專利名稱：三維電阻率成像系統(tǒng)的硬件組成方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于地球物理勘探技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是應(yīng)用于資源與環(huán)境勘探技術(shù)領(lǐng)域 中的直流電法勘探技術(shù)，涉及一種三維電阻率成像系統(tǒng)的硬件組成方案。
背景技術(shù)：
早在19世紀(jì)初就開始用電法找礦以來，直流電法勘探技術(shù)發(fā)展了近200年。 自20世紀(jì)80年代高密度電法技術(shù)發(fā)展以來，電法勘探技術(shù)得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。 直流電法勘探技術(shù)主要以高密度電法為主的四種方法①高密度電阻率法一它采用三 電位電極系，包括溫納四極、偶極、微分三極裝置，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于 場地地質(zhì)調(diào)查，壩基及橋墩選址等，是目前主導(dǎo)電法勘探技術(shù)，但數(shù)據(jù)采集仍為串行。 ②高分辨地電阻率法一該方法起初用于探測軍事方面的洞體，后應(yīng)用到探測廢礦巷道、 巖溶等地下洞。③激發(fā)極化法一它是應(yīng)用最廣和效果最好的一類電法勘探方法，在找 水、找油方面取得了明顯的效果。不過儀器現(xiàn)場測量需要長時(shí)間觀測。④頻譜激電法 一又稱復(fù)電阻率法，在金屬礦床和油氣勘察方面取得了明顯的找礦效果，但對(duì)激電效 應(yīng)和電磁效應(yīng)的分離、激電異常的評(píng)價(jià)并未完全解決。
目前在直流電法勘探技術(shù)中，較常用、較先進(jìn)的儀器是高密度電法儀，它主要有
串行測量方式和并行測量方式兩種
串行測量方式采用了一次性布極，(1個(gè))主控制器通過RS485串行通訊總線對(duì)連接 在總線上的多個(gè)電極轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行控制，由電極轉(zhuǎn)換裝置自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多種電極組合，然后 主控制器再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集(有些主控制器還完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理等功能)。故串行測 量方式所用電纜線較少、質(zhì)量輕，攜帶、搬運(yùn)、布線方便，常用于野外工程作業(yè)?，F(xiàn) 在多數(shù)工程用的高密度電法儀就采用此方案；但由于每一對(duì)電極供電，只能有一對(duì)電 極測量電壓，其他電極處于空閑狀態(tài)，實(shí)際數(shù)據(jù)采集過程需要大量的時(shí)間去等待依次 供電切換和測量切換過程的循環(huán)。
并行測量方式也采用一次性布極，(1個(gè))主控制器通過RS485串行通訊總線對(duì)連接 在總線上的多個(gè)智能電極進(jìn)行控制,在智能電極上并行地連接有8個(gè)(有些是16個(gè)) 電極，由智能電極自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多種電極組合，智能電極同時(shí)還是一個(gè)小的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 設(shè)計(jì)有信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路(一般不超過16位)、單片機(jī)MCS51系統(tǒng)等，再 由智能電極完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、簡單處理，然后把數(shù)據(jù)通過RS485總線上傳給 主控制器。但由于采用了單片機(jī)及RS485總線，測量速度有限，電路復(fù)雜，成本高。
近十幾年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子器件的飛速發(fā)展，電法找礦已由高密度電法找礦逐步發(fā)展到三維電阻率成像找礦。三維電阻率成像系統(tǒng)一方面需要研 究合理的數(shù)學(xué)物理模型、數(shù)據(jù)處理方法、成像算法等(即軟件部分)，另一方面需要設(shè) 計(jì)具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、成像計(jì)算與顯示等功能的系統(tǒng) (即硬件部分)。故首先要確定三維電阻率成像系統(tǒng)的方案，設(shè)計(jì)出三維電阻率成像系 統(tǒng)的硬件系統(tǒng)。
1) 采用單一的RS485總線不適合于設(shè)計(jì)三維電阻率成像系統(tǒng)。由于不管是目前的
串行測量方式還是并行測量方式，都采用了爭一的RS485總線進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)傳輸， 其最長距離只有1200米范圍，數(shù)據(jù)傳輸速度較慢。而要設(shè)計(jì)三維電阻率成像系統(tǒng)，其 所需測量區(qū)域較大，數(shù)據(jù)點(diǎn)多，數(shù)據(jù)量大，因此整個(gè)測量過程將需要時(shí)間很長(幾小 時(shí)甚至幾十小時(shí))，環(huán)境變化(如溫度、濕度等)會(huì)對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，從而 造成所采集的數(shù)據(jù)更加復(fù)雜，進(jìn)行三維成像的理論解釋(數(shù)學(xué)反演)將很難成為可能。 因此單一的RS485總線不能用于設(shè)計(jì)成三維電阻率成像系統(tǒng)。
2) 采用硬件電路構(gòu)成的信號(hào)調(diào)理電路難于滿足三維電阻率成像系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)測量精 度和穩(wěn)定性、 一致性的要求。 一方面，由硬件構(gòu)成的信號(hào)調(diào)理電路一般包括一級(jí)50Hz 的低通濾波器和一級(jí)30Hz的低通濾波器，用于抑制工頻干擾。但元器件(運(yùn)算放大器、 電阻、電容等)的選擇及工作電源的穩(wěn)定性、對(duì)稱性等因素限制了數(shù)據(jù)測量精度，所 以其后面的A/D(或V/F)轉(zhuǎn)換電路一般不會(huì)超過16位。另一方面，由于元器件容易受 溫度、濕度等環(huán)境影響造成參數(shù)的漂移，以及長時(shí)間之后的參數(shù)漂移都對(duì)三維電阻率 成像系統(tǒng)造成影響。并且在并行測量方式中，每個(gè)通道都需要一路信號(hào)調(diào)理電路，這 會(huì)出現(xiàn)各個(gè)通道的不一致性帶來對(duì)測量精度影響，同時(shí)使得電路復(fù)雜化，可靠性下降。
3) 采用單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不能滿足三維電阻率成像系統(tǒng)對(duì)原始數(shù)據(jù)采 集和預(yù)處理的需要。 一方面，若把采集的原始數(shù)據(jù)直接傳送到計(jì)算機(jī)(上位機(jī))，這對(duì) 野外工作條件下的網(wǎng)絡(luò)總線要求非常高，基本上難實(shí)現(xiàn)。同時(shí)計(jì)算機(jī)要反演這些數(shù)據(jù) 并成像，其計(jì)算量非常大，個(gè)人計(jì)算機(jī)難于完成，可能需要工作站才能勝任。另一方 面，由于單片機(jī)主要面向控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的，其運(yùn)行速度及數(shù)據(jù)寬度(8位或16位) 使得它不可能完成三維電阻率成像系統(tǒng)對(duì)原始數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理任務(wù)。
4) 三維電阻率成像系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)能被用于科研應(yīng)用方案中和工程應(yīng)用方案中。 由于三維電阻率成像找礦是高密度電法找礦的創(chuàng)新發(fā)展，其中有了許多成熟、合理的 理論支持，能直接應(yīng)用于工程應(yīng)用中。同時(shí)，由于探測對(duì)象的多樣性、復(fù)雜性，故很 有必要進(jìn)一步研究、改進(jìn)、發(fā)展更合理的理論、數(shù)學(xué)模型、數(shù)據(jù)處理方法、成像算法 等，因此設(shè)計(jì)的三維電阻率成像系統(tǒng)的硬件組成方案和硬件系統(tǒng)要有較大的余地，能 應(yīng)用于科研應(yīng)用中。在這兩種應(yīng)用中，大的測量區(qū)域要求系統(tǒng)采用合理的方法和技術(shù)來提高數(shù)據(jù)采集的精度和分辨率。
所以三維電阻率成像系統(tǒng)對(duì)硬件系統(tǒng)提出更高要求，既要能實(shí)現(xiàn)串行或/和并行、 快速、高精度、高分辨率的數(shù)據(jù)采集，還要完成數(shù)據(jù)預(yù)處理的要求以及更快的數(shù)據(jù)傳
輸。近十幾年來半導(dǎo)體期間的飛速發(fā)展及高性能的嵌入式計(jì)算機(jī)(如ARM)芯片的應(yīng)
用，使得這一些要求成為可能，故提出本發(fā)明三維電阻率成像系統(tǒng)的硬件組成方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是要解決三維電阻率成像系統(tǒng)的硬件組成方案，它包括在科研應(yīng)用中的 硬件組成方案和在工程應(yīng)用中的硬件組成方案.
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案它采用CAN總線和RS485總線混合組網(wǎng)方法來組成硬 件系統(tǒng)，筆記本電腦1通過其USB接口和USB-CAN接口轉(zhuǎn)換卡2相連，然后連接到CAN 總線電纜5的一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，蓄電池組3經(jīng)過帶CAN接口的直流升壓電源裝置4,再接 到CAN總線電纜5的一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，CAN總線電纜5的其它每個(gè)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)數(shù)據(jù)采集子 站裝置6相連；在科研應(yīng)用方案中，每個(gè)數(shù)據(jù)采集子站裝置6和一根RS485總線電纜 7和一根并行測量電纜11相連，RS485總線電纜7的每個(gè)節(jié)點(diǎn)位置以及并行測量電纜 11的每根芯線和一個(gè)電極切換裝置8相連，每路最多可以連接60個(gè)電極切換裝置， 每個(gè)電極切換裝置8與一個(gè)極化電極9和一個(gè)非極化電極10相連;在工程應(yīng)用方案中， 每個(gè)數(shù)據(jù)采集子站裝置6和一根RS485總線電纜7相連，RS485總線電纜的每個(gè)節(jié)點(diǎn) 位置和一個(gè)電極切換裝置8相連，每路最多可以連接60個(gè)電極切換裝置8，每個(gè)電極 切換裝置8與一個(gè)極化電極9相連。
三維電阻率成像系統(tǒng)的基本原理是在一個(gè)較大的測量(平面)區(qū)域內(nèi)，按一定行 列方式設(shè)置好節(jié)點(diǎn)位置，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)位置布上l個(gè)電極。選擇其中2個(gè)電極作為供電 正極(A)、供電負(fù)極(B)， l個(gè)電極作為測量公共極(N)，從剩下的電極中依次選擇l 個(gè)電極作為測量采集極(M),測出測量公共極(N)、測量采集極(M)之間的電位差。 不改變供電正極(A)、供電負(fù)極(B)，再依次選擇其它l個(gè)電極作為測量公共極(N)， 從剩下的電極中依次選擇1個(gè)電極作為測量采集極(M)，測出測量公共極(N)、測量 采集極(M)之間的電位差。然后選擇另外2個(gè)電極作為供電正極(A)、供電負(fù)極(B)， 重復(fù)前面的測量過程，如此循環(huán)。系統(tǒng)再對(duì)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、處理、成像，就 得到測量區(qū)域內(nèi)的三維電阻率分布圖像。
數(shù)據(jù)采集子站裝置6在三維電阻率成像系統(tǒng)中，完成這幾個(gè)主要任務(wù)(l)通過連 接到CAN總線電纜5上，與筆記本電腦l進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，接收筆記本電腦l發(fā)來的命 令并解釋、執(zhí)行命令操作，還要把采集的數(shù)據(jù)上傳給筆記本電腦l;(2)通過連接到RS485 總線電纜7上，與電極切換裝置8進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，向它發(fā)送控制命令數(shù)據(jù)，控制它的切換；(3)數(shù)據(jù)采集為了對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和獲得較好測量結(jié)果(特別是在科研 應(yīng)用中)，需要具有較快的數(shù)據(jù)采集速度和測量精度；同時(shí)，還要能夠進(jìn)行串行數(shù)據(jù)采 集和并行數(shù)據(jù)采集，以滿足科研應(yīng)用和工程應(yīng)用要求；(4)數(shù)據(jù)預(yù)處理采用恰當(dāng)?shù)乃?法(軟件)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理(數(shù)字濾波)，每個(gè)測量通道就不需要采用復(fù)雜的信 號(hào)調(diào)理電路(硬件)，這樣可以避免各個(gè)數(shù)據(jù)采集子站裝置以及各個(gè)通道的元器件參數(shù) 的不一致性帶來對(duì)測量精度影響，同時(shí)使得電路簡單，提高系統(tǒng)的可靠性。因此，數(shù) 據(jù)采集子站裝置6要滿足以下幾個(gè)性能要求數(shù)據(jù)采集子站裝置6設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)的CAN總 線接口和RS485總線標(biāo)準(zhǔn)的接口；數(shù)據(jù)采集的速度要達(dá)到100KSPS以上，精度要達(dá)到 20Bits以上，如數(shù)據(jù)采集的速度達(dá)到125K SPS，精度達(dá)到24Bits，能夠?qū)﹄p極性電 壓信號(hào)進(jìn)行測量，具備8個(gè)以上輸入通道，還要具備串行數(shù)據(jù)采集和并行數(shù)據(jù)采集功 能；配置60MHz以上的32位嵌入式處理器，256KB的程序存儲(chǔ)器，256KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 器，測量公共極與所有的數(shù)據(jù)采集子站裝置接入，同一參考電位使得各個(gè)數(shù)據(jù)采集子 站裝置之間的測量精度具有一致性。
電極切換裝置8在三維電阻率成像系統(tǒng)中，通過連接到RS485總線電纜7上，與 數(shù)據(jù)采集子站裝置6進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，接收它發(fā)來的命令并解釋、執(zhí)行命令操作，控制 電極選擇的切換。由于在RS485總線電纜7和并行測量電纜11上，最多要連接60個(gè) 電極切換裝置，因此，電極切換裝置8要滿足以下幾個(gè)性能要求電極切換裝置8設(shè) 有RS485總線標(biāo)準(zhǔn)的接口，與RS485總線電纜和并行測量電纜相連；通過電極切換裝 置8實(shí)現(xiàn)RS485總線電纜的供電正極芯線、供電負(fù)極芯線和測量公共極芯線、測量采 集極芯線與極化電極或非極化電極的不同連通；連接在RS485總線電纜上的每個(gè)電極 切換裝置8的邏輯地址即通信地址和空間地址即節(jié)點(diǎn)位置能夠被系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別。
直流升壓電源裝置4在三維電阻率成像系統(tǒng)中的作用是在筆記本電腦l控制下， 把12V的直流電壓變成50V 800V的直流電壓，給被測量對(duì)象進(jìn)行供電。因此，直流 升壓電源裝置4要滿足以下幾個(gè)性能要求直流升壓電源裝置4設(shè)有CAN總線標(biāo)準(zhǔn)的 接口；能夠有16檔輸出電壓可以選擇，可以選擇電壓極性和供電方式，以適應(yīng)不同被 測量對(duì)象應(yīng)用需要。
本發(fā)明的有益效果在于①它綜合考慮了科研應(yīng)用方案中和工程應(yīng)用方案中對(duì)系 統(tǒng)的要求，特別是硬件系統(tǒng)留了豐富的資源余地，為科研應(yīng)用提供實(shí)現(xiàn)的可能。②它 采用CAN總線和RS485總線混合組網(wǎng)方法來組成硬件系統(tǒng)，使得測量(平面)區(qū)域最 大可達(dá)2KmX10Km。③由于數(shù)據(jù)采集子站裝置6與電極切換裝置8之間的數(shù)據(jù)通信只 是一些控制命令、狀態(tài)數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)量小，采用RS485總線能滿足要求。而筆記本電 腦1與數(shù)據(jù)采集子站裝置6之間的數(shù)據(jù)通信既有控制命令、狀態(tài)數(shù)據(jù)等，還有大量的采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量非常大，必須采用速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、性能較高的CAN總線才能 滿足要求。這樣整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比很高。④高性能的嵌入式處理器、高速高精度的采 樣芯片的應(yīng)用到數(shù)據(jù)采集子站裝置6，使得數(shù)據(jù)采集的整體性能大大提高。 在數(shù)據(jù)
采集子站裝置6中對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理(數(shù)字濾波技術(shù))，既省掉了復(fù)雜的
信號(hào)調(diào)理電路，提高了信號(hào)的信噪比，又大大減少了傳輸給筆記本電腦的數(shù)據(jù)量?！?br> 專門設(shè)計(jì)的帶CAN接口的直流升壓電源裝置能在筆記本電腦1控制下工作，提高了蓄 電池組3使用的效率，這對(duì)于野外應(yīng)用環(huán)境是有利的。


圖1、本發(fā)明實(shí)施例1在科研應(yīng)用中的三維電阻率成像系統(tǒng)硬件組成方案。 圖2、本發(fā)明實(shí)施例1在工程應(yīng)用中的三維電阻率成像系統(tǒng)硬件組成方案。 圖3、本發(fā)明實(shí)施例l數(shù)據(jù)采集子站裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖4、本發(fā)明實(shí)施例1測量公共極和公共電壓參考同時(shí)接入到多個(gè)數(shù)據(jù)采集子站裝 置的原理圖。
圖5、本發(fā)明實(shí)施例1電極切換裝置的原理圖。
圖6、本發(fā)明實(shí)施例1電極切換裝置的邏輯地址和空間地址的自動(dòng)識(shí)別原理圖。 圖7、本發(fā)明實(shí)施例1電極切換裝置在工程應(yīng)用中的應(yīng)用方案圖。 圖8、本發(fā)明實(shí)施例1電極切換裝置在科研應(yīng)用中的應(yīng)用方案圖。 圖9、本發(fā)明實(shí)施例1直流升壓電源裝置整體結(jié)構(gòu)圖。 圖10、本發(fā)明實(shí)施例1脈寬調(diào)制控制與功率驅(qū)動(dòng)電路示意圖。 圖11、本發(fā)明實(shí)施例1電壓選擇與控制電路示意圖。 圖12、本發(fā)明實(shí)施例l直流升壓電源裝置應(yīng)用連接圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1結(jié)合附圖作進(jìn)一步說明
在科研應(yīng)用方案中，如圖1所示，筆記本電腦1通過USB接口和USB-CAN接口轉(zhuǎn) 換卡2相連，然后連接到CAN總線電纜5的一個(gè)節(jié)點(diǎn)上。蓄電池組3經(jīng)過帶CAN接口 的直流升壓電源裝置4，接到CAN總線電纜5的一個(gè)節(jié)點(diǎn)上。CAN總線電纜5的其它每 個(gè)節(jié)點(diǎn)和1個(gè)數(shù)據(jù)采集子站裝置6相連。每個(gè)數(shù)據(jù)采集子站裝置6與RS485總線電纜 7和并行測量電纜11相連接。RS485總線電纜7的每個(gè)節(jié)點(diǎn)位置以及并行測量電纜11 中的每根芯線和1個(gè)電極切換裝置8相連，最多可以連接60個(gè)電極切換裝置8。每個(gè) 電極切換裝置8與1個(gè)極化電極9和1個(gè)非極化電極10相連接。在工程應(yīng)用方案中，如圖2所示，筆記本電腦1通過USB接口和USB-CAN接口轉(zhuǎn) 換卡2相連，然后連接到CAN總線電纜5的一個(gè)節(jié)點(diǎn)上。蓄電池組3經(jīng)過帶CAN接口 的直流升壓電源裝置4，接到C認(rèn)總線電纜5的一個(gè)節(jié)點(diǎn)上。CAN總線電纟l 5的其它每 個(gè)節(jié)點(diǎn)和1個(gè)數(shù)據(jù)采集子站裝置6相連。每個(gè)數(shù)據(jù)采集子站裝置6和RS485總線電纜 7相連接。RS485總線電纜7的每個(gè)節(jié)點(diǎn)和1個(gè)電極切換裝置8相連，最多可以連接 60個(gè)電極切換裝置8，每個(gè)電極切換裝置8與1個(gè)極化電極9相連接。
在三維電阻率成像系統(tǒng)中，筆記本電腦1作為上位機(jī)，通過操作三維電阻率成像 系統(tǒng)軟件，并經(jīng)過CAN總線和RS485總線混合網(wǎng)絡(luò)，與數(shù)據(jù)采集子站裝置6、電極切 換裝置8、直流升壓電源裝置4通信，完成對(duì)三維電阻率成像系統(tǒng)的硬件所有控制和 測量操作。最后根據(jù)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演、成像，結(jié)果保存在硬盤上。它可選用 市場上通用的筆記本電腦，配置優(yōu)于奔騰雙核T4200處理器、160G硬盤、2G容量內(nèi) 存、獨(dú)立顯卡，即可滿足。USB-CAN接口轉(zhuǎn)換卡2能夠把USB接口和CAN接口進(jìn)行相 互轉(zhuǎn)換，從而使得筆記本電腦1能夠接到CAN總線電纜5上，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。它可選 用廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司的USB-CAN接口轉(zhuǎn)換卡。蓄電池組3包括1個(gè) 12V/48AH的蓄電池，它給帶CAN接口的直流升壓電源裝置4供電，禾卩1個(gè)12V/24AH 的蓄電池，它經(jīng)過CAN總線電纜5、 RS485總線電纜7給數(shù)據(jù)采集子站裝置6和電極切 換裝置8供電。筆記本電腦l、 USB-CAN接口轉(zhuǎn)換卡2、蓄電池組3都可以直接從市場 購買得到。
數(shù)據(jù)采集子站裝置6以嵌入式微處理器LPC2294 (Ul)為核心，配備有256K SRAM 內(nèi)存IS61LV25616 (U3)， LPC2294 (Ul)通過CAN隔離變壓器CTM8251 (U4)與CAN 總線電纜接頭(P2)的5、 6腳相連，LPC2294 (Ul)通過MAX485芯片(U5)與RS485 總線電纜接頭(Pl)的5、 6腳相連，LPC2294 (Ul)與A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1258 (U6) 連接，電壓參考芯片REF5025 (U8)為ADS1258 (U6)提供參考電壓，主放大電路為運(yùn) 算放大器0P07 (U7)，它與ADS1258 (U6)跨接；RS485總線電纜接頭(Pl)的4腳接 到ADS1258 (U6)的一個(gè)輸入通道上，2腳接到ADS1258 (U6)的輸入公共通道上，3 腳通過由運(yùn)算放大器0P07組成的電壓跟隨器(U9)接到ADS1258 (U6)的另一個(gè)輸入 通道上；并行測量電纜接頭(P3)中每一個(gè)引腳都通過一個(gè)由運(yùn)算放大器0P07組成的 電壓跟隨器(U11)接到電子開關(guān)CD4501 (U10)上，電子開關(guān)CD4501 (U10)再接到 ADS1258 (U6)的其它輸入通道上；電源變換電路(U2)把從CAN總線電纜接頭(P2) 的3、 4腳輸入的12V直流電壓變成5V直流電壓，輸出到RS485總線電纜接頭(Pl) 的7、 8膽口上。
各數(shù)據(jù)采集子站裝置通過CAN總線電纜中的一根測量公共極芯線連接，并把測量公共極引到各數(shù)據(jù)采集子站裝置中，各數(shù)據(jù)采集子站裝置都是同時(shí)采集測量數(shù)據(jù)，在
測量時(shí)，各數(shù)據(jù)釆集子站裝置可采用串行或并行方式，RS485總線電纜中的測量公共 極芯線通過電極智能切換裝置與極化電極或非極化電極連通，然后再通過CAN總線電 纜中的測量公共極芯線把這個(gè)電極的電位接入到每個(gè)數(shù)據(jù)采集子站裝置上，作為測量 公共極，每個(gè)數(shù)據(jù)采集子站裝置都從RS485總線電纜或并行測量電纜所連接的極化， 或非極化的電極中選擇l個(gè)作為測量采樣極，進(jìn)行電壓的測量，即從RS485總線電纜 連接的極化或非極化的電極中選擇1個(gè)作為測量采樣極，或從并行測量電纜所連接的 極化或非極化的電極中選擇1個(gè)作為測量采樣極。
通過CAN總線電纜中的一根公共電壓參考芯線，為所有的數(shù)據(jù)采集子站裝置上的 提供完全一致的參考電壓，從而使得各個(gè)數(shù)據(jù)采集子站裝置之間的測量精度具有一致 性，保證了系統(tǒng)的測量精度和分辨率。
圖3中，數(shù)據(jù)采集子站裝置以嵌入式微處理器LPC2294 (Ul)為核心，配備有256K SRAM內(nèi)存IS61LV25616 (U3)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。LPC2294 (Ul)通過CAN隔離變壓器 CTM8251 (U4)與CAN總線電纜接頭(P2)的5、 6腳相連，實(shí)現(xiàn)CAN總線通信。LPC2294
(Ul)通過芯片MAX485 (U5)與RS485總線電纜接頭(Pl)的5、 6腳相連，實(shí)現(xiàn)RS485 總線通信。LPC2294 (Ul)與A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1258 (U6)連接，電壓參考芯片REF5025
(U8)為ADS1258 (U6)提供參考電壓，跨接在ADS1258 (U6)上的運(yùn)算放大器0P07 設(shè)計(jì)成放大倍數(shù)為IO倍的主放大電路(U7)。 ADS1258 (U6)設(shè)置成8個(gè)差分、雙極性 輸入模式，其中1個(gè)輸入通道接在RS485總線電纜接頭(Pl)的4腳上，通過測量取 樣電阻R0上的電壓來識(shí)別電極切換裝置連接在RS485總線電纜上的位置。RS485總線 電纜接頭(Pl)的2腳作為測量公共極接到ADS1258 (U6)上，RS485總線電纜接頭(Pl) 的3腳通過由運(yùn)算放大器0P07組成的電壓跟隨器(U9)接到ADS1258 (U6)的另l個(gè) 輸入通道上，作為測量采樣極(M)。并行測量電纜接頭(P3)中每一個(gè)引腳都通過由 運(yùn)算放大器0P07組成的電壓跟隨器(U11)接到電子開關(guān)CD4501 (U10)上，電子開 關(guān)CD4501 (U10)再接到ADS1258 (U6)的其它輸入通道上，作為測量采樣極(M)。電 源變換電路(U2)把從CAN總線電纜接頭(P2)的3、 4腳輸入的12V直流電壓變成 5V直流電壓，輸出到RS485總線電纜接頭(Pl)的7、 8腳上，給電極切換裝置供電。 它還把12V直流電壓變成5V、 土12V、 士3.3V直流電壓，為數(shù)據(jù)采集子站裝置供電。
如圖4所示，采用了 CAN總線電纜5中的一根芯線把公共測量極(N)引到三維電 阻率成像系統(tǒng)中的每個(gè)數(shù)據(jù)采集子站裝置6中，并且所有的數(shù)據(jù)采集子站裝置都是同 時(shí)采集數(shù)據(jù)(測量)。在測量時(shí)(串行或并行方式)，所有的電極切換裝置8中只有1 個(gè)(如接在第m塊數(shù)據(jù)采集子站裝置上的第n個(gè))電極切換裝置把電極9與RS485總線電纜7中的公共測量極芯線連通，然后再通過CAN總線電纜5中的公共測量極芯線 把這個(gè)電極的電位接入到每個(gè)數(shù)據(jù)采集子站裝置上，作為測量公共極(N)。每個(gè)數(shù)據(jù) 采集子站裝置都從RS485總線電纜或并行測量電纜所連接的(極化或非極化)電極中 選擇l個(gè)作為測量采樣極(M)，進(jìn)行電壓的測量。這樣在三維電阻率成像系統(tǒng)的布極 區(qū)域內(nèi)，同一時(shí)刻只有l(wèi)個(gè)電極是測量公共極(N)，每個(gè)數(shù)據(jù)采集子站裝置從所連的 電極中選擇l個(gè)電極作為測量采樣極(M)，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集(電壓的測量)，既大 大提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速度，又實(shí)現(xiàn)了真正意義上用直流電法進(jìn)行三維電阻率成像 的應(yīng)用。在CAN總線電纜5中還有一根公共電壓參考芯線，因?yàn)檫@根芯線上沒有電流 通過，所以為所有的數(shù)據(jù)采集子站裝置6上的電壓參考芯片REF5025 (U8)和ADS1258 (U6)提供完全一致的參考電壓，從而使得各個(gè)數(shù)據(jù)采集子站裝置之間的測量精度具 有一致性，提高了系統(tǒng)的測量精度和分辨率。
在圖3中，RS485總線電纜接頭(Pl)的9個(gè)引腳和RS485總線電纜中的9根芯線 是對(duì)應(yīng)的，其中l(wèi)腳對(duì)應(yīng)供電正極芯線，2腳對(duì)應(yīng)測量公共極芯線，3腳對(duì)應(yīng)測量采樣 極芯線，4腳對(duì)應(yīng)電極切換裝置位置識(shí)別芯線，5腳X寸應(yīng)RS485-A芯線，6腳對(duì)應(yīng)RS485-B 芯線，7腳對(duì)應(yīng)5V供電正極芯線，8腳對(duì)應(yīng)5V供電負(fù)極芯線，9腳對(duì)應(yīng)供電負(fù)極芯 線。CAN總線電纜接頭(P2)的8個(gè)引腳和CAN總線電纜中的8根芯線是對(duì)應(yīng)的，其 中l(wèi)腳對(duì)應(yīng)供電正極芯線，2腳對(duì)應(yīng)供電負(fù)極芯線，3腳對(duì)應(yīng)12V供電正極芯線，4腳 對(duì)應(yīng)12V供電負(fù)極芯線，5腳對(duì)應(yīng)CAN+芯線，6腳對(duì)應(yīng)CAN-芯線，7腳對(duì)應(yīng)公共電壓 參考芯線，8腳對(duì)應(yīng)測量公共極芯線。并行測量電纜接頭(P3)的60個(gè)引腳和并行測 量電纜的60根芯線相對(duì)應(yīng)，每一根都是測量采樣極芯線。
由于嵌入式微處理器LPC2294(U1 )是32位ARM7TDMI-S內(nèi)核的CPU，時(shí)鐘高達(dá)60腿z， 片內(nèi)含有256KB的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，外面配備有256K SRAM內(nèi)存IS61LV25616 (U3) 作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，這樣能滿足數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理的需要。它內(nèi)帶CAN接口、 UART串 口，分別接上CAN隔離變壓器CTM8251 (U4)和MAX485芯片(U5)，就具備符合標(biāo)準(zhǔn) 的CAN總線接口和RS485總線接口 ，能通過CAN總線和筆記本電腦通信以及通過RS485 總線和電極切換裝置通信。
數(shù)據(jù)采集(電壓測量)采用了 A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1258 (U6)，它是24位、8個(gè)雙極 性差分輸入通道、最快采集速度達(dá)125KSPS的低噪聲、低偏置、低溫漂、低功耗模數(shù) 轉(zhuǎn)換器，用于數(shù)據(jù)采集子站裝置中非常理想，能滿足三維電阻率成像系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集 的要求。由于在每個(gè)數(shù)據(jù)采集子站裝置之間，通過CAN總線電纜中的第7根電線提供 獨(dú)立的共同參考電位，因此電壓參考芯片REF5025 (U8)為ADS1258 (U6)提供參考電 壓就建立在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)上，這使得數(shù)據(jù)采集的精度有了保證。為了提高數(shù)據(jù)采集的精度和分辨率(精度)，在ADS1258 (U6)上跨接了 1個(gè)運(yùn)算放大器0P07 (U7)，把它設(shè)計(jì) 成放大倍數(shù)為IO倍的主放大電路。
在串行數(shù)據(jù)采集方式中，RS485總線電纜接頭(Pl)的3腳通過電壓跟隨器(U9) 接到ADS1258 (U6)的1個(gè)輸入通道上，作為測量采樣極。電壓跟隨器(U9)采用了 運(yùn)算放大器OP07來實(shí)現(xiàn)，其作用大大提高了輸入阻抗，就可基本上對(duì)輸入電壓沒有影 響了。在并行數(shù)據(jù)采集方式中，并行測量電纜接頭(P3)中每個(gè)引腳都通過電壓跟隨 器(U11)接到電子開關(guān)CD4501 (U10)上，電子開關(guān)CD4501 (U10)再接到ADS1258 (U6)的其它輸入通道上，作為測量采樣極。在某一時(shí)刻，只有l(wèi)個(gè)引腳的電壓加到 ADS1258上進(jìn)行測量，采用電子開關(guān)CD4501能夠大大提高切換速度(相對(duì)繼電器的切 換速度)，也就提高了數(shù)據(jù)采集速度。電壓跟隨器(U11)也采用了運(yùn)算放大器0P07 來實(shí)現(xiàn)，其作用大大提高了輸入阻抗，就可基本上對(duì)輸入電壓沒有影響了。 OP07是最 常用的運(yùn)算放大器，連接成電壓跟隨器的電路簡單(不需要外接電阻)，電路的離散性 非常小。
電極切換裝置8采用單片機(jī)AT89C2051 (U12)為核心，通過芯片MAX485 (U13) 和RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的2、 3腳相連，單片機(jī)AT89C2051 (U12)的6個(gè) 1/0腳和繼電器驅(qū)動(dòng)電路(U14)相連，驅(qū)動(dòng)6個(gè)繼電器(Kl、 K2、 K3、 K4、 K5、 K6) 的切換；繼電器(Kl)的1腳和RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的9腳相連，2腳和 RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的1腳相連，3腳和繼電器(K3)的1腳相連；繼電器
(K2)的1腳和RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的2腳相連，2腳和RS485總線電纜 輸入接頭(Pl)的3腳相連，3腳和繼電器(K3)的2腳相連；繼電器(K4)的1腳 和并行測量電纜輸入接頭(P4)相連，2腳和繼電器(K3)的3腳相連，3腳和繼電器
(K5)的3腳相連；繼電器(K5)的l、 2腳分別和電極接頭(P5)的1、 2腳相連； 繼電器(K6)的1腳懸空，2腳和RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的6腳相連，3腳和 RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的8腳相連；RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的7腳分 別與單片機(jī)AT89C2051 (U12)、芯片MAX485 (U13)、和繼電器驅(qū)動(dòng)電路(U14)的5V 電源負(fù)極相連，8腳分別與單片機(jī)AT89C2051 (U12)、芯片MAX485 (1)13)、和繼電器 驅(qū)動(dòng)電路(U14)的5V電源正極相連。
RS485總線電纜與電極智能切換裝置分開，以及邏輯地址即通信地址和空間地址即 節(jié)點(diǎn)位置的智能識(shí)別方法，在每個(gè)電極智能切換裝置中設(shè)定了一個(gè)16bit的2字節(jié)的 邏輯地址，來實(shí)現(xiàn)三維電阻率成像系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集子站裝置與多個(gè)電極智能切換裝置 之間的通信；在RS485總線電纜節(jié)點(diǎn)上，智能切換裝置位置識(shí)別芯線中依順序串聯(lián)連 接阻值相同的電阻R，來實(shí)現(xiàn)空間地址即節(jié)點(diǎn)位置的智能識(shí)別。采用單片機(jī)AT89C2051為核心，通過RS-485總線來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集裝置和多個(gè)電極 智能切換裝置之間的通信，從而控制繼電器來完成RS485總線電纜中的供電正極芯線、 供電負(fù)極芯線和測量公共極芯線、測量采集極芯線與極化電極或非極化電極的不同連 通，從而實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用或科研應(yīng)用中電極狀態(tài)切換需要.并且在RS485總線電纜上設(shè)置 一根電線，依順序串聯(lián)接上阻值相同的電阻，來把每個(gè)電極智能切換裝置的邏輯地址 (通信地址)和空間地址(節(jié)點(diǎn)位置)識(shí)別出來并對(duì)應(yīng)起來.
圖5中，電極切換裝置采用單片機(jī)AT89C2051 (U12)為核心，其UART串口和芯片 MAX485 (U13)相連，再和RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的5、 6腳相連，實(shí)現(xiàn)RS-485 通信。單片機(jī)AT89C2051 (U12)的6個(gè)I/O腳和繼電器驅(qū)動(dòng)電路(U14)相連，驅(qū)動(dòng)6 個(gè)繼電器(Kl、 K2、 K3、 K4、 K5、 K6)的切換.繼電器(Kl)的1腳和RS485總線電纜 輸入接頭(Pl)的9腳相連，2腳和RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的1腳相連，3 腳和繼電器(K3)的1腳相連。繼電器(K2)的1腳和RS485總線電纜輸入接頭(Pl) 的2腳相連，2腳和RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的3腳相連，3腳和繼電器(K3) 的2腳相連。繼電器(K4)的1腳和并行測量電纜輸入接頭(P4)相連，2腳和繼電 器(K3)的3腳相連，3腳和繼電器(K5)的3腳相連。繼電器(K5)的1腳和電極 接頭(P5)的1腳相連，繼電器(K5)的2腳和電極接頭(P5)的2腳相連。繼電器 (K6)的1腳懸空，2腳和RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的4腳相連，3腳和RS485 總線電纜輸入接頭(Pl)的8腳相連。RS485總線電纜輸入接頭(Pl)的7腳和單片 機(jī)AT89C2051 (U12)、芯片MAX485 (U13)、繼電器驅(qū)動(dòng)電路(U14)的5V電源負(fù)極相 連，8腳和單片機(jī)AT89C2051 (U12)、芯片MAX485 (U13)、繼電器驅(qū)動(dòng)電路(U14)的 5V電源正極相連。
使用時(shí)，在工程應(yīng)用中，如圖7所示，電極切換裝置8的RS485總線電纜輸入接 頭(Pl)接到RS485總線電纜7的一個(gè)節(jié)點(diǎn)位置上，極化電極9接到電極切換裝置8 的電極接頭(P5)的l腳上；在科研應(yīng)用中，如圖8所示，還需要把并行測量電纜ll 中的一根輸入芯線接到電極切換裝置的并行測量電纜輸入接頭(P4)上，非極化電極 10接到電極切換裝置8的電極接頭(P5)的2腳上。其中極化電極9為金屬電極，非 極化電極10為硫酸銅溶液電極。
電極切換裝置的切換原理是單片機(jī)AT89C2051 (U12)的UART串口通過RS485通 信接口芯片MAX485 (U13)進(jìn)行電氣標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，就能和RS485總線相連，來完成三維 電阻率成像系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集子站裝置6與電極切換裝置8之間的數(shù)據(jù)通信.單片機(jī) AT89C2051 (U12)在收到數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，然后通過繼電器驅(qū)動(dòng)電路(U14)， 來控制繼電器(Kl、 K2、 K3、 K4、 K5)的切換，從而完成RS485總線電纜7中的供電正極芯線、供電負(fù)極芯線和測量公共極芯線、測量采集極芯線與極化電極9或非極化
電極10的不同連通?；蛘邅砜刂评^電器(K6)的切換，來完成電極切換裝置的邏輯地 址和空間地址自動(dòng)識(shí)別.(l)電極切換裝置在上電后，單片機(jī)AT89C2051 (U12)的6個(gè) 1/0腳輸出高電平，繼電器驅(qū)動(dòng)電路(U14)截止，繼電器K1 K6都接通于1腳(常 閉觸點(diǎn))，此時(shí)極化電極和并行測量電纜中的某一根輸入芯線接通(在工程應(yīng)用中不使 用并行測量電纜，實(shí)際上是懸空的)；(2)當(dāng)繼電器K4接通于2腳(常開觸點(diǎn))而其它 繼電器接通于l腳，此時(shí)極化電極和供電負(fù)極芯線接通；(3)當(dāng)繼電器K1、 K4接通于 2腳而其它繼電器接通于1腳，此時(shí)極化電極和供電正極芯線接通；(4)當(dāng)繼電器K3、 K4接通于2腳而其它繼電器接通于1腳，此時(shí)極化電極和測量公共極芯線接通；(5)當(dāng) 繼電器K2、 K3、 K4接通于2腳而其它繼電器接通于l腳，此時(shí)極化電極和測量采集極 芯線接通；(6)當(dāng)繼電器K5接通于2腳而其它繼電器接通于1腳，此時(shí)非極化電極和 并行測量電纜中的某一根輸入芯線接通(只應(yīng)用于科研應(yīng)用方案中)；(7)當(dāng)繼電器K6 接通于2腳而其它繼電器接通于1腳，此時(shí)完成電極切換裝置的邏輯地址和空間地址 自動(dòng)識(shí)別.
為了應(yīng)用更加方便靈活，減輕電纜重量和減小其體積，特別是節(jié)點(diǎn)處的粗細(xì)程度 (大小)，提高電纜的使用壽命，降低更換電纜成本，應(yīng)該設(shè)計(jì)把RS485總線電纜與電 極切換裝置分開。并且，為了使用方便，要求任意一個(gè)電極切換裝置可以連接在RS485 總線電纜的任意節(jié)點(diǎn)位置上。為了做到這一點(diǎn)，如何自動(dòng)識(shí)別連接在同一根RS485總 線電纜上的電極切換裝置的邏輯地址(通信地址)和空間地址(節(jié)點(diǎn)位置)并對(duì)應(yīng)起 來就成為關(guān)鍵技術(shù)。
圖6中，9芯的RS485總線電纜中單獨(dú)設(shè)一根芯線作為空間地址識(shí)別芯線，然后這 根芯線與電極切換裝置連接位置上，依順序串聯(lián)接上阻值相同的電阻R， RS485總線 電纜一端連到數(shù)據(jù)采集子站裝置6上，且空間地址識(shí)別芯線通過數(shù)據(jù)采集子站裝置6 上的采樣電阻R0接到5V電源負(fù)極，利用數(shù)據(jù)采集子站裝置(F)上的電壓測量功能(相 當(dāng)于V表)測出RO上的電壓，便能實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。①要識(shí)別電極切換裝置的 邏輯地址。給電極切換裝置分配一個(gè)2個(gè)字節(jié)(只使用其中13位，還有3位預(yù)留)的 邏輯地址存儲(chǔ)于AT89C2051 (U12)中，每個(gè)電極切換裝置有唯一的邏輯地址(邏輯地 址也就是識(shí)別電極切換裝置的唯一身份編碼)，因此在一套三維電阻率成像系統(tǒng)中最多 可連接213(8192)個(gè)電極切換裝置和電極。首先上電后，數(shù)據(jù)采集子站裝置6通過RS485 總線電纜7給連接在該電纜上的所有電極切換裝置8發(fā)送一個(gè)廣播命令，要求每個(gè)電 極切換裝置8把自己的邏輯地址發(fā)送給數(shù)據(jù)采集子站裝置6。然后每個(gè)電極切換裝置8 延時(shí)邏輯地址(換算成數(shù)值)個(gè)基本時(shí)間(l個(gè)基本時(shí)間約lms)后，把邏輯地址數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集子站裝置6，這可以確保發(fā)送數(shù)據(jù)不沖突。最后數(shù)據(jù)采集子站裝置6
把收到的邏輯地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，并計(jì)算該條RS485總線電纜上的電極切換裝置的個(gè)
數(shù)。②要識(shí)別每個(gè)電極切換裝置的空間地址(節(jié)點(diǎn)位置)并建立起與邏輯地址的對(duì)應(yīng)
關(guān)系。首先，數(shù)據(jù)采集子站裝置6依據(jù)存儲(chǔ)的邏輯地址，向某個(gè)電極切換裝置(如其 邏輯地址為m)發(fā)送控制命令，電極切換裝置收到命令后，切換繼電器K6接通于2腳 而其它繼電器接通于1腳。然后，利用數(shù)據(jù)采集子站裝置6測出取樣電阻R0上的電壓 Un，并利用公式n^hx&計(jì)算出該電極切換裝置是連接在電纜的節(jié)點(diǎn)n處，也 就識(shí)別出邏輯地址位為m的電極切換裝置連接在電纜的空間地址(節(jié)點(diǎn)位置)節(jié)點(diǎn)n 處。再依次對(duì)每個(gè)電極切換裝置重復(fù)前面操作，就實(shí)現(xiàn)了把每個(gè)電極切換裝置的邏輯 地址(通信地址)和空間地址(節(jié)點(diǎn)位置)自動(dòng)識(shí)別出來并建立起對(duì)應(yīng)表。三維電阻 率成像系統(tǒng)也就能知道哪一個(gè)電極切換裝置連接在電纜的哪個(gè)節(jié)點(diǎn)位置。
RS485總線電纜中的9根芯線和RS485總線電纜接頭(Pl)的9個(gè)引腳是對(duì)應(yīng)的， 其中l(wèi)腳對(duì)應(yīng)供電正極芯線，2腳對(duì)應(yīng)測量公共極芯線，3腳對(duì)應(yīng)測量采樣極芯線，4 腳對(duì)應(yīng)電極切換裝置位置識(shí)別芯線，5腳對(duì)應(yīng)RS485-A芯線，6腳對(duì)應(yīng)RS485-B芯線， 7腳對(duì)應(yīng)5V供電正極芯線，8腳對(duì)應(yīng)5V供電負(fù)極芯線，9腳對(duì)應(yīng)供電負(fù)極芯線。其中 在RS485總線電纜節(jié)點(diǎn)上，電極切換裝置位置識(shí)別芯線中依順序串聯(lián)連接阻值相同的 電阻R。
電極切換裝置應(yīng)用于三維電阻率成像系統(tǒng)的步驟
(1)在工程應(yīng)用中，按圖7用一根的RS485總線電纜7把數(shù)據(jù)采集子站裝置6 和多個(gè)電極切換裝置8連接起來.在 一 根的RS485總線電纜上最多可以連接60個(gè)電極 切換裝置。再把極化電極9接到電極切換裝置8的電極接頭(P5)的l腳上；在科研 應(yīng)用方案中，按圖8用一根RS485總線電纜7和一根60芯并行測量電纜11把數(shù)據(jù)采 集子站裝置6與多個(gè)電極切換裝置8連接起來，其中電極切換裝置8的電極接頭(P5) 接到RS485總線電纜7上，并行測量電纜輸入接頭(P4)接到并行測量電纜11上。再 把極化電極9接到電極切換裝置8的電極接頭(P5)的1腳上，非極化電極10接到電 極切換裝置8的電極接頭(P5)的2腳上。
(2)識(shí)別電極切換裝置的邏輯地址。首先上電后，數(shù)據(jù)采集子站裝置6通過RS485 總線電纜7給連接在該電纜上的所有電極切換裝置8發(fā)送一個(gè)廣播命令，要求每個(gè)電 極切換裝置8把自己的邏輯地址發(fā)送給數(shù)據(jù)采集子站裝置6。然后每個(gè)電極切換裝置8 延時(shí)邏輯地址(換算成數(shù)值)個(gè)基本時(shí)間(l個(gè)基本時(shí)間約lms)后，把邏輯地址數(shù)據(jù) 發(fā)送給數(shù)據(jù)采集子站裝置6，這可以確保發(fā)送數(shù)據(jù)不沖突。最后數(shù)據(jù)采集子站裝置6 把收到的邏輯地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，并計(jì)算該條RS485總線電纜7上的電極切換裝置8的個(gè)數(shù)。
(3) 識(shí)別每個(gè)電極切換裝置的空間地址(節(jié)點(diǎn)位置)并建立起與邏輯地址的對(duì)應(yīng) 關(guān)系。首先，數(shù)據(jù)采集子站裝置6依據(jù)存儲(chǔ)的邏輯地址，向某個(gè)電極切換裝置8 (如
其邏輯地址為m)發(fā)送控制命令，電極切換裝置8收到命令后，切換繼電器K6接通于 2腳而其它繼電器接通于1腳。然后，利用數(shù)據(jù)采集子站裝置6上的電壓測量功能測
出RO上的電壓Un，并利用公式^ = ^><&計(jì)算出該電極切換裝置是連接在電纜的
節(jié)點(diǎn)n處，也就識(shí)別出邏輯地址位為ra的電極切換裝置8連接在電纜的空間地址(節(jié) 點(diǎn)位置)節(jié)點(diǎn)n處。再依次對(duì)每個(gè)電極切換裝置重復(fù)前面操作，就實(shí)現(xiàn)了把每個(gè)電極 切換裝置的邏輯地址(通信地址)和空間地址(節(jié)點(diǎn)位置)自動(dòng)識(shí)別出來并建立起對(duì)應(yīng)表。
(4) 數(shù)據(jù)采集子站裝置6根據(jù)三維電阻率成像系統(tǒng)中的筆記本電腦1 (上位機(jī)) 的要求，通過RS485總線向需要切換電極連接狀態(tài)的電極切換裝置8發(fā)送控制命令。 電極切換裝置8收到命令后，改變極化電極9或非極化電極10與RS485總線電纜7 中的供電正極芯線、供電負(fù)極芯線和測量公共極芯線、測量采集極芯線或并行測量電 纜11中的測量輸入芯線的連通狀態(tài)。然后數(shù)據(jù)采集子站裝置6再進(jìn)行測量等操作。
直流升壓電源裝置4采用單片機(jī)(U16)為核心，通過與CAN接口芯片(U17)相 連，再和CAN隔離變壓器(U18)相連，單片機(jī)(U16)的9個(gè)I/0腳和繼電器驅(qū)動(dòng)電路 (U19)相連，驅(qū)動(dòng)9個(gè)繼電器(K7-K15)的切換.單片機(jī)(U16)的1腳和脈寬調(diào)制 控制芯片(U15)的13腳相連；脈寬調(diào)制控制芯片(U15)產(chǎn)生一個(gè)頻率約為lOOKHz 的方波，通過2個(gè)三極管(T1、 T3)、 2個(gè)場效應(yīng)管(T2、 T4)和驅(qū)動(dòng)變壓器(T)進(jìn)行 電壓升壓變換；繼電器(K7-K14)的不同切換狀態(tài)組合，完成輸出電壓大小的選擇， 經(jīng)過4個(gè)整流二極管(Dl-D4)進(jìn)行整流和2個(gè)電容器(C4、 C5)與電感(L2)進(jìn)行濾 波，得到一個(gè)直流電壓，該電壓經(jīng)過繼電器(K15)進(jìn)行正負(fù)極性的選擇，輸出一個(gè)三 維電阻率成像系統(tǒng)所需要的電壓。
器件優(yōu)選為單片機(jī)為STC89S52， CAN接口芯片為SJAIOOO， C認(rèn)隔離變壓器為 CTM8251，脈寬調(diào)制控制芯片為TL494。
直流升壓電源裝置中設(shè)有CAN總線通信接口與CAN總線電纜連接。在筆記本電腦通過CAN總線對(duì)其控制下,單片機(jī)STC89S52控制脈寬調(diào)制控制芯 片TL494產(chǎn)生一個(gè)頻率約為100KHz的方波，通過2個(gè)三極管、2個(gè)場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)變 壓器，進(jìn)行電壓升壓變換。單片機(jī)STC89S52控制繼電器(Kl-K8)的不同切換狀態(tài) 組合，完成輸出電壓大小的選擇，經(jīng)過4個(gè)整流二極管進(jìn)行整流和2個(gè)電容器與電感 進(jìn)行濾波，得到一個(gè)直流電壓。并且單片機(jī)STC89S52控制繼電器(K15)進(jìn)行輸出 電壓正負(fù)極性的選擇、供電方式的選擇，輸出一個(gè)三維電阻率成像系統(tǒng)所需要的電壓。 圖9中，直流升壓電源裝置主要由脈寬調(diào)制控制芯片21，功率驅(qū)動(dòng)電路22，升壓 變壓器23，電壓選擇切換電路24，整流濾波電路25，輸出電壓極性和供電方式切換 電路26，單片機(jī)27， CAN接口和隔離電路28， CAN總線電纜接頭29。
圖10中，蓄電池組輸入接頭(P6)的l腳和保險(xiǎn)管(Fl)的1腳相連，蓄電池組 輸入接頭(P6)的2腳和電阻(Rl)的1腳、電阻(R2)的2腳、電阻(R6)的1腳、 可調(diào)電阻(PR1)的1腳、電容(Cl)的1腳、電容(C2)的2展卩、電容(C3)的2 腳、脈寬調(diào)制控制芯片TL494 (U15)的7、 15、 16腳、三極管(Tl)的c極、場效應(yīng) 管(T2)的s極、三極管(T3)的c極、場效應(yīng)管(T4)的s極相連。蓄電池組輸入 接頭(P6)的3、 4腳分別和CAN總線電纜接頭(P2)的4、 3腳相連。保險(xiǎn)管(Fl) 的2腳和電感線圈(Ll)的1腳、電容(C2)的1腳、變壓器(T)的2腳相連。電感 線圈(Ll)的2腳和電容(C3)的l腳、TL494 (U15)的8、 11、 12腳相連。電容(Cl) 的2腳和TL494 (U15)的5腳相連。電阻(Rl)的2腳和TL494 (U15)的6腳相連。 電阻(R2)的l腳和電阻(R3)的1膽口、電阻(R4)的1腳相連。電阻(R3)的2腳 和電阻(R7)的1腳、可調(diào)電阻(PR1)的2展卩、TL494 (U15)的14腳相連。電阻(R4) 的2腳和電阻(R5)的2腳、TL494 (U15)的2腳相連。電阻(R5)的1腳和TL494
(U15)的3腳相連?？烧{(diào)電阻(PR1)的3腳和TL494 (U15)的1腳相連。電阻(R6) 的2腳和電阻(R7)的2腳、TL494 (U15)的4腳相連。TL494 (U15)的4腳和單片 機(jī)ST89S52 (U16)的1腳相連。TL494 (U15)的9腳和三極管(Tl)的b極相連，TL494
(U15)的10腳和三極管(T3)的b極相連。三極管(Tl)的e極和場效應(yīng)管(T2) 的g極相連，三極管(T3)的e極和場效應(yīng)管(T4)的g極相連。場效應(yīng)管(T2)的 d極和變壓器(T)的1腳相連，場效應(yīng)管(T4)的d極和變壓器(T)的3腳相連。
圖11中，變壓器(T)的4腳和繼電器(K7)的1腳相連，變壓器(T)的5腳和 繼電器(K7)的2腳相連，變壓器(T)的6腳和繼電器(K8)的1腳相連，變壓器(T) 的7腳和繼電器(K8)的2腳相連，變壓器(T)的8腳和繼電器(K9)的1腳相連， 變壓器(T)的9腳和繼電器(K9)的2腳相連，變壓器(T)的10腳和繼電器(K10) 的1腳相連，變壓器(T)的11腳和繼電器(K10)的2腳相連，變壓器(T)的12腳和繼電器(K14)的1腳相連，變壓器(T)的13腳和繼電器(K14)的2腳相連。 繼電器(K11)的1腳和繼電器(K7)的3腳相連，繼電器(K11)的2腳和繼電器(K8) 的3腳相連；繼電器(K12)的l腳和繼電器(K9)的3腳相連，繼電器(K12)的2 腳和繼電器(K10)的3腳相連；繼電器(K13)的l腳和繼電器(K11)的3腳相連， 繼電器(K13)的2腳和繼電器(K12)的3腳相連；繼電器(K13)的3腳和二極管(Dl) 的1腳、二極管(D3)的2腳相連，繼電器(K14)的3腳和二極管(D2)的1腳、二 極管(D4)的2腳相連。二極管(Dl)的2腳和二極管(D2)的2腳、電感(L2)的 1展P、電容(C4)的1腳相連。二極管(D3)的1腳和二極管(D4)的1腳、電容(C4) 的2腳、電容(C5)的2展卩、繼電器(K15)的2、 4腳相連。電感(L2)的2腳和電 容(C5)的1腳、繼電器(K15)的l、 5腳相連。繼電器(K15)的3、 6腳分別和CAN 總線電纜接頭(P2)的7、 8腳相連。
圖12中，單片機(jī)ST89S52 (U16)的9個(gè)I/O腳與繼電器驅(qū)動(dòng)電路(U19)相連， 單片機(jī)ST89S52 (■)的P0 口與CAN總線電纜接頭芯片SJAIOOO (1117)相連，SJA1000 (U17)與CAN隔離變壓器CTM8251 (U18)相連，CTM8251 (U18)的6、 7腳分別與CAN 總線電纜接頭(P2)的6、 5腳相連。
為了滿足三維電阻率成像系統(tǒng)對(duì)直流升壓電源裝置能夠有8檔以上輸出電壓可以 選擇，可以選擇電壓極性和供電方式的要求，本發(fā)明通過繼電器(K7-K15)的切換， 能夠輸出16檔不同大小的輸出電壓，并能夠改變輸出電壓的極性以及直流、方波2 種供電方式的組合方法，其控制切換方法如下
當(dāng)繼電器(K14)接通于1歩口，繼電器(KIO、 K12、 K13)接通于2勝卩，輸出電壓 的大小約為50V;
當(dāng)繼電器(KIO、 K14)接通于1腳，繼電器(K12、 K13)接通于2腳，輸出電壓 的大小約為100V;
當(dāng)繼電器(K12、 K14)接通于1腳，繼電器(K9、 K13)接通于2腳，輸出電壓的 大小約為150V;
當(dāng)繼電器(K9、 K12、 K14)接通于1腳，繼電器(K13)接通于2腳，輸出電壓的 大小約為200V;
當(dāng)繼電器(K13、 K14)接通于1腳，繼電器(K8、 Kll)接通于2腳，輸出電壓的 大小約為250V;
當(dāng)繼電器(K8、 K13、 K14)接通于1腳，繼電器(K11)接通于2腳，輸出電壓的 大小約為300V;當(dāng)繼電器(Kll、 K13、 K14)接通于1腳，繼電器(K7)接通于2腳，輸出電壓的 大小約為350V;
當(dāng)繼電器—(K7、 Kll、 K13、 K14)接通于1腳輸出電壓的大小約為400V; 當(dāng)繼電器(KIO、 K12、 K13、 K14)接通于2腳，輸出電壓的大小約為450V; 當(dāng)繼電器(K10)接通于1腳，繼電器(K12、 K13、 K14)接通于2腳，輸出電壓 的大小約為500V;
當(dāng)繼電器(K12)接通于1腳，繼電器(K9、 K13、 K14)接通于2腳，輸出電壓的 大小約為550V;
當(dāng)繼電器(K9、 K12)接通于1腳，繼電器(K13、 K14)接通于2腳，輸出電壓的 大小約為600V;
當(dāng)繼電器(K13)接通于1腳，繼電器(K8、 Kll、 K14)接通于2腳，輸出電壓的 大小約為650V;
當(dāng)繼電器(K8、 K13)接通于1腳，繼電器(Kll、 K14)接通于2腳，輸出電壓的 大小約為700V;
當(dāng)繼電器(Kll、 K13)接通于1腳，繼電器(K7、 K14)接通于2腳，輸出電壓的 大小約為750V;
當(dāng)繼電器(K7、 Kll、 K13)接通于1腳，繼電器(K14)接通于2腳，輸出電壓的 大小約為800V;
繼電器(K15)的l、 3腳接通，4、 6腳接通，從CAN總線電纜接頭(P2)的2腳 輸出電壓正極，l腳輸出電壓負(fù)極；
繼電器(K15)的2、 3腳接通，5、 6腳接通，從CAN總線電纜接頭(P2)的l腳 輸出電壓正極，2腳輸出負(fù)極；
當(dāng)繼電器(K15) —直保持一種狀態(tài)，便以直流供電方式輸出電壓； 當(dāng)以周期為1秒 10分鐘，周期性切換繼電器(K15)就可以以方波供電方式輸 出電壓。
用本發(fā)明的三維電阻率成像系統(tǒng)的硬件組成方案來實(shí)現(xiàn)三維電阻率成像系統(tǒng)應(yīng)用 的步驟
(l)先進(jìn)行硬件實(shí)物連接。在科研應(yīng)用中，按圖1連接好筆記本電腦1、 USB-CAN接口轉(zhuǎn)換卡2、 CAN總線電纜5、蓄電池組3、帶CAN接口的直流升壓電源裝 置4、數(shù)據(jù)采集子站裝置6、 RS485總線電纜7、并行測量電纜11、電極切換裝置8、 極化電極9和非極化電極10。在工程應(yīng)用中，按圖2連接好筆記本電腦1、 USB-CAN接口轉(zhuǎn)換卡2、 CAN總線電纜5、蓄電池組3、帶CAN接口的直流升壓電源裝置4、數(shù) 據(jù)采集子站裝置6、 RS485總線電纜7、電極切換裝置8、極化電極9。
(2) 開啟筆記本電腦l，運(yùn)行三維電阻率成像系統(tǒng)軟件，設(shè)置好系統(tǒng)工作參數(shù)，然 后通過C認(rèn)總線向數(shù)據(jù)采集子站裝置6發(fā)送命令，識(shí)別所有的數(shù)據(jù)采集子站裝置，并 把它們連接在CAN總線電纜的節(jié)點(diǎn)位置參數(shù)通過鍵盤輸入到筆記本電腦中。
(3) 在筆記本電腦1的控制命令下，數(shù)據(jù)采集子站裝置6通過RS485總線向電極切 換裝置8發(fā)送命令，識(shí)別各個(gè)電極切換裝置連接在RS485總線電纜的節(jié)點(diǎn)位置，并把 這些識(shí)別結(jié)果存儲(chǔ)于筆記本電腦中。
(4) 筆記本電腦l向帶CAN接口的直流升壓電源裝置4發(fā)送命令，控制它的工作， 選擇輸出電壓的大小、極性、輸出方式等。
(5) 筆記本電腦l向數(shù)據(jù)采集子站裝置6、智能切換裝置8發(fā)送命令，從所有極化 電極9中選擇出2個(gè)節(jié)點(diǎn)上的極化電極作為供電正極(A)、供電負(fù)極(B)，直流升壓 電源裝置輸出的電壓就加到這2個(gè)電極，給被測量對(duì)象進(jìn)行供電。
(6) 筆記本電腦1向數(shù)據(jù)采集子站裝置6、智能切換裝置8發(fā)送命令，從所剩下節(jié) 點(diǎn)上選擇l個(gè)非極化電極(在科研應(yīng)用中)或極化電極(在工程應(yīng)用中)作為測量公 共極(N)，再依次選擇其它l個(gè)非極化電極(在科研應(yīng)用中)或極化電極(在工程應(yīng) 用中)作為測量采集極(M)，進(jìn)行電位差的連續(xù)、多次測量。測量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)采 集子站裝置6上。
(7) 不改變供電正極(A)、供電負(fù)極(B)，再選擇其它1個(gè)電極作為測量公共極(N)， 從剩下的電極中依次選擇1個(gè)電極作為測量采集極(M)，測出測量公共極(N)、測量 采集極(M)之間的電位差。如此循環(huán)直到所有電極都用作測量公共極(N)進(jìn)行了測
(8) 數(shù)據(jù)采集子站裝置6按選定的算法對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，處理結(jié)果發(fā)送給筆 記本電腦l存儲(chǔ)。
(9) 然后再選擇另外2個(gè)節(jié)點(diǎn)上的極化電極作為供電正極(A)、供電負(fù)極(B)，重 復(fù)前面步驟(6)、 (7)、 (8)的測量過程，如此循環(huán)。
(10) 筆記本電腦1最后對(duì)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、反演計(jì)算、成像，就得到測量區(qū) 域內(nèi)的三維電阻率分布圖像。
權(quán)利要求
1、一種三維電阻率成像系統(tǒng)的硬件組成方案，它采用CAN總線和RS485總線混合組網(wǎng)方法來組成硬件系統(tǒng)，其特征是電腦(1)通過其USB接口和USB-CAN接口轉(zhuǎn)換卡(2)相連，然后連接到CAN總線電纜(5)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，蓄電池組(3)經(jīng)過帶CAN接口的直流升壓電源裝置(4)，再接到CAN總線電纜(5)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，CAN總線電纜(5)的其它每個(gè)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)數(shù)據(jù)采集子站裝置(6)相連；在科研應(yīng)用方案中，每個(gè)數(shù)據(jù)采集子站裝置(6)和一根RS485總線電纜(7)和一根并行測量電纜(11)相連，RS485總線電纜(7)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)位置以及并行測量電纜(11)的每根芯線和一個(gè)電極切換裝置(8)相連，每路最多可以連接60個(gè)電極切換裝置，每個(gè)電極切換裝置(8)與一個(gè)極化電極(9)和一個(gè)非極化電極(11)相連；在工程應(yīng)用方案中，每個(gè)數(shù)據(jù)采集子站裝置(6)和一根RS485總線電纜(7)相連，RS485總線電纜的每個(gè)節(jié)點(diǎn)位置和一個(gè)電極切換裝置(8)相連，每路最多可以連接60個(gè)電極切換裝置(8)，每個(gè)電極切換裝置(8)與一個(gè)極化電極(9)相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種三維電阻率成像系統(tǒng)的硬件組成方案，其特征是數(shù)據(jù)釆集子站裝置(6)設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)的C認(rèn)總線接口和RS485總線標(biāo)準(zhǔn)的接口 ；數(shù)據(jù)采集的速度要達(dá)到100KSPS以上，精度要達(dá)到20Bits以上，能夠?qū)﹄p極性電壓信號(hào)進(jìn)行測量，具備8個(gè)以上輸入通道，還要具備串行數(shù)據(jù)采集和并行數(shù)據(jù)采集功能；配置60MHz以上的32位嵌入式處理器，256KB的程序存儲(chǔ)器，256KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，測量公共極與所有的數(shù)據(jù)采集子站裝置接入，同一參考電位使得各個(gè)數(shù)據(jù)采集子站裝置之間的測量 精度具有一致性。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種三維電阻率成像系統(tǒng)的硬件組成方案，其特征是 電極切換裝置(8)設(shè)有RS485總線標(biāo)準(zhǔn)的接口 ，與RS485總線電纜和并行測量電纜相連； 通過電極切換裝置(8)實(shí)現(xiàn)RS485總線電纜的供電正極芯線、供電負(fù)極芯線和測量公 共極芯線、測量采集極芯線與極化電極或非極化電極的不同連通；連接在RS485總線 電纜上的每個(gè)電極切換裝置(8)的邏輯地址即通信地址和空間地址即節(jié)點(diǎn)位置能夠被 系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維電阻率成像系統(tǒng)的硬件組成方案，其特征是 直流升壓電源裝置(4)設(shè)有CAN總線標(biāo)準(zhǔn)的接口；能夠有16檔輸出電壓可以選擇，可 以選擇電壓極性和供電方式。
全文摘要
本發(fā)明屬于地球物理勘探技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種三維電阻率成像系統(tǒng)的硬件組成方案，包括在科研應(yīng)用中的硬件組成方案和在工程應(yīng)用中的硬件組成方案.在筆記本電腦的控制下，通過CAN總線和RS485總線混合網(wǎng)進(jìn)行控制命令、狀態(tài)數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)的傳輸，采用電極切換裝置來選擇供電正極(A)、供電負(fù)極(B)、測量公共極(N)、測量采用極(M)與極化電極或非極化電極的連通，數(shù)據(jù)采集子站裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)的預(yù)處理，預(yù)處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本電腦上進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、計(jì)算，最后成像顯示測量區(qū)域的電阻率分布圖像。
文檔編號(hào)G01V3/18GK101581797SQ20091011562
公開日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月30日
發(fā)明者劉慶成, 鐘念兵, 黎正根 申請(qǐng)人:東華理工大學(xué)