导通。

覆盖开关电路2可参照图2和图3，本发明中覆盖开关电路2完成对选定检波器1的接入，覆盖开关电路2可选择48-96个检波器1，如编号1的检波器1大线插头连接至第1只电子开关A1、B1端，编号2的检波器大线插头连接至第1只电子开关C1、D1端，当第1只电子开关的控制端(CE)为1时，编号1的检波器大线插头和编号2的检波器大线插头直接通过第1只电子开关到后端的两个前置放大电路。如编号3的检波器大线插头连接至第1只电子开关A2、B2端，编号4的检波器大线插头连接至第1只电子开关C2、D2端，当第1只电子开关的控制端为0时，编号3的检波器大线插头和编号4的检波器大线插头直接通过第1只电子开关到后端的两个前置放大电路，这两个前置放大电路和编号1和编号2的检波器共用两个前置放大电路，其区分是通过处理器9对控制端CE的编码确定是什么编号4的检波器的信号。一个ADG734可接入4个检波器，48路检波器需12片ADG734组成阵列，其地址为DA0至DA11，由处理器9提供的12个I/O口控制。当地址DA0至DA11为0时，同时有24个检波器被接通，当地址DA0至DA11为1时，后24个检波器被接通。

ADG734采用+1.8V至+5.5V单电源工作而非常适合电池供电的便携式仪表应用。所有通道均采用先开后合式开关，防止开关通道时发生瞬时短路。电子开关具有超低的导通电阻，在整个温度范围内小于0.4Ω，使其非常适合要求最小开关失真的应用。

如图4所示，给出前置放大电路6电路原理图。

覆盖开关电路2选择的检波器1接通后，检波器1输出信号正负端将连接至对应的前置放大电路6的INA+和INA-端，GAIN0、GAIN1、GAIN2用于前放增益选择，可选择设置0、6、12、18、24、30、36dB的前放增益。PWND、LPWP为工作模式选择，可设置成休眠模式、低速模式，在非采集期间降低系统功耗。GAIN0、GAIN1、GAIN2、PWND、LPWP通过计算机总线10与处理器9的I/O端口电连接，根据PC104+嵌入式工控机5(上位机)指令进行控制；前置放大电路6的输出端OUTF+、OUTF-差分进入模数转换器7的输入端，由模数转换器7进行模数转换，模数转换器7的输出与处理器9通过接口电路电连接，处理器9将串行位转换成字节存入存储器8中。

本发明中，信号发生电路3产生所需的参考信号，参考信号可模拟检波器1的输出，信号发生电路3的输出与前置放大电路6的INB+和INB-端差分电连接，前置放大电路6的输出OUTR+、OUTR-也差分进入模数转换器7的输入端，由模数转换器7进行模数转换，模数转换器7的输出与处理器9通过接口电路电连接，处理器9将串行位转换成字节。

前置放大电路6的INA+和INA-端及INB+和INB-是通过MUX0、MUX1端控制选择，MUX0、MUX1通过计算机总线10与处理器9的I/O端口电连接，由处理器9进行控制。

由于信号发生电路3产生所需的参考信号号可模拟检波器1的输出，信号从低到高与检波器1动态范围一致，都经过相同的电路，这样对系统存在的问题可方便了解。

前置放大电路6的输出信号经过电平调整电路，将信号中心电平调整至AD需要的中心电平，连接至对应AD转换器输入端。前置放大电路6的输入和输出模拟量信号线13在电路板中通过PCB上下层地线14中夹持，电路板采用多层板结构，使信号达到屏蔽，不受外界信号干扰。

如图5所示，模数转换器7是24位模数转换器，模数转换器7可实现8通道同步采样。模数转换器7具有优良的AC和DC特性，采样率最高可以达128Ks/s，62kHz带宽时信噪比(SNR)可达111dB，失调漂移为0.8μV/℃。

模数转换器7的Input1至Input8连接至前置放大电路的输出端，其数据输出DOUT连接至处理器的SPI串行口，处理器以SPI中断的方式接收AD转换后的数据，并将数据存入双端口FIFO存储器中。ADS1278可通过设置相应的输入/输出引脚选择工作模式，通过CLK端设置采样频率，处理器发出启动信号至SYNC端口后在第一个CLK时钟周期内进入采集状态。

模数转换器7的数据输出接口基于SPI和Frame一Sync两种协议，通过控制FORMAT[2:0]引脚来配置数据输出模式。该系统设计通过MCU的SPI端口与A/D转换器数据传输。通过将FORMAT[2:0]3个引脚置低，而将数据接口配置为SPI协议的TDM模式。模数转换器7通过SPI串口将数据传输给MCU进行数据处理。

所图6所示，FIFO存储电路是数据采集过程中的一个重要环节，本发明采用3片大容量IDT72V2111作为数据缓存，由于对48路检波器进行采集，采集的数据进行存贮，因此需要对数据实现快速存储和发送。

IDT72V2111芯片是一个双端口的存储缓冲芯片，它结构简单，便于操作，并具有控制端、标志端、扩展端和内部RAM阵列，内部读、写指针在先进先出的基础上可进行数据的自动写入和读出。当处理器通过SPI串行口读取的数据进行处理成字节数据后，在通过数据端口(D0～D8)存入IDT72V2111芯片的数据输入端口，存入时由IDT72V2111的控制端W来控制数据的写。为了防止数据的写溢出，可用标志端满FF、半满HF来标明数据的写入情况。写入时由内部写指针安排其写入的位置。由于内部RAM阵列的特殊设计，先存入的数据将被先读出。如果需要数据外读，则可由控制端R来控制数据的读出情况。W、R由外部工控机或MCU提供脉冲。数据输出端口Q0～Q8是三态的，在无读信号时呈高阻态。“空EF”标志用来防止数据的空读；若需将内部数据重新读出可用控制端RT来实现。输入数据位D0～D8和输出数据位Q0～Q8提供9位输入输出位，可将其中一位用作控制或用户自定义。扩展端XI，XO、FT用来进行字深和字长的扩展，以便于多个芯片的组合使用。RS为复位端。需要注意的是：由于是异步输入输出，因此W、R不能同时有效。

IDT72V2111在要求数据传送较快时最为适用，因此，在本设计中选取IDT72V2111作为A/D转换的数据暂存，由下位机MCU通过SPI接口接收AD转换器的转换数据，依次写入FIFO中，采集完成后，由MCU向上位机报告采集完成状态，由上位机通过FIFO另一端口读取FIFO中数据。

处理器9采用美国Cygnal公司推出的高性能单片机C8051F130是，单片机在保持CISC结构及指令系统不变的情况下，可对指令运行实行流水作业，平均每个时钟周期可执行1条单周期指令，从而大大提高了指令运行速度，芯片内部集成了64KB的FLASH程序存储器，比较器模块，SPI和I2C接口等。片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式、全速、在系统调试。内部集成12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟踪保持电路，速度高，转换速度可达100ksps，完全满足测量精度与速度需要。

C8051F是首先实现了片内模拟与数字电路的3V供电(电压范围2.7-3.6V)，大大降低了系统功耗；完善的时钟系统可以保证系统在满足响应速度要求下，使系统的平均时钟频率最低；众多的复位源使系统在掉电方式下，可随意唤醒，从而可灵活地实现零功耗系统设计。因此，C8051F具有极佳的最小功耗系统设计环境。

本发明中C8051F的低端口(P0、P1、P2、P3)既可按位寻址，也可按字节寻址，所以系统所需的控制信号都设计在低端口部分；而高端口(P4、P5、P6、P7)只能按字节寻址，C8051F的与显示模块、存储器等模块的数据、地址总线均设计在高端口部分；C8051F130丰富的端口资源及其分配的灵活性是通过使用优先权交叉开关译码器实现的；而且所有引脚都采用3.3V电压.并都可以配置为漏极开路或推挽输出方式和弱上拉。

如图7所示，TI公司24位高速AD转换器，AD的基准电压(参考电压)的稳定性、准确性对多通道AD采集系统非常重要。电源电路12采用了三级稳压措施，将电池11(电瓶)提供的12V电压，先经过电源板稳压器件进行第一级稳压，稳压器件采用美国VICOR电源模块，分别输出模拟电源(供模拟电路使用)和数字电源(供数字电路使用)，模拟电源(供模拟电路使用)和数字电源输出至数据采集板16，再由数据采集板16的电源稳压组件进行第二级稳压，稳压器件分别产生所需电压，其中一组为模数转换器7输出一路数字电压，数字电压再经过第三级稳压到模数转换器7组成的参考电压稳压电路。第三级稳压器件采用TI公司的REF5025和OPA350组成的参考电压稳压电路。AD参考电压与模拟电源、其他数字电源隔离，降低电压干扰。