可移动分布式地震资源勘探装置无线遥控数据采集系统设计(2)
2.2.3 微控制器 7
2.3 无线遥控地震数据采集器总体方案的可行性分析 8
3 无线遥控地震数据采集器的设计 .. 9
3.1 无线遥控地震数据采集器的具体架构 .. 9
3.1.1 主要芯片的选型 .. 10
1） 微控制器选型 . 10
3.2 无线遥控地震数据采集器的硬件设计 11
3.2.1 前置电路设计 . 11
3.2.2 电源电路设计 . 12
3.2.3 数据采集电路设计 12
3.2.4 无线通信模块电路 13
3.2.5 微处理器ARM-M4电路 14
3.3 无线遥控地震数据采集器的软件设计 15
3.3.1 ADS1255 数据采集 . 15
3.3.2 GS1011M 无线通讯 . 18
3.3.3 ARM 主函数 . 18
4 无线遥控地震数据采集器的运行测试 23
4.1 数据采集器的软件测试 . 25
4.2 数据采集器的硬件测试 . 26
结 论 .. 27
致 谢 .. 28 1 绪论 本章阐述了地震资源勘探装置的概况，分析了无线遥控数据采集系统的国内外发展现状，指出了本次毕业设计的研究目的、研究内容、研究方法及研究意义。 1.1 课题背景 地震资源勘探是目前在国际上被最为广泛采用的资源勘探技术，地震资源勘探采集系统由地震波采集阵列子系统、数据传输子系统以及中央控制子系统组成。地震波采集阵列则由多个地震采集器构成，负责对地震波的采集与存储，采集器由中央控制子系统通过数据传输子系统进行集中控制，主要控制数据采集器的启动、停止以及地震数据的传输。本课题研制的由无线以太网控制的数据采集器，为实现地震资源勘探系统的无线及无缆化奠定了一定基础。 1.2 地震勘探装备及数据采集技术的发展状况 1.2.1 国内外地震勘探装备的发展现状 地震勘探数据采集的发展，既是现代地震勘探仪器的发展。现代地震勘探仪器伴随着新理论的提出、新技术的应用，逐步发展起来；而其中影响最为深远的，便是电子电器的飞速发展。正是器件层面上质的飞跃，推动了地震勘探仪器经历了光学记录、模拟信号、数字信号、初期遥测、后期遥测、纯数字记录、无线节点等等共计七代的创新与变革。 光学记录型地震仪器是最早的地震资源勘探仪器。原理为利用光学器件，通过投影光斑的形式记录地震数据。其中最为典型的是 51型仪器，该仪器通过光学影像的方式在感光纸张上了记录下仪器采集数据。这中方式的地震仪器信号动态范围非常小，频带较窄，接收到信号的道数少。 磁带记录型地震仪器为第二代地震资源勘探仪器。记录原理为利用磁头改变磁带上的磁场分布，进而将仪器采集到的数据存储进入磁带。这类存储方式与上文类类似，为模拟信号记录方法。经典仪器代表为 CGG59。 第三代地震资源勘探仪器意着地震仪器进入数字阶段，较上两代的主要改进为增加了前置信号放大电路，并设有瞬时浮点放大模块，最终采集电压通过 A/D转换技术来实现。这类地震仪器的输出数据为数字信号，实现了地震资源勘探仪器的数字化，有模拟信号记录时代跨入了数字信号记录的时代。除此之外，仪器技术指标也得到非常大的飞跃，无论是信号的动态范围、信号道数还是工作的有效频带都得到了极大的提高。代表仪器为 DFS-V、 SN338。 初期遥测型地震资源勘探仪器为第四代产品。数字遥测地震仪器实现了在远距离通信总线上，以串行的方式发送地震采集数据。正因如此，采集系统的主机得到了充分的简化，体积更小，能耗更低；与此同时，地震仪器的数据采集能力、抗干扰能力亦得到了大幅度的提升，并在提升道数的前提下初步支持三文地震采集，开创了新的采集时代。这一代的代表仪器为 SN368、OP-SEIS5586。 紧接着数字型多道遥测地震仪器相继面世。采用低噪声精密放大器取代了前代浮点型放大器的新型仪器，前置放大电路的噪声得到了极大的降低。同时更为精密的 24 位 A/D 模数转换器取代了早期的 12位或是 16位A/D模数转换，在数据位数上又跨上了新的台阶。致使新一代系统的采样动态范围、信号道数以及记录的有效频带进一步提升。代表仪器为SN368388、ARIESＡ、BOX、SYSTEM Ⅱ。 第优尔代地震资源勘探仪器是全数字的时代。仪器通过引入 MEMS 技术进而使用微机电传感器作为产品核心，运用加速度数字检波器取代原有的模拟检波器，不但检波器参数更加精确可调，检波器性能的提升更拉升了采集系统的整体响应动态范围至 90dB 之上。同时这一代的地震仪器实现了地震资源勘探采集接收道数正式迈入万道时代。代表仪器为 I/O 公司设计的 VECTORSEIS 和 Sercel 公司的DSU。 无线节点为第七代地震资源勘探仪器提出的新型采集理念。通过运用最新的无线通讯技术，使得系统具有非常强大的无线网络数据传输以及数据存储管理能力。系统可以在复杂的野外环境下轻松的完成地震采集任务，系统布局变得更加灵活。采集道数高达十万道之上。典型仪器为以有线网络Ｇ系统、HWAK、无线节点型仪器UNITE、无线即时型仪器 RT2。 在地震资源勘探领域，现如今国外主要的产品生产商大都是以测试测量起家的传统仪器仪表设计生产公司，其中以 OYO GEOSPACE、ION、SERCEL、FAIRFIELD 等等为代表。除此以外，也有部分近些年才崛起的年轻公司也在不断地发布自行设计的地震资源勘探仪器，其中以 Geometrics、Seismic Instrument、Ascend Geo、JGI、DMT、Seismic Source 等公司为代表。以上部分公司推出的地震勘探典型产品的技术方案介绍如下： FAIRFIELD 公司作为测试领域老牌的仪器生产商，一直着力于地震资源勘探领域。FAIRFIELD 公司之前设计的地震资源勘探采集系统主要优势之一就是无线数据采集与传输，而最近几年又推出了新的 Z-LAND系列勘探采集装置，该系统的勘探采集节点集成了前端传感器、信号放大与调理电路、模数转换器、同步采样控制、数据存储等等模块于一身，具有结构简单体积小等等优点。 而Geometrics公司近期推出的Geometrics Geode DZ 3-D系列地震勘探仪器则着力于三文勘探与高精度采集两个方面。Geometrics 公司生产的该系列仪器具有非常宽泛的采样工作频率，20KHz 的采样带宽即可支持采样率由 0.021us 至16ms，使得该系列产品既适用于超高频率的工程调查，又适合于较低频段的天然震源或是人工震源勘测。 Seismic Source公司生产的地震勘探仪器则偏向于系统的无缆化与节点化。 Seismic Source公司最新推出的 iSeis Sigma 系列地震勘探仪器，内置有 GPS 定位模块、大容量 Flash存储卡以及两种无线通信组网方式（Wi-Fi 形式或Mesh形式）。该系统一方面利用无线局域网 Wi-Fi来负责收取节点采集到的相关数据；而另一方面利用 Mesh 无线网来传输给采集装置的控制指令，其中包括工作模式的设定以及采集节点的 GPS 坐标、电池电量、检波器参数等等节点状态信息。