專利名稱：高分辨率礦井地質(zhì)探測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及煤礦井下巷道周圍地質(zhì)構(gòu)造勘探和工程地質(zhì)勘探領(lǐng)域的一種淺層地震勘 探儀器，其主要用于礦井采煤工作面和掘進(jìn)工作面前方的異常地質(zhì)構(gòu)造(包括礦層構(gòu)造、小 窯老空、溶洞、斷層與破碎帶、陷落柱、煤層分叉與合并、煤層厚度變化、巖漿與巖體構(gòu)造、 頂板和圍巖穩(wěn)定性和異常小構(gòu)造)超前探測，以及巷道的頂板、底板和兩側(cè)邦一定范圍內(nèi)的 煤層和巖層的厚度和地質(zhì)構(gòu)造探測。此外，還可以用于地面工程地質(zhì)勘探，包括建筑地基地 質(zhì)構(gòu)造勘探、水壩堤防地質(zhì)構(gòu)造勘探、高速公路和鐵路路基地質(zhì)構(gòu)造勘探、機場地基地質(zhì)構(gòu) 造勘探和其它工程地質(zhì)勘探。
技術(shù)背景淺層地震勘探是一門年輕的正在蓬勃發(fā)展的勘探地球物理學(xué)科。其是根據(jù)人工激發(fā)的地 震波在被測地質(zhì)體中傳播的物理特性來研究地層的地震參數(shù)與巖土物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)之間 的關(guān)系，確定各種地質(zhì)界面的空間位置和形態(tài)，解決非均勻復(fù)雜小構(gòu)造地質(zhì)體的形態(tài)、性質(zhì) 和結(jié)構(gòu)，并且對地下地質(zhì)體進(jìn)行綜合評介。因此，淺層地震勘探廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)和環(huán)境 地質(zhì)勘探中。淺層地震勘探儀器作為淺層地震勘探的主要工具與手段，其每一項技術(shù)突破都 極大推動了淺層地震勘探理論、技術(shù)與方法的發(fā)展。目前代表國際先進(jìn)水平的淺層地震勘探儀器比較多，如美國Geometries公司的ES系列 和Geode系列淺層地震儀、日本OYO公司McSEIS-SX系列淺層地震儀、瑞典ABEM公司 的MK系列淺層地震儀、重慶地質(zhì)儀器廠DZQ系列淺層地震儀、重慶萬馬物探儀器有限公 司的WZG系列工程地震儀、北京市水電物探研究所的SWS工程勘探與檢測儀、吉林GeoPen 公司的SE系列工程探測儀等。這些先進(jìn)儀器的共同特點是采用基于通用PC104工控機的主 機系統(tǒng)并且通道數(shù)比較多(通常為12道以上)，功耗高和體積大。這些儀器非常適合于地面 工程地質(zhì)勘探和環(huán)境地質(zhì)勘探，但是很難滿足煤礦本安型產(chǎn)品對儀器的功耗要求，因此不適 合用于煤礦井下巷道四周施工地質(zhì)勘探。目前應(yīng)用于煤礦井下的先進(jìn)淺層地震勘探儀器比較少，只有福州華虹智能科技開發(fā)有限 公司的KDZ1114-3系列便攜式礦井地質(zhì)探測儀和煤炭科學(xué)研究院西安分院的YIR (D)瑞利 波探測儀兩種產(chǎn)品，這兩種儀器的共同特點是功耗低、體積小和重量輕，都屬于煤礦井下使 用本安型產(chǎn)品。其中，KDZ1114-3便攜式礦井地質(zhì)探測儀是一款基于微控制器(MCU)的超 低功耗、集成有多種現(xiàn)場淺層地震勘探方法的礦井地質(zhì)探測儀，但是其A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)只有12 位，探測與分析處理精度受到限制。YIR (D)瑞利波探測儀是一款基于通用PC104工控機 的高分辨率(A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)為24位)礦井地質(zhì)探測儀，但是其只提供一種現(xiàn)場探測方法(瑞 利面波探測方法)，其應(yīng)用范圍受到限制。如何充分利用目前在地面工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)工程中使用的淺層地震勘探儀器先進(jìn)技 術(shù)，并結(jié)合當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)及其低功耗設(shè)計技術(shù)，研究與開發(fā)可在煤礦井下使用的低功耗本 安型先進(jìn)的礦井淺層地震勘探儀器，是保證煤礦生產(chǎn)的施工地質(zhì)安全迫切需要解決的問題。發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有的地面淺層地震勘探儀器功耗高和礦井淺層地震勘探儀器精度差與應(yīng)用范 圍受限的問題，本實用新型提供一種高分辨率礦井地質(zhì)探測儀，其不僅可以使淺層地震勘探 儀器的功耗滿足煤礦本安型產(chǎn)品要求，而且可以解決礦井淺層地震勘探儀器精度與應(yīng)用范圍 受限問題。此外，該儀器還具有體積小重量輕等特點，能夠解決礦井巷道現(xiàn)場探測空間環(huán)境 受限和施工場所較遠(yuǎn)所帶來問題。本實用新型包括顯示設(shè)備、參數(shù)設(shè)置設(shè)備、電源系統(tǒng)，其特征在于該儀器還包括有基于可編程片上系統(tǒng)SOPC數(shù)據(jù)采集控制平臺的六通道高速高分辨率淺層地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)32位嵌入式處理系統(tǒng)平臺的主機系統(tǒng)。在儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方面，采用基于可編程片上系統(tǒng)(SOPC)采集控制平臺的六通道 獨立"程控放大+24位高速A/D轉(zhuǎn)換"的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；在儀器的主機系統(tǒng)方面，采用 基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)32位嵌入式處理器(MPC823e)的嵌入式系統(tǒng)；在儀器的人機接口 方面，采用LED背光800x600分辨率的TFT-LCD模塊和帶有38個鍵的專用PVC鍵盤；在 機一機接口 (即儀器與PC機接口 )方面，采用10BASE-T以太網(wǎng)接口通信和U盤轉(zhuǎn)儲地震 記錄數(shù)據(jù)；在電源系統(tǒng)方面，采用內(nèi)置鋰電池組和煤礦本安型分布式電源系統(tǒng)。在儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方面，采用基于可編程片上系統(tǒng)(SOPC)采集控制平臺的六通道 獨立"程控放大+24位高速A/D轉(zhuǎn)換"的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其所依據(jù)的技術(shù)原理如下(1) 采用六通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案，符合煤礦井下施工環(huán)境和滿足礦井淺層地震勘探技 術(shù)需要。首先，由于煤礦井下巷道現(xiàn)場施工環(huán)境的限制，尤其是在掘進(jìn)掌子面進(jìn)行超前探測 時，掌子面的寬度一般不會超過3到4米，采用共激發(fā)點的六通道地震記錄數(shù)據(jù)采集通常是 比較合適的。其次，可以滿足絕大多數(shù)淺層地震勘探方法的需要。例如，瑞利面波勘探、零 偏移距反射勘探、共偏移距反射勘探、最佳偏移距反射勘探、單邊折射勘探、雙邊折射勘探、 PS波測井和巷道頂?shù)装迕簩雍穸茸詣犹綔y等。第三，不僅可以滿足現(xiàn)場探測的需要，而且可 以極大地降低儀器的功耗。目前，在地面工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)勘探中，所使用的淺層地震勘 探儀器的數(shù)據(jù)采集通道數(shù)一般為24道或48道，有的甚至達(dá)高到72道，這為工程地質(zhì)勘探和 環(huán)境地質(zhì)勘探提供了減少現(xiàn)場探測工作量和提高勘探效率的有效手段。但是，帶來負(fù)面的問 題也不少，其不僅使儀器的體積和重量增加，而且也極大增加了儀器的功耗。顯然，采用道 數(shù)較多的淺層地震勘探儀器不適合礦井巷道地質(zhì)勘探。(2) 采用每道獨立的"程控放大+24位高速A/D轉(zhuǎn)換"數(shù)據(jù)采集通道，不僅可以簡化每 個數(shù)據(jù)采集通道設(shè)計、降低每個通道功耗和提高通道之間抗串音能力，并且可以最大限度地 減少儀器數(shù)據(jù)采集通道所產(chǎn)生噪聲，從而在一定程度上提高了地震信號信噪比和分辨率。目 前，絕大多數(shù)淺層地震勘探儀器都在數(shù)據(jù)采集通道中嵌入硬件濾波電路或浮點放大電路。其 中，所嵌入硬件濾波電路的目的是壓制地震記錄數(shù)據(jù)中干擾波和提高地震記錄的信噪比。但 是，由于地震波在被測地質(zhì)體介質(zhì)中傳播過程通常是一個復(fù)雜的過程，儀器所采集到來自檢 波器的地震信號是一個干擾波與有效波混疊的合成波，采樣單一的硬件頻率濾波器在很多情 況下是無法壓制地震信號中與有效波相互干涉的干擾波，反而會增加儀器本身噪聲干擾并降 低來自較深層微弱地震波信號的信噪比。因此，在淺層地震勘探儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中不設(shè)前置硬件濾波器，而在后續(xù)地震記錄數(shù)據(jù)處理軟件中增強數(shù)字頻率濾波和數(shù)字混波濾波手段 已經(jīng)成為目前一種明顯的發(fā)展趨勢。同時，還可以從根本上消除因硬件濾波電路嵌入而引入 的噪聲，并且簡化儀器數(shù)據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和降低了功耗和成本。在數(shù)據(jù)采集通道中嵌入浮點放大 電路的目的是提高儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍，由于早期A/D轉(zhuǎn)換器技術(shù)限制，其位數(shù)通 常為12~16位，在數(shù)據(jù)采集通道中嵌入浮點放大電路對于提高儀器的動態(tài)范圍具有非常大作 用。但是，目前先進(jìn)的高分辨率淺層地震勘探儀器普遍都采用24位A/D轉(zhuǎn)換器，可以完全 滿足淺層地震勘探對儀器的動態(tài)范圍要求。此外，由于硬件浮點放大電路非常復(fù)雜，在儀器 的數(shù)據(jù)采集電路中添加這樣的電路，必然導(dǎo)致采集系統(tǒng)的前向通道的噪聲和功耗增加，不利 于來自較深層的微弱地震波信號檢測。因此，取消前向通道通中的浮點放大電路，而在地震 記錄數(shù)據(jù)處理軟件中增加數(shù)字化浮點放大工具，不僅可以從根本上消除浮點放大電路所造成 的問題，并且保證了原始地震記錄真實地反映地震波在介質(zhì)中傳播情況，從而方便了在現(xiàn)場 對地震記錄信號的正確判斷。(3)采用基于可編程偏上系統(tǒng)(SOPC)采集控制平臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案，不僅可以 解決淺層地震勘探儀器高速復(fù)雜的地震信號數(shù)據(jù)采集控制問題，而且可以適應(yīng)淺層地震勘探 儀器集成有多種勘探方法時在數(shù)據(jù)采集方法差異而導(dǎo)致不同采樣控制方法。在本實用新型儀 器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制方面，需要控制的項目有參與采樣的通道數(shù)、四個檔次的程控前置 模擬放大、采樣間隔、采樣點數(shù)、超前采樣點數(shù)、采樣延時、采樣啟動觸發(fā)方式(包括內(nèi)觸 發(fā)、外觸發(fā)、先短后斷觸發(fā)和先斷后短觸發(fā))及其觸發(fā)電壓，以及被測地質(zhì)體背景噪聲檢測， 要實現(xiàn)如此多參數(shù)項目的數(shù)據(jù)采集控制，并且協(xié)調(diào)地完成相關(guān)項的參數(shù)設(shè)置和高速的A/D轉(zhuǎn) 換控制，采用單一的軟件程序或純硬件控制邏輯來控制有相當(dāng)?shù)睦щy，必須采用軟硬件相結(jié) 合的方法實現(xiàn)的。為此，在儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣控制方面引入了 Altem公司可編程片上 系統(tǒng)(SOPC)技術(shù)，其不僅在單芯片上可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需要高速采樣硬件邏輯控制， 并且可以在芯片上嵌入32位NIOS-I1嵌入式處理器軟核，從而在單芯片上解決了淺層地震勘 探儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣控制的軟硬件結(jié)合的問題，大大簡化了儀器的多道高速數(shù)據(jù)采集控 制設(shè)計問題，降低了在儀器在采集控制方面的功耗，并且有效地使儀器的數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)作為 一個獨立數(shù)據(jù)采集平臺。此外，由于在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采用了基于SOPC的數(shù)據(jù)采集控制平 臺，因此即使不同的淺層地震勘探方法對數(shù)據(jù)采集控制方面有不同的要求，也可以利用SOPC 芯片在硬件和軟件兩個方面的可編程特性予以解決。在儀器的主機系統(tǒng)方面，采用基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)32位嵌入式處理器(MPC823e) 的嵌入式系統(tǒng)，其所依據(jù)的技術(shù)原理如下(1)采樣基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)32位嵌入式處理器(MPC823e)的嵌入式系統(tǒng)作為主 機系統(tǒng)硬件平臺，有利于降低儀器在主機系統(tǒng)方面的功耗。目前，決大多數(shù)先進(jìn)的淺層地震 勘探儀器都采用通用的PC/104工控機作為儀器主機系統(tǒng)硬件平臺。采用這樣的技術(shù)方案的優(yōu) 勢在于，可以利用目前非常成熟可靠的通用PC/104工控機OEM產(chǎn)品，加快儀器開發(fā)進(jìn)度。 但是，此方法也存在一定劣勢。其一是PC/104系列的OEM產(chǎn)品是為工業(yè)控制設(shè)備開發(fā)的通 用產(chǎn)品，其在設(shè)計時低耗問題不是考慮的重點，并且在板上存在有淺層地震勘探儀器主機系統(tǒng)不需要的電路模塊，這無形中增加了儀器的主機系統(tǒng)功耗，對于地面工程地質(zhì)和環(huán)境工程 地質(zhì)勘探中使用的淺層地震勘探儀器來講，增加這些功耗可能影響不是很大，但是對于煤礦 井下使用的礦井淺層地震勘探儀器來講，有時可能是致命的，這是因為礦用本安全型設(shè)備對 功耗要求限制所導(dǎo)致的。其二是由于PC/104系列工控機產(chǎn)品是一種成熟的OEM產(chǎn)品，其價 格比較高，將導(dǎo)致產(chǎn)品的成本增加。目前，基于32位嵌入式處理器的嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為測 量和控制產(chǎn)品主流，其在技術(shù)上已經(jīng)非常成熟并且具有一系列優(yōu)點。此類嵌入式處理器最大 的特點是在單個處理器芯片上集成了測控產(chǎn)品所需要的各種外設(shè)控制器(包括人機接口控制 器、機-機通信控制器、串行和并行擴展接口控制器)，并且在芯片設(shè)計時就已經(jīng)考慮了低功 耗及其使用問題，已經(jīng)具備了低功耗單芯片系統(tǒng)的基本特征。本實用新型儀器主機系統(tǒng)所采 用MPC823e 32位嵌入式處理器就是一款集成了 PowerPC體系結(jié)構(gòu)的32位嵌入式處理內(nèi)核、 LCD控制器、12C控制器、以太網(wǎng)控制器、SPI控制器和UART控制器，并且還提供了一個 帶有DSP功能的RISC體系結(jié)構(gòu)32位微控制器。因此，其不僅可以滿足淺層地震勘探儀器 主機系統(tǒng)對硬件平臺的基本需求，而且還可以滿足淺層地震勘探儀器現(xiàn)場探測時需要進(jìn)行快 速濾波處理的要求。因此，本實用新型主機系統(tǒng)方案采用基于MPC823e 32位嵌入式處理器 的嵌入式系統(tǒng)。其與基于PC/104工控機的主機系統(tǒng)相比具有功耗小、成本低和專用性等特點， 但是也存在一定的缺點，即需要自行研發(fā)，儀器的開發(fā)進(jìn)度慢，并且需要耗費一定的人力、 物力和財力，以及首次開發(fā)存在不夠成熟的問題。不過， 一旦開發(fā)成功將獲得一勞永逸的效 果。更重要的是，自行開發(fā)的儀器主機硬件平臺將可以按淺層地震勘探儀器主機系統(tǒng)需要設(shè) 計，不存在有多余的功能模塊，可以最大限度地控制主機系統(tǒng)的功耗和成本，并且可以根據(jù) 需要任意裁減，這是基于PC/104工控機的主機系統(tǒng)方案所無法實現(xiàn)的。(2)采樣基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)32位嵌入式處理器(MPC823e)的嵌入式系統(tǒng)作為主 機系統(tǒng)硬件平臺，可以采用可裁減的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，降低操作系統(tǒng)對儀器主機的存 儲系統(tǒng)容量需求，從而降低了主機存儲系統(tǒng)的功耗。目前，采用基于PC/104工控機的主機系 統(tǒng)，其軟件系統(tǒng)的核心通常釆用Windows操作系統(tǒng)，Windows操作系統(tǒng)是一種非開放源碼的 軟件產(chǎn)品并且代碼容量比較大，用戶無法自由地對其進(jìn)行裁減，這必然導(dǎo)致儀器主機系統(tǒng)的 存儲容量增加。對于采用固態(tài)盤的淺層地震勘探儀器來講，存儲容量增加將導(dǎo)致存儲芯片增 加，而存儲芯片增加將導(dǎo)致主機系統(tǒng)的功耗增加和成本增大。然而，基于32位嵌入式處理器 的主機系統(tǒng)，通常采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為軟件系統(tǒng)的核心，嵌入式Linux操作系統(tǒng) 是一種開源、可自由裁減的操作系統(tǒng)，可以根據(jù)儀器的探測與處理軟件需求將操作系統(tǒng)代碼 容量降到最低，從而降低了儀器主機系統(tǒng)存儲容量開銷，減小的主機系統(tǒng)的功耗。在儀器的人機接口方面，采用LED背光800x600分辨率的TFT-LCD模塊和帶有38個鍵 的專用PVC鍵盤，其所依據(jù)的技術(shù)原理如下(1)在儀器的顯示器方面，采用LED背光800x600分辨率的TFT-LCD模塊，保證LCD 顯示器背光電路電源電壓符合礦用本安型產(chǎn)品的要求，并且為儀器的圖形用戶界面(GUI) 平臺提供硬件基礎(chǔ)。地震記錄波形顯示是地震勘探儀器的不可缺少基本的功能，因此圖形顯 示器是淺層地震勘探儀器必備的組件。目前，淺層地震勘探儀器所采用的圖形顯示器有兩大類型，即LCD顯示器和CRT顯示器。由于CRT顯示器本身存在一些固有的缺陷(如體積大、 電壓高和功耗高等)，因此LCD顯示器成為當(dāng)今淺層地震勘探儀器主要顯示器件。對于地面 淺層地震勘探儀器來講，LCD模塊采用何種背光源不是設(shè)計關(guān)注的焦點，但是對與礦井淺層 地震勘探儀器來講，由于礦用本安型產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)限制，采用高頻高壓CCFT背光源是不合適的， 必須采用低電壓低功耗的LED背光源。本實用新型采用的是800x600分辨率彩色TFT-LCD 模塊(LQ104S1DG21)，其背光源采用是CCFT，顯然是不符合礦用本安型產(chǎn)品要求。因此， 必須對其背光源進(jìn)行改造，去除原有CCFT背光源，改成自行設(shè)計的低壓LED背光源，以便 適合礦用本安型產(chǎn)品要求。(2)在儀器的鍵盤方面，采用帶有38個鍵的專用PVC鍵盤，與儀器的面板融為一體， 便于儀器整體結(jié)構(gòu)的密封，為儀器防潮防塵提供基礎(chǔ)。儀器的專用鍵盤位于儀器面板的底部， 共有38個鍵，分成4個鍵區(qū)，即數(shù)字鍵區(qū)、功能鍵區(qū)、電源控制鍵區(qū)和亮度控制鍵區(qū)。其中， 數(shù)字鍵區(qū)位于面板的右下角(共有16鍵)，包括10個數(shù)字鍵、1個確認(rèn)鍵和4個運算鍵(加、 減、乘和除)；功能鍵區(qū)位于面板的左下角(共有16個鍵)，包括4個方向鍵盤(左、右、上、 下)、4個頁鍵(上頁、下頁、頁首、頁尾)、3個編輯鍵(插入、刪除和退格)、2個鍵盤控 制鍵(上檔、鍵控)、1個狀態(tài)切換鍵(Tab)、 1個采樣鍵和1個退出鍵；電源控制鍵區(qū)位于 儀器面板的底中部偏左(共有3個鍵)，包括電源"開"與"關(guān)"鍵及復(fù)位鍵；LCD亮度控 制鍵區(qū)位于面板底中部偏右(共有3個鍵)，包括增加亮度鍵(+)、減小亮度鍵(-)和亮度 保存鍵。在機一機接口 (即儀器與PC機及其外圍設(shè)備接口)方面，采用IOBASE-T以太網(wǎng)與PC 機實現(xiàn)通信接口和U盤轉(zhuǎn)儲地震記錄數(shù)據(jù)，其所依據(jù)的技術(shù)原理如下直接利用MPC823e 嵌入式處理器所提供的10BASE-T以太網(wǎng)控制器，外接相應(yīng)的收發(fā)驅(qū)動器構(gòu)成儀器與后臺PC 機的通信接口 ；直接利用MPC823e嵌入式處理器所提供的1.1版本的USB控制器，外接USB 收發(fā)驅(qū)動器和USB HUB芯片構(gòu)成儀器的地震記錄數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存的USB接口 。在電源系統(tǒng)方面，采用內(nèi)置鋰電池組和煤礦本安型分布式電源系統(tǒng)，其所依據(jù)的技術(shù)原 理如下電池組采用2塊電芯串聯(lián)加保護(hù)板，每塊標(biāo)準(zhǔn)為3.7V/10Ah。電池組外接一個 1.5Q/50W的限流電阻和分布式電源系統(tǒng)，構(gòu)成儀器的礦用本安型電源。其中，分布式電源系 統(tǒng)由6路低壓差穩(wěn)壓和DC-DC變換電路以及電源控制開關(guān)電路組成的，分別為采樣板提供 +5V、 -5V和+3.3V電源，為主板和采樣控制板提供+5V和+3.3V電源、為LCD模塊的LED 背光提供1.2~3.2V帶有記憶功能的可調(diào)背光電源。本實用新型的優(yōu)點有可以構(gòu)成低功耗礦用本安型的淺層高分辨率淺層地震勘探儀器， 用于探測礦井地質(zhì)和工程地質(zhì)構(gòu)造。具體地講，不僅可以超前探測礦井采煤工作面和掘進(jìn)工 作面前方的地質(zhì)構(gòu)造(包括斷層及破碎帶、陷落柱、老窯采空區(qū)、溶洞、煤層分叉與合并、 煤層厚度變化、巖漿與巖體構(gòu)造、頂板和圍巖穩(wěn)定性、礦層構(gòu)造、小構(gòu)造等)；而且可以探測 礦井巷道頂板和底板、兩側(cè)邦一定范圍內(nèi)的煤層和巖層的厚度和地質(zhì)構(gòu)造。此外，還可以用 于道路路基和堤防缺陷探測。


圖1是本實用新型硬件系統(tǒng)基本原理框圖；圖2是本實用新型基于可編程片上系統(tǒng)(SOPC)高速高分辨率淺層地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖；圖3是本實用新型采集系統(tǒng)的模擬信號放大緩沖電路I (前三個通道)；圖4是本實用新型采集系統(tǒng)的模擬信號放大緩沖電路II (后三個通道)；圖5是本實用新型采集系統(tǒng)的六個通道獨立的24位A/D轉(zhuǎn)換電路；圖6是本實用新型采集系統(tǒng)的具有四種觸發(fā)方式的采樣觸發(fā)啟動電路；圖7是基于可編程片上系統(tǒng)(SOPC)的數(shù)據(jù)采集控制平臺框圖；圖8是本實用新型數(shù)據(jù)采集控制平臺的可編程片上系統(tǒng)(SOPC)片內(nèi)接口電路；圖9是本實用新型數(shù)據(jù)采集控制平臺的時鐘發(fā)生電路與配置電路；圖IO是本實用新型數(shù)據(jù)采集控制平臺的程序與數(shù)據(jù)存儲器(SRAM);圖11是本實用新型數(shù)據(jù)采集控制平臺的雙端口總線開關(guān)電路；圖12是本實用新型數(shù)據(jù)采集控制平臺的接口電路；圖13是本實用新型采集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集控制平臺的接口電路；圖14是本實用新型采集系統(tǒng)的采樣數(shù)據(jù)存儲器(SRAM);圖15是本實用新型采集系統(tǒng)的采樣數(shù)據(jù)存儲器讀寫控制電路；圖16是本實用新型采集系統(tǒng)與主機系統(tǒng)的接口電路；圖n是本實用新型采集系統(tǒng)與電源系統(tǒng)的接口電路；圖18是本實用新型基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)的32位嵌入式主機系統(tǒng)框圖；圖19是本實用新型主機系統(tǒng)的MPC823e嵌入式處理器電路；圖20是本實用新型主機系統(tǒng)的實時時鐘、電池監(jiān)測和I/O擴展電路；圖21是本實用新型主機系統(tǒng)的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線驅(qū)動電路；圖22是本實用新型主機系統(tǒng)的SDRAM存儲系統(tǒng)；圖23是本實用新型主機系統(tǒng)的Flash存儲系統(tǒng)(Flash存儲卡)；圖24是本實用新型主機系統(tǒng)的人機接口電路；圖25是本實用新型主機系統(tǒng)的機-機接口電路；圖26是本實用新型主機系統(tǒng)的串行監(jiān)控和測試與調(diào)試電路； 圖27是本實用新型主機系統(tǒng)的電源、復(fù)位和時鐘電路；圖28是本實用新型主機系統(tǒng)與采集系統(tǒng)和Flash存儲系統(tǒng)的接口電路； 圖29是本實用新型基于USB HUB的機-機通信轉(zhuǎn)接盒電路； 圖30是本實用新型內(nèi)置的本安全型電源系統(tǒng)框圖； 圖31是本實用新型內(nèi)置的本安型電源系統(tǒng)電路。
具體實施方式
本實用新型包括顯示設(shè)備、參數(shù)設(shè)置設(shè)備、電源系統(tǒng)，該儀器還包括有基于可編程片上系統(tǒng)SOPC數(shù)據(jù)采集控制平臺的六通道高速高分辨率淺層地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和基于PowerPC 體系結(jié)構(gòu)32位嵌入式處理系統(tǒng)平臺的主機系統(tǒng)。所述圖像顯示設(shè)備為基于LED背光800x600 分辨率彩色TFT-LCD模塊的顯示器；所述參數(shù)設(shè)置設(shè)備為基于四個鍵區(qū)38個鍵的專用PVC面板；所 述的電源系統(tǒng)為基于鋰電池組的本安型電源系統(tǒng)；所述的基于可編程片上系統(tǒng)SOPC數(shù)據(jù)采集控 制平臺獨立設(shè)計成采樣控制板，六通道高速高分辨率淺層地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獨立設(shè)計成采樣 板，基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)32位嵌入式處理系統(tǒng)平臺獨立設(shè)計成主機板。上述六通道高速高分辨率淺層地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由6個獨立的模擬輸入通道、觸發(fā)控制 電路、采樣控制板接口、采樣數(shù)據(jù)存儲器及其讀寫控制邏輯電路、主機板接口和電源接口組 成；每個模擬輸入通道含有單分量檢波器接口、阻容隔離電路、程控放大電路、放大緩沖電 路和24位高速A/D轉(zhuǎn)換電路，所述程控放大增益檔設(shè)計為0dB、 24dB、 36dB和48dB， A/D 轉(zhuǎn)換電路的采樣間隔設(shè)計為16微秒的倍數(shù)；觸發(fā)控制電路含有觸發(fā)啟動接口、前置觸發(fā)信號 緩沖電路、觸發(fā)方式選擇電路、觸發(fā)閾值設(shè)置電路、觸發(fā)啟動比較電路和后置觸發(fā)信號緩沖 電路，實現(xiàn)內(nèi)觸發(fā)、外觸發(fā)、先斷后短觸發(fā)和先短后斷觸發(fā)四種可選觸發(fā)方式；采樣數(shù)據(jù)存 儲器及其讀寫控制邏輯電路含有2片256kBxl6高速CMOS SRAM、8片具有方向引腳的八總 線收發(fā)器、1片總線緩沖器、1片四邏輯與門芯片和上拉電阻，采樣數(shù)據(jù)存儲器的容量為1MB。上述的基于可編程片上系統(tǒng)SOPC數(shù)據(jù)采集控制平臺由可編程片上系統(tǒng)SOPC芯片、時 鐘發(fā)生器電路、串行Flash配置數(shù)據(jù)存儲器及其接口、直接配置接口、配置控制指示電路、 1MB SRAM程序數(shù)據(jù)存儲器、電源電路及其接口、雙端口總線開關(guān)電路、采樣數(shù)據(jù)存儲器接 口和其它擴展接口組成的；可編程片上系統(tǒng)SOPC芯片內(nèi)嵌有通用NIOS-II 32位嵌入式處理 器軟核、專用高速數(shù)據(jù)釆集控制IP核和采樣數(shù)據(jù)存儲器讀寫控制IP核。上述的基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)32位嵌入式處理系統(tǒng)平臺由基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)的32 位嵌入式處理器、總線驅(qū)動電路、SDRAM存儲系統(tǒng)、Flash存儲系統(tǒng)、LCD顯示接口、專用 鍵盤接口電路、以太網(wǎng)接口電路、USB接口電路、機-機通信接口、電源電路、復(fù)位電路、時 鐘電路、實時時鐘電路、電池檢測電路、1/0口擴展電路、調(diào)試與測試接口電路、串行監(jiān)控接 口電路和釆樣板接口組成；基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)的32位嵌入式處理器采用MPC823e處理 器，總線驅(qū)動電路是由8片具有方向引腳的8位總線收發(fā)器組成的，SDRAM存儲系統(tǒng)是由4 片SDRAM芯片組成的32MB 128MB容量隨機存儲系統(tǒng)，F(xiàn)lash存儲系統(tǒng)是由4片F(xiàn)lash存 儲器芯片組成的16MB-64MB容量快閃存儲系統(tǒng)，專用鍵盤接口電路是由2片I2C總線遠(yuǎn)程 8位I/0擴展芯片組成的64個鍵接口電路，以太網(wǎng)接口電路是由通用10BASE-T以太網(wǎng)絡(luò)收 發(fā)器組成的，USB接口電路是由USB通用串行總線收發(fā)器組成的，電源電路是由主機系統(tǒng)調(diào) 試電源電路、PLL電源電路和電源開關(guān)電路組成的，復(fù)位電路是由具有上拉輸出的復(fù)位芯片 和具有按鈕功能的雙復(fù)位芯片組成的上電復(fù)位和軟硬件復(fù)位電路，時鐘電路是由8MHz主時 鐘電路、32.768kHz輔時鐘電路和48MHzUSB時鐘電路組成的，實時時鐘電路是由I2C總線 接口實時時鐘芯片、具有電池監(jiān)測的控制器芯片和鈕扣電池組成的，電池檢測電路是由串行 接口的8位A/D轉(zhuǎn)換器組成的，I/O擴展電路采用的是I2C總線遠(yuǎn)程8位I/O擴展芯片，串行 監(jiān)控接口電路是由RS232串行收發(fā)芯片和瞬變電壓抑制器組成的。在圖1中，將根據(jù)各種不同勘探方法的施工觀測系統(tǒng)布置好檢波器，并將檢波器通過線 纜連接到檢波器接口，將人工震源激發(fā)啟動器的觸發(fā)啟動線纜連接到觸發(fā)啟動接口。在被測 地質(zhì)體上表層通過人工震源激發(fā)地震波，產(chǎn)生觸發(fā)啟動信號，通過圖1中觸發(fā)控制電路所獲 得的采樣啟動信號送到數(shù)據(jù)采集平臺，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的采樣參數(shù)和采樣方式啟動1~6個獨立 的模擬輸入通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。來自檢波器的連續(xù)地震信號，按照圖1中的數(shù)據(jù)采集控制平 臺的采樣控制算法，通過模擬輸入通道中阻容隔離電路、程控放大電路、放大緩沖電路和A/D 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，最后保存在圖1的采樣數(shù)據(jù)存儲器中。圖1中的32位嵌入式系統(tǒng) 平臺通過的采樣數(shù)據(jù)存儲器讀寫控制邏輯電路，將保存在采集數(shù)據(jù)存儲器中的地震記錄數(shù)據(jù) 讀到其SDRAM存儲器系統(tǒng)中，并且顯示在圖1中的彩色TFT-LCD顯示模塊上，最終以一定 格式的文件保存到其Flash存儲系統(tǒng)中。通過圖1中的專用PVC鍵盤可以控制地震記錄波形 的顯示與處理方式，并且設(shè)置采樣觸發(fā)啟動和采樣控制等各種參數(shù)。若需要將保存在Flash 存儲器系統(tǒng)的地震記錄文件傳輸?shù)轿挥诤笈_PC機上的地震波處理與解釋軟件中，可以通過 圖l中的以太網(wǎng)接口電路，并經(jīng)過圖1中的機-機通信轉(zhuǎn)接盒，傳輸?shù)絇C機中。若需要將保 存在Flash存儲器系統(tǒng)的地震記錄文件轉(zhuǎn)存到U盤中，可以通過圖1中的USB接口電路，并 經(jīng)過圖1中的機-機通信轉(zhuǎn)接盒保存到標(biāo)準(zhǔn)的U盤中。標(biāo)準(zhǔn)USB鍵盤也可以通過圖1中的機-機通信轉(zhuǎn)接盒連接到圖1中的USB接口電路，作為儀器外置的鍵盤，以方便室內(nèi)使用與操作。 儀器通過圖1中的基于鋰電池組的本安型電源系統(tǒng)電路向圖1中所有電路系統(tǒng)供電，若鋰電 池組沒電或電量不足，可以使用儀器配置的專用充電器，通過圖1中的充電接口向電池組充 電。
以下結(jié)合附圖和實施例分幾個部分對本實用新型實施方案進(jìn)一步說明。 一、采集系統(tǒng)的采樣板采集系統(tǒng)是由采樣板和采樣控制板組成的，其主要功能是完成對地震信號采集，并且按 一定算法將地震記錄數(shù)據(jù)保存在采樣數(shù)據(jù)存儲器中。采集系統(tǒng)的方框圖如圖2所示，其是以 圖2中的基于可編程片上系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集控制平臺(采用控制板)為核心，是一個具有6個 模擬輸入通道的完整高速高分辨率淺層地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖2中的6個模擬輸入通道都是由檢波器接口、阻容隔離電路、程控放大、放大緩沖電 路和A/D轉(zhuǎn)換電路組成的。其中，6個通道的檢波器接口、阻容隔離電路、程控放大和放大 緩沖原理電路如圖3和圖4所示。圖3和圖4中的每個通道電路都是通道接口、阻容隔離電 路、儀用放大器、前置放大增益切換開關(guān)電路和放大緩沖電路組成的。其中，每個通道的阻 容隔離電路都是由隔直電容器和電阻組成的，見圖3和圖4中的CA7和CA8、 CB7和CB8、 CC7禾卩CC8、 CD7禾口CD8、 CE7禾口 CE8、 CF7和CF8及其相關(guān)電阻。儀用方夂大器采用的是 精密低功耗儀用放大器INA128 (見圖3和圖4中的U1N、 U2N、 U3N、 U4N、 U5N和U6N)， 其與4通道多路選擇開關(guān)ADG604 (見圖3和圖4中的U1M、 U2M、 U3M、 U4M、 U5M和 U6M)構(gòu)成可程控的前置放大電路。前置放大增益設(shè)計為4檔，分別為0dB、 24dB、 36dB和 48dB。放大緩沖電路采用高性能全差分AUDIO OP放大器OPA1632(見圖3和圖4中的U1H、 U2H、 U3H、 U4H、 U5H和U6H)，將儀用放大器INA128的單端輸出變成符合A/D轉(zhuǎn)換器 要求的平衡差分輸出。OPA1632放大器的基準(zhǔn)電壓是由精密低功耗的參考電壓器件REF3125(見圖3和圖4中的U1J、 U2J、 U3J、 U4J、 U5J和U6J)。圖2中的6個模式輸入通道的每 一個通道都采用一個獨立的A/D轉(zhuǎn)換電路，如圖5所示。A/D轉(zhuǎn)換電路的核心器件是24位 寬帶高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1271 (見圖5中的UAD1、 UAD2、 UAD3、 UAD4、 UAD5和UAD6)。 六通道的A/D轉(zhuǎn)換器的模式控制由快速CMOS緩沖驅(qū)動器PI49FCT3805 (見圖5中的U9) 輸出信號提供的，此器件的功能是將單一輸入變成多路輸出，保證了各通道的A/D轉(zhuǎn)換器的 轉(zhuǎn)換模式一致。六通道的A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓是由精密低功耗參考電壓器件REF3125 (見 圖5中的U24)和高速緩沖放大器OPA350 (見圖5中的U25)組成的電路提供的，其可以很 好保證A/D轉(zhuǎn)換器參考電壓的精度和穩(wěn)定性。六通道的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換控制信號是由基于 可編程片上系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集控制平臺(見圖7)提供的，可以實現(xiàn)各通道同步采樣，采樣間 隔為16us的倍數(shù)，即在16us、 32us、 48us、……、160000us范圍內(nèi)任意選擇，并且動態(tài)范圍 達(dá)到120dB。圖2中的采樣觸發(fā)控制電路 主要功能是觸發(fā)啟動采集系統(tǒng)進(jìn)行采樣，提供可供選擇 的四種觸發(fā)方式，包括內(nèi)觸發(fā)、外觸發(fā)、先斷后短觸發(fā)和先短后斷觸發(fā)。其是由觸發(fā)啟動接 口、前置觸發(fā)信號緩沖電路、觸發(fā)方式選擇電路、觸發(fā)閾值設(shè)置電路、觸發(fā)啟動比較電路和 后置觸發(fā)信號緩沖電路組成的，如圖6所示。其中，前置觸發(fā)信號緩沖電路是由雙向齊納擊 穿型瞬間過壓抑制器1SMB10CAT3系列器件(見圖6中的TVS1、 TVS2和TVS3)和雙高速 MOSFET驅(qū)動器TPS2813 (見圖6中的U12)組成的，其主要功能是抑制來自觸發(fā)啟動接口 的瞬間過壓和過流信號，以獲得正常觸發(fā)啟動信號。觸發(fā)方式選擇電路是由CMOS模擬多路 選擇開關(guān)器件CD4051 (見圖6中的U13)組成的，其主要功能是選擇四種不同觸發(fā)方式的觸 發(fā)信號。其中，內(nèi)觸發(fā)方式的觸發(fā)信號來自圖3中的U1N輸出，外觸發(fā)、先斷后短觸發(fā)和先 短后斷觸發(fā)方式的觸發(fā)信號來自觸發(fā)啟動接口 (見圖6中的JQD)，而觸發(fā)方式選擇控制信號 來自數(shù)據(jù)采集控制平臺(見圖2)。觸發(fā)閾值設(shè)置電路由兩個數(shù)字電位器X9313 (見圖6中的 U14和U16)，其主要功能是為觸發(fā)啟動比較器提供比較的正和負(fù)閾值電壓信號，數(shù)字電位器 的控制信號來自數(shù)據(jù)采集控制平臺。觸發(fā)啟動比較電路是由雙差分比較器LM2093 (見圖6 中的U15)組成的，其主要功能是獲得啟動采集系統(tǒng)采樣的觸發(fā)信號。后置觸發(fā)信號緩沖電 路是由兩個9013三極管(見圖6中的Tl和T2)組成的，其主要功能是實現(xiàn)電平和信號極性 轉(zhuǎn)換以及信號放大，并最終將啟動觸發(fā)信號提供給數(shù)據(jù)采集控制平臺(見圖2)。圖2所示的采集系統(tǒng)是由采樣板和采樣控制板組成的，采樣板內(nèi)置六通道模擬輸入電 路、、A/D轉(zhuǎn)換電路、采樣啟動觸發(fā)電路、采樣數(shù)據(jù)存儲器及其讀寫控制邏輯電路。采樣板與 采樣控制板之間接口是通過3個雙列直插插座(見圖13中的J1、 J3和J3B)，其主要功能是 插接采樣控制板，實現(xiàn)采樣板與采樣控制板在機械和電氣上連接。圖2中的采樣數(shù)據(jù)存儲器如圖14所示，其是由兩片256Kxl6高速CMOS SRAM芯片 IDT71V416S (見圖14中的U39和U40)組成的，其主要功能是保存數(shù)據(jù)采集控制平臺所采 集到六通道地震記錄數(shù)據(jù)，存放來自32位嵌入式系統(tǒng)平臺(主機板)的采集系統(tǒng)設(shè)置和控制 參數(shù)，并且實現(xiàn)32位嵌入式系統(tǒng)平臺(主機板)與數(shù)據(jù)采集控制平臺(采樣控制板)之間的 通信。圖2中的采樣數(shù)據(jù)存儲器讀寫控制邏輯電路如圖15所示，其是由8片具有方向引腳的八 總線三態(tài)收發(fā)器74LCX245 (見圖15中的U28、 U31、 U32、 U33、 tf34、 U35、 U36和U37)、 1片三態(tài)輸出的四總線緩沖器AM74HC1G125 (見圖15中的U30)和1片四個雙輸入與門 SN74HC08 (見圖15中的U29A、 U29B、 U29C和U29D)紐成的，其主要功能是實現(xiàn)32位 嵌入式系統(tǒng)平臺(主機板)對采樣數(shù)據(jù)存儲器(見圖14)的讀與寫控制。其中，U31、 U32、 U33和U34四片74LCX245組成32位嵌入式系統(tǒng)平臺(主機板)與采樣數(shù)據(jù)存儲器接口的 32位三態(tài)數(shù)據(jù)總線緩沖器，這四片74LCX245的一端(A端)與32位嵌入式系統(tǒng)平臺(主 機板)數(shù)據(jù)總線相連接，另一端(B端)與采樣數(shù)據(jù)存儲器(見圖14的U39和U40)的數(shù)據(jù) 總線連接，其數(shù)據(jù)傳輸方向控制是由來自32位嵌入式系統(tǒng)平臺(主機板)的讀控制信號并通 過U28輸出控制(見圖15中的DGPLAIO)，數(shù)據(jù)傳輸允許控制信號控制是由來自32位嵌入 式系統(tǒng)平臺(主機板)的片選控制信號并通過U30輸出控制(見圖15中的CS40)。 U35、 U36 和U37三片74LCX245組成32位嵌入式系統(tǒng)平臺(主機板)與采樣數(shù)據(jù)存儲器接口的24位 三態(tài)地址總線緩沖器，這三片74LCX245的一端(A端)與32位嵌入式系統(tǒng)平臺(主機板) 地址總線相連接，另一端(B端)與采樣數(shù)據(jù)存儲器(見圖14的U39和U40)的地址總線連 接，由于地址總線信號總是來自32位嵌入式系統(tǒng)平臺(主機板)，因此這三片74LCX245的 方向控制引腳DIR接3.3V電源(見圖15中的VCC_3.3)，地址信號傳輸允許控制信號控制 仍然由來自32位嵌入式系統(tǒng)平臺(主機板)的片選控制信號并通過U30輸出控制(見圖15 中的CS40)。 U28這一片74LCX245組成32位嵌入式系統(tǒng)平臺(主機板)與采樣數(shù)據(jù)存儲器 接口的讀寫控制總線，U28—端(A端)與32位嵌入式系統(tǒng)平臺(主機板)讀寫控制總線相 連接，另一端(B端)與采樣數(shù)據(jù)控制存儲器的讀寫控制邏輯電路(見圖15中U29A D)連 接，由于讀寫控制總線信號總是來自32位嵌入式系統(tǒng)平臺(主機板)，因此U28的方向控制 引腳DIR接3.3V電源(見圖15中的VCC—3.3)，讀寫信號傳輸允許控制信號控制仍然由來 自32位嵌入式系統(tǒng)平臺(主機板)的片選控制信號并通過U30輸出控制(見圖15中的CS40)。 U29A、 U29B、 U29C和U29D位于同一片SN74HC08的芯片內(nèi)，由其構(gòu)成了 32位嵌入式系 統(tǒng)平臺(主機板)與數(shù)據(jù)采集控制平臺(采樣控制板)對采樣數(shù)據(jù)存儲器的讀寫控制邏輯電 路。U29A的輸入信號CS40、 U29B的輸入信號DGPLAIO、 U29C的輸入信號DWE—L20和 U29D的輸入信號DWE_L00，分別與U30和U28的輸出相連接，這些信號來自32位嵌入式 系統(tǒng)平臺(主機板)控制總線的片選與讀寫控制信號；而U29A的輸入信號AD—SRAM—CS、 U29B的輸入信號AD_SRAM—RD、 U29C的輸入信號和U29D的輸入信號AD—SRAM—WE, 來自數(shù)據(jù)采集控制平臺(釆樣控制板)的控制總線的片選與讀寫控制信號；U29A、 U29B、 U29C和U29C的輸出信號分別與采樣數(shù)據(jù)存儲器(見圖14中的U39和U40)的片選信號引 腳(見U39和U40中的CS一n)連接、讀信號引腳(見U39和U40中的OE—n)連接和寫信 號引腳(見U39和U40中的WE—n)連接，從而形成了 32位嵌入式系統(tǒng)平臺(主機板)和 數(shù)據(jù)采集控制平臺(采樣控制板)對采樣數(shù)據(jù)存儲都可以讀寫的控制邏輯，實現(xiàn)了主機板和 采樣控制板對采樣數(shù)據(jù)存儲器的讀寫控制及其它們之間的數(shù)據(jù)通信。需要注意的是，在U28 和U29的輸出中分別連接有上拉電組R48、 R49、 R50和RN1，目的是保證其輸出信號在空閑時具有穩(wěn)定的信號電平。由于來自32位嵌入式系統(tǒng)平臺(主機板)的片選信號CS4需要 與9個芯片(見圖15中的U28 U39)連接，通過AM74HC1G125總線緩沖器(見U30)增 加其驅(qū)動能力，其輸出信號為CS40。圖2中的采集系統(tǒng)與主機系統(tǒng)接口如圖16所示。其中，JCYB1、 JCYB2和JREST是32 位嵌入式系統(tǒng)平臺(主機板)的總線接口插座，其實現(xiàn)主機板與采樣板的機械與電氣連接， 分別為采樣板和采樣控制板提供32位嵌入式系統(tǒng)平臺(主機板)的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控 制總線信號和I/0信號。JJ是采集系統(tǒng)(采樣板)與鍵盤接口的插座，此插座中信號線直接 與采樣板上的電源插座連接(見圖17中的JD連接)。其中，JJ插座中的控制信號SW0N1、 SWON2和SW0F1是電源開關(guān)與復(fù)位信號，其最原始的控制信號來自儀器面板PVC專用鍵 盤的電源控制鍵區(qū)，用于控制儀器電源的開、關(guān)和儀器系統(tǒng)的復(fù)位;JJ插座中的控制信號ASE、 PU和PD是TFT-LCD模塊LED背光亮度控制和保存信號，其最原始的控制信號來自儀器面 板PVC專用鍵盤的亮度控制鍵區(qū)，用于增加或減小LED背光的亮度以及保存LED背光的亮 度設(shè)置。JPOWER是采樣板與主機板連接的電源插座，儀器的電源系統(tǒng)通過此插座為主機板 提供+3.3和+5V電源，并且為主機板的電池監(jiān)測電路提供電池監(jiān)測信號。圖2中的采集系統(tǒng)與電源系統(tǒng)接口電路如圖17所示。其中，電源接口插座(見圖17中 的JD)為采樣板、采樣控制板、主機板和TFT-LCD模塊的LED背光提供+5V、 -5V、 +3.3V 電源和背光電源的電氣連接，并且為電源控制、背光控制和電池監(jiān)測提供控制與檢測信號。 此外，充電接口 (見圖17中的JC)與JD相關(guān)引腳直接連接，其為位于儀器面板上的充電接 口提供充電連接插座。圖17中的U22采用低壓差電壓調(diào)整器LT1763，其為采樣控制板上的 可編程片上系統(tǒng)芯片提供+1.5V電源。 二、采集系統(tǒng)的采樣控制板圖2中的基于可編程片上系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集控制平臺直接設(shè)計成一個獨立的采樣控制板， 此數(shù)據(jù)采集控制平臺框圖如圖7所示，其是由可編程片上系統(tǒng)(SOPC)芯片、時鐘發(fā)生電路、 串行Flash配置存儲器及其接口、直接配置SOPC接口、程序與數(shù)據(jù)存儲器、雙端口總線開 關(guān)電路和接口電路組成的，主要功能是完成采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集控制與數(shù)據(jù)存儲。圖7中的可編程片上系統(tǒng)(SOPC)芯片采用Cyclone FPGA系列的SOPC芯片EP1C20。 此SOPC芯片具有如下特性具有20060個邏輯元件(LEs)， 64個M4K RAM塊(每塊為 128x36位)共有294912RAM位(36864字節(jié))，支持通過低成本串行配置器件配置、支持 LVTTL、 LVCOMS、 SSTL-2和SSTTL-3 I/O標(biāo)準(zhǔn)、66-MHz 32位PCI標(biāo)準(zhǔn)以及低速(311Mbps) LVDS I/O， 2個可以提供時鐘倍頻和相移的鎖相環(huán)(PLL)，支持包括DDR SDRAM( 133MHz)、 FCRAM和單數(shù)據(jù)速率(SDR) SDRAM的外部存儲器，以及支持多種知識產(chǎn)權(quán)(IP)核(包 括NIOS-II 32位嵌入式處理器軟核在內(nèi)的多種Altera SOPC標(biāo)準(zhǔn)的IP核)，芯片為BGA封裝 并且提供301個用戶I/O引腳。本實用新型在圖7的SOPC芯片EP1C20內(nèi)嵌入了通用的32 位NIOS-II嵌入式處理器軟核、自行開發(fā)專用的高速數(shù)據(jù)采樣控制IP核和采樣數(shù)據(jù)存儲器讀 寫控制IP核，以及與外部器件的接口電路。圖7中的SOPC芯片是基于可編程片上系統(tǒng)的數(shù) 據(jù)采集控制平臺(采樣控制板)核心，也是整個采集系統(tǒng)核心。圖7中的SOPC芯片上各種接口電路如圖8所示。其中，U1A是S0PC芯片與其外接的 1MB SRAM程序與數(shù)據(jù)存儲器接口； U1B、 U1C和U1F是SOPC芯片與位于采樣板上的采 樣數(shù)據(jù)存儲器接口，此外UlF還提供了一些擴展I/0口； U1E是SOPC芯片與其外界時鐘和 配置電路接口； U1D是S0PC芯片的電源接口電路。SOPC芯片統(tǒng)通過這些接口與外部電路 建立電氣上連接。圖7中的時鐘發(fā)生電路、串行Flash配置數(shù)據(jù)存儲器及其接口，以及直接配置SOPC接 口電路如圖9所示。其中，時鐘發(fā)生電路采用的是50MHz時鐘振蕩器(見圖9中的Y2)，此 振蕩器輸出經(jīng)過RP3限流電組后直接與SOPC芯片的時鐘引腳相連接，經(jīng)過SOPC芯片內(nèi)部 的鎖相環(huán)(PLL)電路倍頻后獲得100MHz時鐘信號，作為SOPC芯片上的NIOS-II嵌入式 處理器和其它IP核和電路的主頻。串行Flash配置數(shù)據(jù)存儲器采用SOPC芯片專用的基于Flash 低成本的配置芯片EPCS4 (容量為512KB)，其主要功能是用于保存SOPC芯片的配置數(shù)據(jù) 和啟動引導(dǎo)程序。EPCS4支持在系統(tǒng)編程，新的配置數(shù)據(jù)可以在Altera Quartus II集成開發(fā)系 統(tǒng)支持下，通過Altera公司的USB Blaster、 EthemetBlaster或ByteBlaster II下載電纜和位于 采樣控制板上配置接口 (見圖9中的J28)下載到EPCS4芯片中。此外，也可以通過圖9中 的直接配置接口 (見圖9中的J24)對SOPC芯片進(jìn)行配置。在配置過程中，可以通過配置控 制指示(見圖9中的LED1) 了解配置情況。圖7中的1MB SRAM程序與數(shù)據(jù)存儲器如圖10所示，其是由兩片256Kxl6高速CMOS SRAM芯片IDT71V416S組成的(見圖10中的U7和U8)，其主要功能是存儲SOPC芯片內(nèi) 嵌的32位NIOS-II嵌入式處理器的程序和采樣控制過程中的數(shù)據(jù)。圖7中的雙端口總線開關(guān)電路如圖11所示，其是由7片10位雙端口總線開關(guān)器件 PI5C3384組成的(見圖11中的U9、 U10、 Ull、 U12、 U13、 U14和U15)，其主要功能是實 現(xiàn)3.3V與5V之間的電平轉(zhuǎn)換。圖7中的采樣數(shù)據(jù)存儲器接口、電源接口和其它擴展I/O接口如圖12所示。圖12中的 Jl、 J3和J3B是采樣控制板與采樣板的接口，其主要功能是實現(xiàn)采樣控制板與采樣板的機械 和電氣上的連接。J4是其它I/0接口，其主要功能是提供擴展的I/0接口。 三、主機系統(tǒng)的主機板本實用新型的主機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖18所示，其是由基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)32位嵌入 式處理器(MPC823e)的嵌入式系統(tǒng)平臺、人機接口 (專用鍵盤和TFT-LCD模塊)和機-機 接口 (基于USBHUB的機-機通信轉(zhuǎn)接盒)組成的，主要功能是實現(xiàn)地震記錄數(shù)據(jù)顯示與處 理，以及人機交互和地震記錄數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)存，是儀器的主體關(guān)鍵部分。圖18中的PowerPC體系結(jié)構(gòu)的MPC823e 32位嵌入式處理器電路如圖19所示。其中， U0為MPC823e 32位嵌入式處理器，是一款集成有基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)32位嵌入式處理 器核、帶有DSP功能的RISC體系結(jié)構(gòu)32位微控制器、LCD控制器、I2C控制器、以太網(wǎng)控 制器、SPI控制器和UART控制器的先進(jìn)的低功耗嵌入式處理器，其不僅可以滿足淺層地震 勘探儀器地震記錄數(shù)據(jù)顯示與處理需要，并且還可以滿足淺層地震勘探儀器需要快速進(jìn)行數(shù) 字濾波處理的要求。由于在單個處理器芯片上已經(jīng)集成了淺層地震勘探儀器所需要外圍接口15電路，因此可以使主機板上芯片數(shù)量降到最低，使主機系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)，從而達(dá)到 降低主機系統(tǒng)的功耗。圖18中的實時時鐘電路、電池監(jiān)測電路和1/0 口擴展電路如圖20所示。其中，實時時 鐘電路是由32.768KHz振蕩器(見圖20中的CY1)、 I2C總線接口實時時鐘器件PCF8563 (見 圖20中的U9)、帶有電池監(jiān)視器3V非易失性控制器DS1314 (見圖20中的U10)和鈕扣電 池(圖20中的JDIANCH1接鈕扣電池)組成的，其主要功能是為儀器提供實時時鐘及其后 備電池監(jiān)測。U9的I2C信號線直接與MPC823e處理器(見圖19中的U0)的I2C控制器接 口引線連接，U10的電池電壓監(jiān)測輸出信號與MPC823e處理器(見圖19中的U0)的一個中 斷線連接。電池監(jiān)測電路是由帶有串行接口的8位A/D轉(zhuǎn)換器TLC0831 (見圖20中的U0831) 組成的，其功能是監(jiān)測儀器電源系統(tǒng)中的鋰電池電壓，并且將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，通過串行接 口和I/0擴展電路(見圖20中的U/1/0)的I2C總線與MPC823e處理器(見圖19中的U0) 連接。I/O擴展電路是由I2C總線遠(yuǎn)程8位I/O擴展器件PCF8574 (見圖20中的U/1/O)組成， 其主要功能是為電池監(jiān)測電路、背光控制電路、以態(tài)網(wǎng)收發(fā)驅(qū)動電路和電源開關(guān)電路控制提 供擴展I/0口線。圖18中的總線驅(qū)動電路如圖21所示，其是由8片具有方向引腳8總線收發(fā)器74LCX245 組成的(見圖21中的U1、 U2、 U3、 U4、 U5、 U6、 U7和U8)，其主要功能是增加MPC823e 處理器(見圖19中的U0)的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線的驅(qū)動能力。其中，Ul、 U2 和U3組成MPC823e(見圖19中的U0)的地址總線驅(qū)動器，U5、 U6、 U7和U8組成MPC823e (見圖19中的U0)的數(shù)據(jù)總線驅(qū)動器，U4組成MPC823e (見圖19中的U0)控制總線的 讀寫總線驅(qū)動器。數(shù)據(jù)總線驅(qū)動器的數(shù)據(jù)傳輸方向控制是由U4輸出的讀信號線DGPLA1控 制的。圖18中的32MB 128MB SDRAM存儲系統(tǒng)電路如圖22所示，其主要是由4片MT48LC 系列SDRAM存儲芯片組成的(見圖22中的U12、 U13、 U14和U15)，主要功能是作為主 機系統(tǒng)內(nèi)存。若U12、 U13、 U14和U15采用的是MT48LC32M16A2TG，貝U SDRAM存儲系 統(tǒng)的總?cè)萘繛?56MB;若U12、U13、U14和U15采用的是MT48LC16M16A2TG，則SDRAM 存儲系統(tǒng)的總?cè)萘繛?28MB;若U12、 U13、 U14和U15采用的是MT48LC8M16A2TG，則 SDRAM存儲系統(tǒng)的總?cè)萘繛?4MB;若U12、U13、U14和U15采用的是MT48LC4M16A2TG， 則SDRAM存儲系統(tǒng)的總?cè)萘繛?2MB。這些芯片的類型選擇是通過兩個撥碼開關(guān)實現(xiàn)的(見 圖22中的RN1和RN2)。 SDRAM芯片的工作時鐘是由MPC823e的輸出時鐘信號CLKOUT (見圖19中的U0),并通過零延時緩沖CY2305 (見圖22中的U11)提供的。需要注意的是， SDRM存儲器的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線是與MPC823e處理器(見圖19中的U0)直 接接口，并不是來自圖21所示的總線驅(qū)動電路。圖18中的16MB-64MB Flash存儲器系統(tǒng)電路如圖23所示，在儀器中其是以一塊獨立的 Flash存儲卡形式出現(xiàn)，以便儀器維護(hù)和系統(tǒng)升級時更換。Flash存儲卡是由4片28FxxxJ3系 列芯片(見圖23中的U1、 U2、 U3和U4)和一個雙列直插插頭(見圖23中的JFlash)組成 的，主要功能是保存主機的軟件系統(tǒng)和地震記錄數(shù)據(jù)。若Ul、 U2、 U3和U4采用的是28F128J3A,則Flash存儲卡的容量為64MB;若U1、 U2、 U3和U4采用的是28F640J3A， 則Flash存儲卡的容量為32MB;若U1、 U2、 U3和U4采用的是28F320J3A，則Flash存儲 卡的容量為16MB。圖23中的JFlash接插件是Flash存儲卡與主機板實現(xiàn)電氣和機械連接的 橋梁。圖18中的LCD顯示接口和專用鍵盤接口電路如圖24所示，其主要功能是為儀器的彩色 圖形液晶體顯示器和專用鍵盤提供接口 。由于MPC823e嵌入式處理器芯片(見圖19中的U0) 內(nèi)置有LCD控制器，因此在主機板上的LCD接口電路比較簡單(見圖24中的JLCD和 RNLCD)。本實用新型采用的LCD顯示器是800x600分辨率彩色TFT-LCD模塊 LQ104S1DG21，圖24中所提供的JLCD接口可以直接與此TFT-LCD模塊直接連接。但是， 由于LQ104S1DG21具有三基色(R、 G和B) 18條顯示數(shù)據(jù)信號線，而MPC823e內(nèi)置的LCD 控制器只有三基色(R、 G禾QB) 12條顯示數(shù)據(jù)信號線，因此在圖24中增設(shè)了RNLCD接口 插座，以便將LQ104S1DG21的三基色多出6條顯示數(shù)據(jù)線接地或接電源，通常采用直接接 地方式。圖24中的鍵盤接口電路采用兩片I2C總線遠(yuǎn)程8位I/O擴展器件PCF8574 (見圖24 中的U36和U37)。圖24中的RPZ2和RPZ2A是鍵盤接口上拉排阻，其可以保證鍵盤掃描時 的按鍵信號電平穩(wěn)定。圖24中的JKEY插座與位于儀器面板上的鍵盤接口連接，其最大可以 連接64個數(shù)字字符鍵和功能鍵，但是本實用新型在儀器實際只使用32個鍵。按鍵中斷信號 接口電路采用的是74HC73中的一個JK觸發(fā)器(見圖20中的UJA)，其輸出直接與MPC823e 嵌入式處理器(見圖19中的U0) —個中斷口線相連。圖18中的以太網(wǎng)接口電路、USB接口電路和機-機通信接口如圖25所示，其主要功能是 為儀器的以太網(wǎng)絡(luò)和USB通信提供接口。由于MPC823e芯片(見圖19中的U0)已經(jīng)提供 了 10Mbps的以太網(wǎng)通信控制器，因此只需要外接以太網(wǎng)通信收發(fā)器就可以構(gòu)成以太網(wǎng)通信 電路。圖25中的以太網(wǎng)通信收發(fā)器采用通用10BASE-T收發(fā)器LXT905 (見圖25中的U24)， 其時鐘信號由20MHz時鐘振蕩器提供(見圖25中的OSC2)。由于MPC823e芯片(見圖19 中的U0)已經(jīng)提供了 1.1版本的USB控制器，因此只需要外接USB通信收發(fā)器就可以構(gòu)成 USB通信電路。圖25中的USB通信收發(fā)器采用通用串行總線收發(fā)器PDIUSBPllA (見圖25 中的U25)。機-機通信接口釆用的20芯插座(見圖25中的JWAISHE)，其可以與位于儀器 面板上的轉(zhuǎn)接口直接連接，儀器面板上的轉(zhuǎn)接口與儀器的標(biāo)準(zhǔn)配件——具有USB HUB的機-機通信轉(zhuǎn)接盒連接。圖18中的調(diào)試與測試接口電路以及串行監(jiān)控接口電路如圖26所示，其主要功能是為主 機系統(tǒng)提供調(diào)試與測試接口。由于MPC823e芯片(見圖19中的U0)已經(jīng)提供了 UART控 制器，因此只需要外接RS232串行收發(fā)器就可以構(gòu)成主機板串行監(jiān)控接口電路。圖26中的 串行接口電路是由RS232收發(fā)器、瞬變電壓抑制器和RS232插座組成的。其中，RS232收發(fā) 器采用具有±15kV ESD保護(hù)的RS232收發(fā)器MAX3225ECAP (見圖26中的U23 )，瞬變電壓 抑制器采用SMAJ13CA (見圖26中的TV1、 TV2、 TV3禾Q TV4)， RS232插座采用的是9芯 的梯形插座，可以直接與BDI2000硬件調(diào)試器和PC機接口。由于MPC823e芯片(見圖19 中的UO)已經(jīng)提供了用于芯片和電路板測試的JTAG控制器，因此主機系統(tǒng)的調(diào)試與測試接口電路相對簡單。圖26中的PDEBUG插座為調(diào)試接口 ，其可以直接與BDI2000硬件調(diào)試器 連接。圖26中的PTAP插座為測試接口，可以與電路板測試裝置直接接口。圖18中的電源電路、復(fù)位電路和時鐘電路如圖27所示。主機系統(tǒng)電源電路是由主機系 統(tǒng)調(diào)試電源電路、PLL電源電路和電源開關(guān)電路組成的。其中，主機系統(tǒng)調(diào)試電源電路是由 線性電壓調(diào)整器和電源插座組成的，其主要功能是將輸入5V電源電壓變成3.3電源電壓供主 機系統(tǒng)的3.3V器件使用。線性電壓調(diào)整器采用3A線性電壓調(diào)整器CS5203A (見圖27中的 RGO)，電源插座采用圓柱狀的電源插座(見圖27中的P5V)。需要注意的是，主機系統(tǒng)調(diào)試 電源電路只是在主機板開發(fā)調(diào)試時使用，正式產(chǎn)品中去掉此電路改由儀器的電源系統(tǒng)供電。 由于MPC823e芯片(見圖19中的U0)中的PLL電路供電電壓的穩(wěn)定性直接影響到主機系 統(tǒng)主頻的穩(wěn)定性，因此在MPC823e的PLL電路電源供電引腳添加了 LC電路(見圖27中的 Ll、 C6、 C6A、 CT13和CF36組成的電路)來保證供電電壓穩(wěn)定。電源開關(guān)電路是由與非門 SN74HC04 (見圖27中的U17)和單通道電源分配開關(guān)器件MIC2025 (見圖27中的U16) 組成的，其主要是為主機板上外圍接口器件提供可關(guān)掉的供電電路，電源開關(guān)電源的控制信 號來自I/0口擴展電路(見圖20中的U/0/1)。由于MPC823e處理器(見圖19中的U0)具 有三種不同類型的復(fù)位引腳，即上電復(fù)位、硬件復(fù)位和軟件復(fù)位，因此在圖27中設(shè)計了上電 復(fù)位和軟硬件復(fù)位電路。其中，上電復(fù)位電路是由具有上拉輸出的復(fù)位器件DS1815 (見圖 27中的U20)組成的，其為MPC823e處理器提供上電復(fù)位信號；軟硬件復(fù)位電路是由具有 按鈕功能的雙復(fù)位器件DS1834 (見圖27中的U22)組成的，其為MPC823e處理器提供硬件 和軟件復(fù)位信號，軟硬件復(fù)位電路的控制信號是由儀器面板上的復(fù)位按鈕通過鍵盤接口 (見 圖24中的JKEY)提供的。主機系統(tǒng)的時鐘電路是由主時鐘電路、輔時鐘電路和USB時鐘電 路組成的。其中，主時鐘電路是由8MHz時鐘振蕩器(見圖27中的OSC1)組成的，其為 MPC823e處理器提供主時鐘信號，經(jīng)過處理器內(nèi)部的PLL倍頻電路獲得了 64MHz主頻時鐘 信號。輔時鐘電路是由32.768KHz晶體振蕩器(見圖27中的CY2)和若干個阻容器件組成 的，其為MPC823e處理器低功耗模式時提供時鐘。USB時鐘電路是由48MHz時鐘振蕩器(見 圖27中的OSCJJSB)組成的，其為MPC823e處理器內(nèi)部的USB控制器提供時鐘信號。圖18中的主機系統(tǒng)與Flash卡和采集系統(tǒng)接口如圖28所示。圖28中的JCYB1、 JCYB2 和JREST是主機板與采樣板的接口插件，其主要功能是實現(xiàn)主機板與采樣板的電氣與機械連 接。圖28中的JFlash是主機板與Flash卡的接口插件，其主要功能是實現(xiàn)Flash卡與主機板 的電氣與機械連接。 四、主機系統(tǒng)的機-機通信轉(zhuǎn)接板圖18中的基于USB HUB的機-機通信轉(zhuǎn)接盒是本實用新型的標(biāo)準(zhǔn)配件，轉(zhuǎn)接盒內(nèi)置的機 -機通信接口電路板，其與主機板、TFT-LCD模塊和帶有專用鍵盤的PVC面板儀器構(gòu)成了具 有通信功能的完整主機系統(tǒng)。機-機通信接口電路如圖29所示，其是由USBHUB、電源電路 和若干個插座組成的，其主要功能是為儀器與PC機、U盤和USB鍵盤提供接口。圖29中的 USB HUB采用USB 2.0低功耗HUB控制器GL850A (見圖29中的Ul )，此HUB器件可以 提供四個USB接口，本實用新型使用了兩個USB接口。圖29中的JDB接口提供來自儀器18主機板的以太網(wǎng)和USB通信信號，JLAN接口采用的是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)絡(luò)RJ45接口插座，USB2 接口采用具有雙USB接口的標(biāo)準(zhǔn)USB接口插座，JPower接口采用圓柱狀的電源插座。電源 電路是由3A線性電壓調(diào)整器CS5203A (見圖29中的RG0)和若干LC器件組成的，其主要 功能是將5V的電源輸入變成3.3V電源輸出，為USB HUB芯片提供3.3V電源和機-機通信 轉(zhuǎn)接盒外接的U盤和USB鍵盤提供5V電源。需要注意的是，機-機通信轉(zhuǎn)接盒的電源是由 外接 220V交流輸入5V直流輸出的電源適配器提供的，而不是由儀器內(nèi)部的電源系統(tǒng)提供， 因此機-機通信轉(zhuǎn)接盒只允許在室內(nèi)使用而不能用于現(xiàn)場。 五、儀器內(nèi)置的電源系統(tǒng)本實用新型儀器內(nèi)置的電源系統(tǒng)是由鋰電池組、本安型電源系統(tǒng)電路和充電接口組成的 (如圖30所示)，其主要功能是為儀器的采樣板、采樣控制板和主機板提供+5V、 -5V和+3.3V 穩(wěn)定的電源，以及為TFT-LCD模塊提供1.2-3.2V可調(diào)的LED背光電源。儀器內(nèi)置的電源系 統(tǒng)框圖如圖30所示，其電路圖如圖31所示。圖31中所示電池電路是由7.4V/10Ah鋰電池組、限流電組和充電電路組成的，其主要功 能是為儀器提供煤礦本安型供電電源。其中，7.4V/10Ah鋰電池組由2塊3.7V/10Ah鋰電芯 串接成的；限流電阻采用安裝有散熱片1.5Q/50W繞線電阻器(見圖30中的RP1)，此龜阻 器背面涂有非硅脂強力散熱膏，直接安裝在電池盒內(nèi)；充電電路是由2只3A的功率二極管 IN5822并聯(lián)組成的，充電電源直接來自儀器標(biāo)準(zhǔn)配件專用充電器。整個電池電路安裝在電池 盒內(nèi)，并且半流淌型單組分室溫固化有機硅焦HT901罐封，以便保護(hù)、密封和加固電池電路。儀器內(nèi)置的電源系統(tǒng)電路是由電池接口、電源開關(guān)控制電路、采樣板+5V電源電路、采 樣板-5V電源電路、采樣板+3.3￥電源電路、主機板與采樣控制板+3.3V電源電路、主機板與 采樣控制板+5V電源電路、LCD顯示器的LED可調(diào)背光電源電路、電源板與釆樣板接口組 成的分布式電源(如圖30所示)，其主要功能是為儀器的采樣板、采樣控制板、主機板和 TFT-LCD模塊提供所需要的穩(wěn)定電源。整個分布式電源系統(tǒng)設(shè)計成一塊獨立的電源板，并且 電源板固定在電池盒上。圖30中的電池接口采樣4芯電源插座(見圖31中的JB)，其主要 功能是實現(xiàn)電池電路與電源板的電氣連接。圖30中的電源控制開關(guān)電路是由小型功率繼電 器、三極管、二極管和若干阻容元件組成的(見圖31)，其主要功能是打開與關(guān)閉電池電路 與電源系統(tǒng)連接，實現(xiàn)儀器的開機與關(guān)機。電源控制開關(guān)電路的開與關(guān)控制信號來自儀器面 板的電源控制鍵區(qū)的"開"與"關(guān)"按鍵。圖31中的電源開關(guān)電路所使用的電源開關(guān)繼電器 為小型功率繼電器G6C1114P-UL (見圖31中的JQ1-5.0V)。圖30中的采樣板+5V電源電路 是由DC-DC變換器MAX710組成的(見圖31中的U1),其主要是為采集系統(tǒng)的六通道模擬 輸入電路和A/D轉(zhuǎn)換電路提供隔離穩(wěn)定的+5V模擬電路電源，以便保證采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集 精度。圖30中的采樣板-5V電源電路是由DC-DC變換器MAX764組成的(見圖31中的U4)， 其主要是為采集系統(tǒng)的六通道模擬輸入電路和A/D轉(zhuǎn)換電路提供隔離穩(wěn)定的-5V模擬電路電 源，以便保證采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度。圖30中的采樣板+3.3V電源電路是由1.5A低噪音 快速變化響應(yīng)LDO電壓調(diào)整器LT1963AEQ-3.3組成的(見圖31中的U3)，其主要功能是為 采樣板的A/D轉(zhuǎn)換電路和啟動觸發(fā)電路提供穩(wěn)定的+3.3V電源。圖30中的主機板與采樣控制板+3.3V電源電路也是由1.5A低噪音快速變化響應(yīng)LDO電壓調(diào)整器LT1963AEQ-3.3組成的 (見圖31中的U5)，其主要功能是為主機板、采樣控制板和采樣板的采樣存儲器及其讀寫控 制電路提供穩(wěn)定的+3.3V電源。圖30中的主機板與采樣控制板+5V電源電路是由DC-DC變 換器MAX710組成的(見圖31中的U2)，其主要功能是為主機板和采樣控制板提供隔離穩(wěn) 定的+5V電源。圖30中的LCD顯示器L2 3.2V可調(diào)LED背光電源電路是由1.5A低噪音快 速變化響應(yīng)LDO電壓調(diào)整器LT1963AEQ-3.3 (見圖31中的U8)、具有按鈕控制32檔數(shù)字電 位器X9511 (見圖31中的U9)和背光電源控制電路(見圖31中的T3)組成的，其主要功 能是為TFT-LCD模塊的LED背光電路提供1.2-3.2V可調(diào)電源，以便控制LCD顯示器亮度。 背光電源電路的LED背光亮度控制和亮度保存信號，直接來自儀器面板上的亮度控制鍵區(qū)的 "+"、 "_"和"存儲"鍵，而背光電源的開關(guān)控制信號來自主機板的I/O 口擴展電路(見圖20中的U/1/0)。圖30中的電源系統(tǒng)與采集系統(tǒng)的接口采用40引腳雙列直插插座(見圖31 中的JD)，其通過扁平電纜實現(xiàn)電源板與采樣板的電氣連接。上面所述的本安型電池電路與分布式穩(wěn)定電源系統(tǒng)電路組成了本實用新型的煤礦本安型 電源系統(tǒng)，并且整個電源系統(tǒng)安裝在密封的電池盒內(nèi)，以便保證電源系統(tǒng)的使用安全可靠性。
權(quán)利要求1. 一種高分辨率礦井地質(zhì)探測儀，包括顯示設(shè)備、參數(shù)設(shè)置設(shè)備、電源系統(tǒng)，其特征在于該儀器還包括有基于可編程片上系統(tǒng)SOPC數(shù)據(jù)采集控制平臺的六通道高速高分辨率淺層地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)32位嵌入式處理系統(tǒng)平臺的主機系統(tǒng)；所述的基于可編程片上系統(tǒng)SOPC數(shù)據(jù)采集控制平臺由可編程片上系統(tǒng)SOPC芯片、時鐘發(fā)生器電路、串行Flash配置數(shù)據(jù)存儲器及其接口、直接配置接口、配置控制指示電路、1MB SRAM程序數(shù)據(jù)存儲器、電源電路及其接口、雙端口總線開關(guān)電路、采樣數(shù)據(jù)存儲器接口和其它擴展接口組成的；可編程片上系統(tǒng)SOPC芯片內(nèi)嵌有通用NIOS-II 32位嵌入式處理器軟核、專用高速數(shù)據(jù)采集控制IP核和采樣數(shù)據(jù)存儲器讀寫控制IP核；所述的基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)32位嵌入式處理系統(tǒng)平臺由基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)的32位嵌入式處理器、總線驅(qū)動電路、SDRAM存儲系統(tǒng)、Flash存儲系統(tǒng)、LCD顯示接口、專用鍵盤接口電路、以太網(wǎng)接口電路、USB接口電路、機-機通信接口、電源電路、復(fù)位電路、時鐘電路、實時時鐘電路、電池檢測電路、I/O口擴展電路、調(diào)試與測試接口電路、串行監(jiān)控接口電路和采樣板接口組成；基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)的32位嵌入式處理器采用MPC823e處理器，總線驅(qū)動電路是由8片具有方向引腳的8位總線收發(fā)器組成的，SDRAM存儲系統(tǒng)是由4片SDRAM芯片組成的32MB～128MB容量隨機存儲系統(tǒng)，F(xiàn)lash存儲系統(tǒng)是由4片F(xiàn)lash存儲器芯片組成的16MB～64MB容量快閃存儲系統(tǒng)，專用鍵盤接口電路是由2片I2C總線遠(yuǎn)程8位I/O擴展芯片組成的64個鍵接口電路，以太網(wǎng)接口電路是由通用10BASE-T以太網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器組成的，USB接口電路是由USB通用串行總線收發(fā)器組成的，電源電路是由主機系統(tǒng)調(diào)試電源電路、PLL電源電路和電源開關(guān)電路組成的，復(fù)位電路是由具有上拉輸出的復(fù)位芯片和具有按鈕功能的雙復(fù)位芯片組成的上電復(fù)位和軟硬件復(fù)位電路，時鐘電路是由8MHz主時鐘電路、32.768kHz輔時鐘電路和48MHzUSB時鐘電路組成的，實時時鐘電路是由I2C總線接口實時時鐘芯片、具有電池監(jiān)測的控制器芯片和鈕扣電池組成的，電池檢測電路是由串行接口的8位A/D轉(zhuǎn)換器組成的，I/O擴展電路采用的是I2C總線遠(yuǎn)程8位I/O擴展芯片，串行監(jiān)控接口電路是由RS232串行收發(fā)芯片和瞬變電壓抑制器組成的。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率礦井地質(zhì)探測儀，其特征在于所述顯示設(shè)備為基于 LED背光800x600分辨率彩色TFT-LCD模塊的顯示器；所述參數(shù)設(shè)置設(shè)備為基于四個鍵區(qū)38個鍵的專 用PVC面板;所述的電源系統(tǒng)為基于鋰電池組的本安型電源系統(tǒng);所述的基于可編程片上系統(tǒng)SOPC 數(shù)據(jù)采集控制平臺獨立設(shè)計成采樣控制板，六通道高速高分辨率淺層地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獨立 設(shè)計成采樣板，基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)32位嵌入式處理系統(tǒng)平臺獨立設(shè)計成主機板。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高分辨率礦井地質(zhì)探測儀，其特征在于所述六通道高速高分辨率淺層地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由6個獨立的模擬輸入通道、觸發(fā)控制電路、采樣控制板接口、采樣數(shù)據(jù)存儲器及其讀寫控制邏輯電路、主機板接口和電源接口組成；每個模擬輸入通 道含有單分量檢波器接口、阻容隔離電路、程控放大電路、放大緩^電路和24位高速A/D轉(zhuǎn)換電路，所述程控放大增益檔設(shè)計為0dB、 24dB、 36dB和48dB， A/D轉(zhuǎn)換電路的采樣間 隔設(shè)計為16微秒的倍數(shù)；觸發(fā)控制電路含有觸發(fā)啟動接口、前置觸發(fā)信號緩沖電路、觸發(fā)方 式選擇電路、觸發(fā)閾值設(shè)置電路、觸發(fā)啟動比較電路和后置觸發(fā)信號緩沖電路，實現(xiàn)內(nèi)觸發(fā)、 外觸發(fā)、先斷后短觸發(fā)和先短后斷觸發(fā)四種可選觸發(fā)方式；采樣數(shù)據(jù)存儲器及其讀寫控制邏 輯電路含有2片256kBxl6高速CMOS SRAM、 8片具有方向引腳的八總線收發(fā)器、1片總線 緩沖器、1片四邏輯與門芯片和上拉電阻，采樣數(shù)據(jù)存儲器的容量為1MB。
專利摘要本實用新型涉及一種高分辨率礦井地質(zhì)探測儀，包括顯示設(shè)備、參數(shù)設(shè)置設(shè)備、電源系統(tǒng)，其特征在于該儀器還包括有基于可編程片上系統(tǒng)SOPC數(shù)據(jù)采集控制平臺的六通道高速高分辨率淺層地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)32位嵌入式處理系統(tǒng)平臺的主機系統(tǒng)，本實用新型可以構(gòu)成低功耗礦用本安型的淺層高分辨率淺層地震勘探儀器，用于探測礦井地質(zhì)和工程地質(zhì)構(gòu)造。具體地講，不僅可以超前探測礦井采煤工作面和掘進(jìn)工作面前方的地質(zhì)構(gòu)造；而且可以探測礦井巷道頂板和底板、兩側(cè)邦一定范圍內(nèi)的煤層和巖層的厚度和地質(zhì)構(gòu)造。此外，還可以用于道路路基和堤防缺陷探測。
文檔編號G01V1/40GK201110896SQ20072000748
公開日2008年9月3日 申請日期2007年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月2日
發(fā)明者林存志, 林學(xué)龍, 陳經(jīng)章 申請人:福州華虹智能科技開發(fā)有限公司