直流電法勘探中三維電阻率采集系統(tǒng)在線故障檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種直流電法勘探中三維電阻率采集系統(tǒng)在線故障檢測系統(tǒng)，它包括函數(shù)信號發(fā)生器和信號檢測裝置，所述的函數(shù)信號發(fā)生器，由微控制器、DDS模塊、放大電路、USB通信模塊、復(fù)位控制電路及液晶顯示組成，微控制器通過串行控制DDS模塊，DDS模塊輸出的信號經(jīng)后級放大電路，再通過與DDS模塊相接的電位器連接，USB通信模塊與微控制器連接；信號檢測裝置由信號調(diào)理部分、LPC1788內(nèi)部控制邏輯和外圍電路、TFT液晶顯示電路三個模塊組成，信號調(diào)理部分包括前置衰減與阻抗匹配電路、濾波電路、程控放大電器、AD轉(zhuǎn)換電路及信號整形電路。本實用新型集成度較高、能量損耗低、重量輕、體積小、易于操作和控制、可靠性比較高，而且能夠便于控制，使用起來相當(dāng)?shù)撵`活。
【專利說明】直流電法勘探中三維電阻率采集系統(tǒng)在線故障檢測系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于地球物理勘探【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及應(yīng)用于資源與環(huán)境勘探【技術(shù)領(lǐng)域】中的直流電法勘探中三維電阻率采集系統(tǒng)在線故障檢測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著開采年限和開采量的增加，我國現(xiàn)有大型礦山的淺部資源已開采殆盡。如何在隱伏區(qū)、己知礦區(qū)和其外圍尋找深部礦或盲礦將成為地質(zhì)找礦工作的重點。由于三維電法勘探具有勘探深度大、分辨能力強和工作效率高等特點，在礦產(chǎn)勘探、地下水探測、工程勘察等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
[0003]電法勘探迄今已有近200年的歷史，電子技術(shù)的飛速發(fā)展促進了電法勘探儀器的不斷推陳出新；同時計算機的應(yīng)用也促進了解釋水平的極大提高。上世紀(jì)八十年代以來，電法勘探開始進入二維時代。進入本世紀(jì)初，隨著大規(guī)模集成電路的應(yīng)用和計算速度的進一步提高，電法勘探已開始向三維方向發(fā)展。
[0004]電法勘探儀器第一至第三代產(chǎn)品采用集中式電極采集系統(tǒng)，而第四代高密度電法儀又稱三維電阻率采集系統(tǒng)，它集計算機與電測儀于一體，不僅可以進行二維測量(二維CT)，還可以進行三維測量(三維CT)。三維電阻率采集系統(tǒng)測量電極數(shù)量多，在256個以上；控制的數(shù)據(jù)采集子站多，在16個以上。主機和數(shù)據(jù)采集子站以CAN總線連接，數(shù)據(jù)采集子站和電極通過RS-485總線連接，可以看出三維電阻率采集系統(tǒng)是一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)控制與測量系統(tǒng)，很容易出現(xiàn)故障。
[0005]利用三維電阻率采集系統(tǒng)進行野外勘探時，經(jīng)常會由于天氣或者環(huán)境惡劣而容易損壞，經(jīng)常會遇到儀器需要檢測的問題，需要盡快查出問題故障，從而對儀器進行檢修，使其正常工作。而傳統(tǒng)的檢修方法是將懷疑被損壞的儀器搬運回實驗室，利用示波器和信號發(fā)生器及其它輔助設(shè)備進行檢測。由于三維電阻率采集系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量多，電纜連線笨重，將其搬回實驗室進行檢測是一件非常消耗時間、人力、財力的事情，同時地球物理勘探是一個特殊的行業(yè)，三維電阻率采集系統(tǒng)工作的環(huán)境非常惡劣，因而對檢修測試設(shè)備的要求也就非常高。它不僅要滿足低功耗、體積小、易攜帶，還需要操作方便簡單，功能齊全而且強大。然而在實際工作中一般的實驗室測試儀器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足野外需求。目前還沒有三維電阻率采集系統(tǒng)加裝在線故障檢測裝置的資料。
[0006]信號發(fā)生器是應(yīng)用在三維電阻率采集系統(tǒng)開發(fā)在線故障檢測系統(tǒng)的一種重要信號源，幾乎大部分的電壓、電流等電參量測試都要用到它。任意信號發(fā)生器是信號源的一種，它具有信號源所有的特點，可以形成正弦波信號源、函數(shù)發(fā)生器、脈沖發(fā)生器、掃描發(fā)生器、任意波形發(fā)生器、合成信號源等。
[0007]研制任意信號發(fā)生器需要頻率合成技術(shù)，該技術(shù)是指由一個或多個頻率穩(wěn)定度和精確度很高的參考信號源經(jīng)過頻率域的線性運算，產(chǎn)生具有同樣穩(wěn)定度和精確度的大量離散頻率的過程。實現(xiàn)頻率合成的電路叫頻率合成器，直接數(shù)字頻率合成(DDS-DigitalDirect Frequency Synthesis)是一種新穎的頻率合成方法。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，這種頻率合成方法也越來越體現(xiàn)出它的優(yōu)越性來。DDS頻率合成器具有以下優(yōu)點:(I)頻率分辨率高，輸出頻點多，可達(dá)2N個頻點；(2)頻率切換速度快，可達(dá)μ S數(shù)量級；(3)頻率切換時相位連續(xù)；(4)可以輸出寬帶正弦信號；(5)輸出相位噪聲低，對參考頻率源的相位噪聲有改善作用；(6)可以產(chǎn)生任意波形；(7)全數(shù)字化實現(xiàn)，便于集成，體積小，重量輕。
[0008]電子技術(shù)的日新月異為三維電阻率采集系統(tǒng)開發(fā)在線故障檢測系統(tǒng)提供了可靠的硬件支持。ARM是業(yè)界領(lǐng)先的32位嵌入式RISC處理器，集成了各種總線和外設(shè)控制器，具有很高的性價比，而ARM的I/O 口很豐富，足以滿足其需求，同時還可以擴展多個外設(shè)。ARM處理器內(nèi)部資源豐富，集成度很高，所以設(shè)計的儀器體積小，使用起來輕便靈活，同時減少了模塊間的相互干擾，ARM處理器自帶IXD控制器，有專門的IXD接口，擴展顯示器件很方便，這樣可以現(xiàn)場實時顯示測量結(jié)果；ARM處理器集成了存儲控制器，可以擴展多種類型的存儲器。
實用新型內(nèi)容
[0009]本實用新型的目的就是提供一種分辨率極高、易于操作和控制、可靠性強的直流電法勘探中三維電阻率采集系統(tǒng)在線故障檢測系統(tǒng)。
[0010]本實用新型的三維電阻率采集系統(tǒng)在線故障檢測系統(tǒng)，包括函數(shù)信號發(fā)生器和信號檢測裝置，函數(shù)信號發(fā)生器是給電測子站輸出不同波形及不同頻率的檢測信號，信號檢測裝置是實現(xiàn)對三維電阻率采集系統(tǒng)的檢測功能。
[0011]所述的函數(shù)信號發(fā)生器，由微控制器、DDS模塊、放大電路、USB通信模塊、復(fù)位控制電路及液晶顯示組成，微控制器采用NXP公司的LPC1788芯片，DDS模塊的芯片采用AD公司的AD9851，微控制器根據(jù)按鈕正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)發(fā)出頻率加減命令執(zhí)行相應(yīng)操作，通過串行控制DDS模塊輸出相應(yīng)頻率波形輸出，DDS模塊輸出的信號經(jīng)后級放大電路對通過改變電位器的值改變其輸出信號幅度及直流偏置量，通過與DDS模塊相接的電位器調(diào)節(jié)輸出方波信號的占空比，經(jīng)波形選擇，選擇方波或正弦波輸出，USB通信模塊實現(xiàn)在線對微控制器進行控制編程。DDS技術(shù)有輸出頻率的帶寬相對較寬、轉(zhuǎn)換時間短、分辨率極高、輸出波形具有靈活性、集成度較高、能量損耗低、重量輕、體積小、易于操作和控制、可靠性比較高，而且能夠便于控制，使用起來相當(dāng)?shù)撵`活。
[0012]所述的信號檢測裝置由信號調(diào)理部分、LPC1788內(nèi)部控制邏輯和外圍電路、TFT液晶顯示電路三個模塊組成，信號調(diào)理部分包括:前置衰減與阻抗匹配電路、濾波電路、程控放大電器、AD轉(zhuǎn)換電路及信號整形電路。LPC1788是基于ARM Cortex_M3內(nèi)核的微控制器，適用于要求高度集成和低功耗的嵌入式場合，LPC1788操作頻率可達(dá)120MHz，具有三級流水線和哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)，帶獨立的本地指令和數(shù)據(jù)總線以及用于外設(shè)的第三條總線，非常適合于野外的三維電阻率采集系統(tǒng)在線故障檢測系統(tǒng)JFT液晶顯示利用現(xiàn)今較先進的智能顯示終端。
[0013]本實用新型的三維電阻率采集系統(tǒng)在線故障檢測系統(tǒng)，采用DDS技術(shù)進行頻率合成，輸出頻率的帶寬相對較寬、轉(zhuǎn)換時間短、分辨率極高、輸出波形具有靈活性、集成度較高、能量損耗低、重量輕、體積小、易于操作和控制、可靠性比較高，而且能夠便于控制，使用起來相當(dāng)?shù)撵`活。【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型的函數(shù)信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖；
[0015]圖2為本實用新型的信號檢測裝置結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施方案
[0016]一種三維電阻率采集系統(tǒng)在線故障檢測系統(tǒng)，包括函數(shù)信號發(fā)生器和信號檢測裝置，函數(shù)信號發(fā)生器實現(xiàn)方案如圖1，LPC1788 ARM微控制器(Ul)是函數(shù)信號發(fā)生器的核心，LPC1788 ARM微控制器通過內(nèi)嵌的USB模塊和三維電阻率系統(tǒng)的主機的USB通訊端口(U4)連接，接受三維電阻率系統(tǒng)的主機命令以產(chǎn)生各種輸出波形。LPC1788 ARM微控制器(LQFP封裝)的54號管腳(USB端口 I D—接收數(shù)據(jù)線)和主機USB端口的D—連接，49號管腳(USB端口 I D+接收數(shù)據(jù)線)和主機USB端口的D+連接。
[0017]DDS模塊(U2)采用AD9851芯片，AD9851芯片是一款高度集成的器件，內(nèi)部包括了一個高速、高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器和高速比較器，可以用來作為數(shù)字可編程頻率合成器和時鐘發(fā)生器，當(dāng)以精密時鐘源作為基準(zhǔn)時，AD9851能產(chǎn)生一個頻率穩(wěn)定、相位可編程的數(shù)字化模擬輸出正弦波、方波及三角波，可以直接作為基準(zhǔn)信號源送給三維電阻率采集系統(tǒng)的電測子站。
[0018]LPC1788 ARM 微控制器(Ul)的 P0.24 ?P0.31 (11、10、8、35、34、42、43、36 號管腳)控制 DDS 模塊(U2)的 AD9851 芯片的 DO ?D7 (4、3、2、1、28、27、26、25 號管腳)，AD9851輸出接到放大電路的輸入，放大電路由AD8009芯片構(gòu)成，AD9851輸出(21腳)接放大電路芯片AD8009的3腳。
[0019]經(jīng)過放大電路的放大，由DDS產(chǎn)生的各種波形輸出到三維電阻率采集系統(tǒng)采集子站輸入級(U6)。
[0020]顯示部分采用液晶顯示器LCD 1602，實時更新顯示信息，使輸出波形的信息一目了然，它具有顯示質(zhì)量高、數(shù)字式接口、體積小、重量輕、功耗低的特點；LPC1788 ARM微控制器的 Pl.24 ?Pl.31 (54、56、57、61、63、64、30、28 腳)控制 LCD1602 的 DO ?D7 (7、8、9、10、11、12、13、14 腳)。
[0021]信號檢測裝置如圖2，由前置衰減與阻抗匹配電路(U12)、濾波電路(U13)、程控放大電路(U14 )、A/D轉(zhuǎn)換電路(U15)、LPC1788 ARM微控制器(U11 )、TFT液晶顯示電路(U16 )六部分組成，三維電阻率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電測子站的模擬輸出連接到前置衰減與阻抗匹配電路(U12)，以實現(xiàn)在線檢測，連接方式是:采集系統(tǒng)電測子站的最后一級放大電路芯片PGA205輸出11腳連接到前置衰減與阻抗匹配電路(U12)的輸入端，前置衰減與阻抗匹配電路(U12)的輸出接濾波電路(U13)的輸入；程控放大器(U14)選擇PGA206芯片，其作用是:若三維電阻率采集系統(tǒng)的輸出到本實用新型的信號檢測裝置信號很微弱，就需要將信號輸入到放大器中進行放大，以提高本實用新型的信號檢測裝置對被測信號的分辨率并降低噪聲的影響，同時還要保證放大后的信號值在A/D轉(zhuǎn)換器輸入范圍之內(nèi)。濾波電路(U13)的輸出和程控放大器(U14)的PGA206芯片的輸入端4腳相連接，程控放大器(U14)的輸出(11腳)和A/D轉(zhuǎn)換電路(U15)的輸入即LTC2393芯片的43腳連接。
[0022]A/D轉(zhuǎn)換器是本實用新型的信號檢測裝置的關(guān)鍵，為了使其具有較高的精度，本實用新型選用了 16位A/D芯片LTC2393作為A/D轉(zhuǎn)換電路的核心器件，這是一款16位高速、低噪聲逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換芯片。LTC2393輸入信號范圍士 4.096V全差分輸入，標(biāo)準(zhǔn)工作電源為5V，所以在寬動態(tài)信號采集方面應(yīng)用的十分的廣泛。A/D轉(zhuǎn)換電路(U15)的LTC2393芯片與LPC1788 ARM微控制器(Ull)信息傳輸采用串口或并口兩種方式，無論是串口傳輸還是并口傳輸都可以達(dá)到I Msps的吞吐速率并且沒有周期延遲，本實用新型LTC2393芯片與LPC1788 ARM微控制器(Ull)數(shù)據(jù)傳輸采用并口傳輸。A/D轉(zhuǎn)換電路(U15)的LTC2393芯片與LPC1788 ARM微控制器(Ull)連接方式為:LTC2393芯片的DO?D15(9、10、11、12、13、14、15、16、21、22、23、24、25、26、27、28 腳)和 LPC1788 ARM 微控制器(Ull)的 P0.0 ?P0.15(66、67、141、142、116、115、113、112、111、109、69、70、29、32、48、89 腳)連接。
[0023] TFT液晶顯示電路(U16)采用廣州致遠(yuǎn)電子有限公司生產(chǎn)的BCT-HM1035-01TFT智能顯示終端，該智能顯示終端給LPC1788 ARM微控制器提供了容易操作的串行數(shù)據(jù)接口，兩者之間的通信接口為3線制(DIN/DOUT/GND) RS232串行接口，波特率115200bps。LPC1788 ARM 微控制器(Ull)的 Ul—RxD、Ul—TxD、Ul—CtX (89、90、87 號管腳)和 TFT 液晶顯示電路(U16)Din、Dout、Busy (4、3、2號管腳)連接。
【權(quán)利要求】
1.一種直流電法勘探中三維電阻率采集系統(tǒng)在線故障檢測系統(tǒng)，其特征在于:它包括函數(shù)信號發(fā)生器和信號檢測裝置，所述的函數(shù)信號發(fā)生器，由微控制器、DDS模塊、放大電路、USB通信模塊、復(fù)位控制電路及液晶顯示組成，微控制器通過串行控制DDS模塊，DDS模塊輸出的信號經(jīng)后級放大電路，再通過與DDS模塊相接的電位器連接，USB通信模塊與微控制器連接；信號檢測裝置由信號調(diào)理部分、LPC1788內(nèi)部控制邏輯和外圍電路、TFT液晶顯示電路三個模塊組成，信號調(diào)理部分包括前置衰減與阻抗匹配電路、濾波電路、程控放大電器、AD轉(zhuǎn)換電路及信號整形電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電法勘探中三維電阻率采集系統(tǒng)在線故障檢測系統(tǒng)，其特征在于:前置衰減與阻抗匹配電路U12的輸出接濾波電路U13的輸入，濾波電路U13的輸出和程控放大器U14的輸入端4腳相連接，程控放大器U14的輸出和A/D轉(zhuǎn)換電路U15的輸入連接，A/D轉(zhuǎn)換電路U15與LPC1788 ARM微控制器Ull信息傳輸采用串口或并口兩種方式，A/D轉(zhuǎn)換電路U15的LTC2393芯片與LPC1788 ARM微控制器Ull連接方式為，LTC2393芯片的DO的9腳、Dl的10腳、D2的11腳、D3的12腳、D4的13腳、D5的14腳、D6的15腳、D7的16腳、D8的21腳、D9的22腳、DlO的23腳、Dll的24腳、D12的25腳、D13的26腳、D14的27腳、D15的28腳和LPC1788 ARM微控制器Ull的P0.0的66腳、P0.1的67腳、P0.2 的 141 腳、P0.3 的 142 腳、P0.4 的 116 腳、P0.5 的 115 腳、P0.6 的 113 腳、P0.7 的 112腳、P0.8 的 111 腳、P0.9 的 109 腳、P0.10 的 69 腳、P0.11 的 70 腳、P0.12 的 29 腳、P0.13的32腳、P0.14的48腳、P0.15的89腳連接，LPC1788 ARM微控制器Ull的Ul—RxD89號管腳、Ul—TxD90號管腳、Ul—CtX87號管腳和TFT液晶顯示電路U16的Din4號管腳、Dout3號管腳、Busy2號管腳連接。
【文檔編號】G01V13/00GK203606517SQ201320563554
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】劉慶成, 肖慧, 徐哈寧, 龔育齡, 黎正根, 曾正軍, 湯洪志, 鄧居智 申請人:東華理工大學(xué)