专利名称：高分辨率矿井地质探测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及煤矿井下巷道周围地质构造勘探和工程地质勘探领域的一种浅层地震勘 探仪器，其主要用于矿井采煤工作面和掘进工作面前方的异常地质构造(包括矿层构造、小 窑老空、溶洞、断层与破碎带、陷落柱、煤层分叉与合并、煤层厚度变化、岩浆与岩体构造、 顶板和围岩稳定性和异常小构造)超前探测，以及巷道的顶板、底板和两侧邦一定范围内的 煤层和岩层的厚度和地质构造探测。此外，还可以用于地面工程地质勘探，包括建筑地基地 质构造勘探、水坝堤防地质构造勘探、高速公路和铁路路基地质构造勘探、机场地基地质构 造勘探和其它工程地质勘探。
技术背景浅层地震勘探是一门年轻的正在蓬勃发展的勘探地球物理学科。其是根据人工激发的地 震波在被测地质体中传播的物理特性来研究地层的地震参数与岩土物理参数及结构参数之间 的关系，确定各种地质界面的空间位置和形态，解决非均匀复杂小构造地质体的形态、性质 和结构，并且对地下地质体进行综合评介。因此，浅层地震勘探广泛应用于工程地质和环境 地质勘探中。浅层地震勘探仪器作为浅层地震勘探的主要工具与手段，其每一项技术突破都 极大推动了浅层地震勘探理论、技术与方法的发展。目前代表国际先进水平的浅层地震勘探仪器比较多，如美国Geometries公司的ES系列 和Geode系列浅层地震仪、日本OYO公司McSEIS-SX系列浅层地震仪、瑞典ABEM公司 的MK系列浅层地震仪、重庆地质仪器厂DZQ系列浅层地震仪、重庆万马物探仪器有限公 司的WZG系列工程地震仪、北京市水电物探研究所的SWS工程勘探与检测仪、吉林GeoPen 公司的SE系列工程探测仪等。这些先进仪器的共同特点是采用基于通用PC104工控机的主 机系统并且通道数比较多(通常为12道以上)，功耗高和体积大。这些仪器非常适合于地面 工程地质勘探和环境地质勘探，但是很难满足煤矿本安型产品对仪器的功耗要求，因此不适 合用于煤矿井下巷道四周施工地质勘探。目前应用于煤矿井下的先进浅层地震勘探仪器比较少，只有福州华虹智能科技开发有限 公司的KDZ1114-3系列便携式矿井地质探测仪和煤炭科学研究院西安分院的YIR (D)瑞利 波探测仪两种产品，这两种仪器的共同特点是功耗低、体积小和重量轻，都属于煤矿井下使 用本安型产品。其中，KDZ1114-3便携式矿井地质探测仪是一款基于微控制器(MCU)的超 低功耗、集成有多种现场浅层地震勘探方法的矿井地质探测仪，但是其A/D转换位数只有12 位，探测与分析处理精度受到限制。YIR (D)瑞利波探测仪是一款基于通用PC104工控机 的高分辨率(A/D转换位数为24位)矿井地质探测仪，但是其只提供一种现场探测方法(瑞 利面波探测方法)，其应用范围受到限制。如何充分利用目前在地面工程地质和环境地质工程中使用的浅层地震勘探仪器先进技 术，并结合当今嵌入式系统及其低功耗设计技术，研究与开发可在煤矿井下使用的低功耗本 安型先进的矿井浅层地震勘探仪器，是保证煤矿生产的施工地质安全迫切需要解决的问题。发明内容为了克服现有的地面浅层地震勘探仪器功耗高和矿井浅层地震勘探仪器精度差与应用范 围受限的问题，本实用新型提供一种高分辨率矿井地质探测仪，其不仅可以使浅层地震勘探 仪器的功耗满足煤矿本安型产品要求，而且可以解决矿井浅层地震勘探仪器精度与应用范围 受限问题。此外，该仪器还具有体积小重量轻等特点，能够解决矿井巷道现场探测空间环境 受限和施工场所较远所带来问题。本实用新型包括显示设备、参数设置设备、电源系统，其特征在于该仪器还包括有基于可编程片上系统SOPC数据采集控制平台的六通道高速高分辨率浅层地震数据采集系统和基于PowerPC体系结构32位嵌入式处理系统平台的主机系统。在仪器的数据采集系统方面，采用基于可编程片上系统(SOPC)采集控制平台的六通道 独立"程控放大+24位高速A/D转换"的地震数据采集系统；在仪器的主机系统方面，采用 基于PowerPC体系结构32位嵌入式处理器(MPC823e)的嵌入式系统；在仪器的人机接口 方面，采用LED背光800x600分辨率的TFT-LCD模块和带有38个键的专用PVC键盘；在 机一机接口 (即仪器与PC机接口 )方面，采用10BASE-T以太网接口通信和U盘转储地震 记录数据；在电源系统方面，采用内置锂电池组和煤矿本安型分布式电源系统。在仪器的数据采集系统方面，采用基于可编程片上系统(SOPC)采集控制平台的六通道 独立"程控放大+24位高速A/D转换"的地震数据采集系统，其所依据的技术原理如下(1) 采用六通道数据采集系统方案，符合煤矿井下施工环境和满足矿井浅层地震勘探技 术需要。首先，由于煤矿井下巷道现场施工环境的限制，尤其是在掘进掌子面进行超前探测 时，掌子面的宽度一般不会超过3到4米，采用共激发点的六通道地震记录数据采集通常是 比较合适的。其次，可以满足绝大多数浅层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、单边折射勘探、双边折射勘探、 PS波测井和巷道顶底板煤层厚度自动探测等。第三，不仅可以满足现场探测的需要，而且可 以极大地降低仪器的功耗。目前，在地面工程地质和环境地质勘探中，所使用的浅层地震勘 探仪器的数据采集通道数一般为24道或48道，有的甚至达高到72道，这为工程地质勘探和 环境地质勘探提供了减少现场探测工作量和提高勘探效率的有效手段。但是，带来负面的问 题也不少，其不仅使仪器的体积和重量增加，而且也极大增加了仪器的功耗。显然，采用道 数较多的浅层地震勘探仪器不适合矿井巷道地质勘探。(2) 采用每道独立的"程控放大+24位高速A/D转换"数据采集通道，不仅可以简化每 个数据采集通道设计、降低每个通道功耗和提高通道之间抗串音能力，并且可以最大限度地 减少仪器数据采集通道所产生噪声，从而在一定程度上提高了地震信号信噪比和分辨率。目 前，绝大多数浅层地震勘探仪器都在数据采集通道中嵌入硬件滤波电路或浮点放大电路。其 中，所嵌入硬件滤波电路的目的是压制地震记录数据中干扰波和提高地震记录的信噪比。但 是，由于地震波在被测地质体介质中传播过程通常是一个复杂的过程，仪器所采集到来自检 波器的地震信号是一个干扰波与有效波混叠的合成波，采样单一的硬件频率滤波器在很多情 况下是无法压制地震信号中与有效波相互干涉的干扰波，反而会增加仪器本身噪声干扰并降 低来自较深层微弱地震波信号的信噪比。因此，在浅层地震勘探仪器的数据采集系统中不设前置硬件滤波器，而在后续地震记录数据处理软件中增强数字频率滤波和数字混波滤波手段 已经成为目前一种明显的发展趋势。同时，还可以从根本上消除因硬件滤波电路嵌入而引入 的噪声，并且简化仪器数据系统结构和降低了功耗和成本。在数据采集通道中嵌入浮点放大 电路的目的是提高仪器数据采集系统的动态范围，由于早期A/D转换器技术限制，其位数通 常为12~16位，在数据采集通道中嵌入浮点放大电路对于提高仪器的动态范围具有非常大作 用。但是，目前先进的高分辨率浅层地震勘探仪器普遍都采用24位A/D转换器，可以完全 满足浅层地震勘探对仪器的动态范围要求。此外，由于硬件浮点放大电路非常复杂，在仪器 的数据采集电路中添加这样的电路，必然导致采集系统的前向通道的噪声和功耗增加，不利 于来自较深层的微弱地震波信号检测。因此，取消前向通道通中的浮点放大电路，而在地震 记录数据处理软件中增加数字化浮点放大工具，不仅可以从根本上消除浮点放大电路所造成 的问题，并且保证了原始地震记录真实地反映地震波在介质中传播情况，从而方便了在现场 对地震记录信号的正确判断。(3)采用基于可编程偏上系统(SOPC)采集控制平台的数据采集系统方案，不仅可以 解决浅层地震勘探仪器高速复杂的地震信号数据采集控制问题，而且可以适应浅层地震勘探 仪器集成有多种勘探方法时在数据采集方法差异而导致不同采样控制方法。在本实用新型仪 器的数据采集系统控制方面，需要控制的项目有参与采样的通道数、四个档次的程控前置 模拟放大、采样间隔、采样点数、超前采样点数、采样延时、采样启动触发方式(包括内触 发、外触发、先短后断触发和先断后短触发)及其触发电压，以及被测地质体背景噪声检测， 要实现如此多参数项目的数据采集控制，并且协调地完成相关项的参数设置和高速的A/D转 换控制，采用单一的软件程序或纯硬件控制逻辑来控制有相当的困难，必须采用软硬件相结 合的方法实现的。为此，在仪器的数据采集系统采样控制方面引入了 Altem公司可编程片上 系统(SOPC)技术，其不仅在单芯片上可以实现数据采集系统所需要高速采样硬件逻辑控制， 并且可以在芯片上嵌入32位NIOS-I1嵌入式处理器软核，从而在单芯片上解决了浅层地震勘 探仪器数据采集系统采样控制的软硬件结合的问题，大大简化了仪器的多道高速数据采集控 制设计问题，降低了在仪器在采集控制方面的功耗，并且有效地使仪器的数据釆集系统作为 一个独立数据采集平台。此外，由于在数据采集系统中采用了基于SOPC的数据采集控制平 台，因此即使不同的浅层地震勘探方法对数据采集控制方面有不同的要求，也可以利用SOPC 芯片在硬件和软件两个方面的可编程特性予以解决。在仪器的主机系统方面，采用基于PowerPC体系结构32位嵌入式处理器(MPC823e) 的嵌入式系统，其所依据的技术原理如下(1)采样基于PowerPC体系结构32位嵌入式处理器(MPC823e)的嵌入式系统作为主 机系统硬件平台，有利于降低仪器在主机系统方面的功耗。目前，决大多数先进的浅层地震 勘探仪器都采用通用的PC/104工控机作为仪器主机系统硬件平台。采用这样的技术方案的优 势在于，可以利用目前非常成熟可靠的通用PC/104工控机OEM产品，加快仪器开发进度。 但是，此方法也存在一定劣势。其一是PC/104系列的OEM产品是为工业控制设备开发的通 用产品，其在设计时低耗问题不是考虑的重点，并且在板上存在有浅层地震勘探仪器主机系统不需要的电路模块，这无形中增加了仪器的主机系统功耗，对于地面工程地质和环境工程 地质勘探中使用的浅层地震勘探仪器来讲，增加这些功耗可能影响不是很大，但是对于煤矿 井下使用的矿井浅层地震勘探仪器来讲，有时可能是致命的，这是因为矿用本安全型设备对 功耗要求限制所导致的。其二是由于PC/104系列工控机产品是一种成熟的OEM产品，其价 格比较高，将导致产品的成本增加。目前，基于32位嵌入式处理器的嵌入式系统已经成为测 量和控制产品主流，其在技术上已经非常成熟并且具有一系列优点。此类嵌入式处理器最大 的特点是在单个处理器芯片上集成了测控产品所需要的各种外设控制器(包括人机接口控制 器、机-机通信控制器、串行和并行扩展接口控制器)，并且在芯片设计时就已经考虑了低功 耗及其使用问题，已经具备了低功耗单芯片系统的基本特征。本实用新型仪器主机系统所采 用MPC823e 32位嵌入式处理器就是一款集成了 PowerPC体系结构的32位嵌入式处理内核、 LCD控制器、12C控制器、以太网控制器、SPI控制器和UART控制器，并且还提供了一个 带有DSP功能的RISC体系结构32位微控制器。因此，其不仅可以满足浅层地震勘探仪器 主机系统对硬件平台的基本需求，而且还可以满足浅层地震勘探仪器现场探测时需要进行快 速滤波处理的要求。因此，本实用新型主机系统方案采用基于MPC823e 32位嵌入式处理器 的嵌入式系统。其与基于PC/104工控机的主机系统相比具有功耗小、成本低和专用性等特点， 但是也存在一定的缺点，即需要自行研发，仪器的开发进度慢，并且需要耗费一定的人力、 物力和财力，以及首次开发存在不够成熟的问题。不过， 一旦开发成功将获得一劳永逸的效 果。更重要的是，自行开发的仪器主机硬件平台将可以按浅层地震勘探仪器主机系统需要设 计，不存在有多余的功能模块，可以最大限度地控制主机系统的功耗和成本，并且可以根据 需要任意裁减，这是基于PC/104工控机的主机系统方案所无法实现的。(2)采样基于PowerPC体系结构32位嵌入式处理器(MPC823e)的嵌入式系统作为主 机系统硬件平台，可以采用可裁减的嵌入式Linux操作系统，降低操作系统对仪器主机的存 储系统容量需求，从而降低了主机存储系统的功耗。目前，采用基于PC/104工控机的主机系 统，其软件系统的核心通常釆用Windows操作系统，Windows操作系统是一种非开放源码的 软件产品并且代码容量比较大，用户无法自由地对其进行裁减，这必然导致仪器主机系统的 存储容量增加。对于采用固态盘的浅层地震勘探仪器来讲，存储容量增加将导致存储芯片增 加，而存储芯片增加将导致主机系统的功耗增加和成本增大。然而，基于32位嵌入式处理器 的主机系统，通常采用嵌入式Linux操作系统作为软件系统的核心，嵌入式Linux操作系统 是一种开源、可自由裁减的操作系统，可以根据仪器的探测与处理软件需求将操作系统代码 容量降到最低，从而降低了仪器主机系统存储容量开销，减小的主机系统的功耗。在仪器的人机接口方面，采用LED背光800x600分辨率的TFT-LCD模块和带有38个键 的专用PVC键盘，其所依据的技术原理如下(1)在仪器的显示器方面，采用LED背光800x600分辨率的TFT-LCD模块，保证LCD 显示器背光电路电源电压符合矿用本安型产品的要求，并且为仪器的图形用户界面(GUI) 平台提供硬件基础。地震记录波形显示是地震勘探仪器的不可缺少基本的功能，因此图形显 示器是浅层地震勘探仪器必备的组件。目前，浅层地震勘探仪器所采用的图形显示器有两大类型，即LCD显示器和CRT显示器。由于CRT显示器本身存在一些固有的缺陷(如体积大、 电压高和功耗高等)，因此LCD显示器成为当今浅层地震勘探仪器主要显示器件。对于地面 浅层地震勘探仪器来讲，LCD模块采用何种背光源不是设计关注的焦点，但是对与矿井浅层 地震勘探仪器来讲，由于矿用本安型产品标准限制，采用高频高压CCFT背光源是不合适的， 必须采用低电压低功耗的LED背光源。本实用新型采用的是800x600分辨率彩色TFT-LCD 模块(LQ104S1DG21)，其背光源采用是CCFT，显然是不符合矿用本安型产品要求。因此， 必须对其背光源进行改造，去除原有CCFT背光源，改成自行设计的低压LED背光源，以便 适合矿用本安型产品要求。(2)在仪器的键盘方面，采用带有38个键的专用PVC键盘，与仪器的面板融为一体， 便于仪器整体结构的密封，为仪器防潮防尘提供基础。仪器的专用键盘位于仪器面板的底部， 共有38个键，分成4个键区，即数字键区、功能键区、电源控制键区和亮度控制键区。其中， 数字键区位于面板的右下角(共有16键)，包括10个数字键、1个确认键和4个运算键(加、 减、乘和除)；功能键区位于面板的左下角(共有16个键)，包括4个方向键盘(左、右、上、 下)、4个页键(上页、下页、页首、页尾)、3个编辑键(插入、删除和退格)、2个键盘控 制键(上档、键控)、1个状态切换键(Tab)、 1个采样键和1个退出键；电源控制键区位于 仪器面板的底中部偏左(共有3个键)，包括电源"开"与"关"键及复位键；LCD亮度控 制键区位于面板底中部偏右(共有3个键)，包括增加亮度键(+)、减小亮度键(-)和亮度 保存键。在机一机接口 (即仪器与PC机及其外围设备接口)方面，采用IOBASE-T以太网与PC 机实现通信接口和U盘转储地震记录数据，其所依据的技术原理如下直接利用MPC823e 嵌入式处理器所提供的10BASE-T以太网控制器，外接相应的收发驱动器构成仪器与后台PC 机的通信接口 ；直接利用MPC823e嵌入式处理器所提供的1.1版本的USB控制器，外接USB 收发驱动器和USB HUB芯片构成仪器的地震记录数据转存的USB接口 。在电源系统方面，采用内置锂电池组和煤矿本安型分布式电源系统，其所依据的技术原 理如下电池组采用2块电芯串联加保护板，每块标准为3.7V/10Ah。电池组外接一个 1.5Q/50W的限流电阻和分布式电源系统，构成仪器的矿用本安型电源。其中，分布式电源系 统由6路低压差稳压和DC-DC变换电路以及电源控制开关电路组成的，分别为采样板提供 +5V、 -5V和+3.3V电源，为主板和采样控制板提供+5V和+3.3V电源、为LCD模块的LED 背光提供1.2~3.2V带有记忆功能的可调背光电源。本实用新型的优点有可以构成低功耗矿用本安型的浅层高分辨率浅层地震勘探仪器， 用于探测矿井地质和工程地质构造。具体地讲，不仅可以超前探测矿井采煤工作面和掘进工 作面前方的地质构造(包括断层及破碎带、陷落柱、老窑采空区、溶洞、煤层分叉与合并、 煤层厚度变化、岩浆与岩体构造、顶板和围岩稳定性、矿层构造、小构造等)；而且可以探测 矿井巷道顶板和底板、两侧邦一定范围内的煤层和岩层的厚度和地质构造。此外，还可以用 于道路路基和堤防缺陷探测。
图1是本实用新型硬件系统基本原理框图；图2是本实用新型基于可编程片上系统(SOPC)高速高分辨率浅层地震数据采集系统框图；图3是本实用新型采集系统的模拟信号放大缓冲电路I (前三个通道)；图4是本实用新型采集系统的模拟信号放大缓冲电路II (后三个通道)；图5是本实用新型采集系统的六个通道独立的24位A/D转换电路；图6是本实用新型采集系统的具有四种触发方式的采样触发启动电路；图7是基于可编程片上系统(SOPC)的数据采集控制平台框图；图8是本实用新型数据采集控制平台的可编程片上系统(SOPC)片内接口电路；图9是本实用新型数据采集控制平台的时钟发生电路与配置电路；图IO是本实用新型数据采集控制平台的程序与数据存储器(SRAM);图11是本实用新型数据采集控制平台的双端口总线开关电路；图12是本实用新型数据采集控制平台的接口电路；图13是本实用新型采集系统与数据采集控制平台的接口电路；图14是本实用新型采集系统的采样数据存储器(SRAM);图15是本实用新型采集系统的采样数据存储器读写控制电路；图16是本实用新型采集系统与主机系统的接口电路；图n是本实用新型采集系统与电源系统的接口电路；图18是本实用新型基于PowerPC体系结构的32位嵌入式主机系统框图；图19是本实用新型主机系统的MPC823e嵌入式处理器电路；图20是本实用新型主机系统的实时时钟、电池监测和I/O扩展电路；图21是本实用新型主机系统的地址总线、数据总线和控制总线驱动电路；图22是本实用新型主机系统的SDRAM存储系统；图23是本实用新型主机系统的Flash存储系统(Flash存储卡)；图24是本实用新型主机系统的人机接口电路；图25是本实用新型主机系统的机-机接口电路；图26是本实用新型主机系统的串行监控和测试与调试电路； 图27是本实用新型主机系统的电源、复位和时钟电路；图28是本实用新型主机系统与采集系统和Flash存储系统的接口电路； 图29是本实用新型基于USB HUB的机-机通信转接盒电路； 图30是本实用新型内置的本安全型电源系统框图； 图31是本实用新型内置的本安型电源系统电路。
具体实施方式
本实用新型包括显示设备、参数设置设备、电源系统，该仪器还包括有基于可编程片上系统SOPC数据采集控制平台的六通道高速高分辨率浅层地震数据采集系统和基于PowerPC 体系结构32位嵌入式处理系统平台的主机系统。所述图像显示设备为基于LED背光800x600 分辨率彩色TFT-LCD模块的显示器；所述参数设置设备为基于四个键区38个键的专用PVC面板；所 述的电源系统为基于锂电池组的本安型电源系统；所述的基于可编程片上系统SOPC数据采集控 制平台独立设计成采样控制板，六通道高速高分辨率浅层地震数据采集系统独立设计成采样 板，基于PowerPC体系结构32位嵌入式处理系统平台独立设计成主机板。上述六通道高速高分辨率浅层地震数据采集系统由6个独立的模拟输入通道、触发控制 电路、采样控制板接口、采样数据存储器及其读写控制逻辑电路、主机板接口和电源接口组 成；每个模拟输入通道含有单分量检波器接口、阻容隔离电路、程控放大电路、放大缓冲电 路和24位高速A/D转换电路，所述程控放大增益档设计为0dB、 24dB、 36dB和48dB， A/D 转换电路的采样间隔设计为16微秒的倍数；触发控制电路含有触发启动接口、前置触发信号 缓冲电路、触发方式选择电路、触发阈值设置电路、触发启动比较电路和后置触发信号缓冲 电路，实现内触发、外触发、先断后短触发和先短后断触发四种可选触发方式；采样数据存 储器及其读写控制逻辑电路含有2片256kBxl6高速CMOS SRAM、8片具有方向引脚的八总 线收发器、1片总线缓冲器、1片四逻辑与门芯片和上拉电阻，采样数据存储器的容量为1MB。上述的基于可编程片上系统SOPC数据采集控制平台由可编程片上系统SOPC芯片、时 钟发生器电路、串行Flash配置数据存储器及其接口、直接配置接口、配置控制指示电路、 1MB SRAM程序数据存储器、电源电路及其接口、双端口总线开关电路、采样数据存储器接 口和其它扩展接口组成的；可编程片上系统SOPC芯片内嵌有通用NIOS-II 32位嵌入式处理 器软核、专用高速数据釆集控制IP核和采样数据存储器读写控制IP核。上述的基于PowerPC体系结构32位嵌入式处理系统平台由基于PowerPC体系结构的32 位嵌入式处理器、总线驱动电路、SDRAM存储系统、Flash存储系统、LCD显示接口、专用 键盘接口电路、以太网接口电路、USB接口电路、机-机通信接口、电源电路、复位电路、时 钟电路、实时时钟电路、电池检测电路、1/0口扩展电路、调试与测试接口电路、串行监控接 口电路和釆样板接口组成；基于PowerPC体系结构的32位嵌入式处理器采用MPC823e处理 器，总线驱动电路是由8片具有方向引脚的8位总线收发器组成的，SDRAM存储系统是由4 片SDRAM芯片组成的32MB 128MB容量随机存储系统，Flash存储系统是由4片Flash存 储器芯片组成的16MB-64MB容量快闪存储系统，专用键盘接口电路是由2片I2C总线远程 8位I/0扩展芯片组成的64个键接口电路，以太网接口电路是由通用10BASE-T以太网络收 发器组成的，USB接口电路是由USB通用串行总线收发器组成的，电源电路是由主机系统调 试电源电路、PLL电源电路和电源开关电路组成的，复位电路是由具有上拉输出的复位芯片 和具有按钮功能的双复位芯片组成的上电复位和软硬件复位电路，时钟电路是由8MHz主时 钟电路、32.768kHz辅时钟电路和48MHzUSB时钟电路组成的，实时时钟电路是由I2C总线 接口实时时钟芯片、具有电池监测的控制器芯片和钮扣电池组成的，电池检测电路是由串行 接口的8位A/D转换器组成的，I/O扩展电路采用的是I2C总线远程8位I/O扩展芯片，串行 监控接口电路是由RS232串行收发芯片和瞬变电压抑制器组成的。在图1中，将根据各种不同勘探方法的施工观测系统布置好检波器，并将检波器通过线 缆连接到检波器接口，将人工震源激发启动器的触发启动线缆连接到触发启动接口。在被测 地质体上表层通过人工震源激发地震波，产生触发启动信号，通过图1中触发控制电路所获 得的采样启动信号送到数据采集平台，根据预先设置的采样参数和采样方式启动1~6个独立 的模拟输入通道进行数据采样。来自检波器的连续地震信号，按照图1中的数据采集控制平 台的采样控制算法，通过模拟输入通道中阻容隔离电路、程控放大电路、放大缓冲电路和A/D 转换电路转变为数字信号，最后保存在图1的采样数据存储器中。图1中的32位嵌入式系统 平台通过的采样数据存储器读写控制逻辑电路，将保存在采集数据存储器中的地震记录数据 读到其SDRAM存储器系统中，并且显示在图1中的彩色TFT-LCD显示模块上，最终以一定 格式的文件保存到其Flash存储系统中。通过图1中的专用PVC键盘可以控制地震记录波形 的显示与处理方式，并且设置采样触发启动和采样控制等各种参数。若需要将保存在Flash 存储器系统的地震记录文件传输到位于后台PC机上的地震波处理与解释软件中，可以通过 图l中的以太网接口电路，并经过图1中的机-机通信转接盒，传输到PC机中。若需要将保 存在Flash存储器系统的地震记录文件转存到U盘中，可以通过图1中的USB接口电路，并 经过图1中的机-机通信转接盒保存到标准的U盘中。标准USB键盘也可以通过图1中的机-机通信转接盒连接到图1中的USB接口电路，作为仪器外置的键盘，以方便室内使用与操作。 仪器通过图1中的基于锂电池组的本安型电源系统电路向图1中所有电路系统供电，若锂电 池组没电或电量不足，可以使用仪器配置的专用充电器，通过图1中的充电接口向电池组充 电。
以下结合附图和实施例分几个部分对本实用新型实施方案进一步说明。 一、采集系统的采样板采集系统是由采样板和采样控制板组成的，其主要功能是完成对地震信号采集，并且按 一定算法将地震记录数据保存在采样数据存储器中。采集系统的方框图如图2所示，其是以 图2中的基于可编程片上系统的数据采集控制平台(采用控制板)为核心，是一个具有6个 模拟输入通道的完整高速高分辨率浅层地震数据采集系统。图2中的6个模拟输入通道都是由检波器接口、阻容隔离电路、程控放大、放大缓冲电 路和A/D转换电路组成的。其中，6个通道的检波器接口、阻容隔离电路、程控放大和放大 缓冲原理电路如图3和图4所示。图3和图4中的每个通道电路都是通道接口、阻容隔离电 路、仪用放大器、前置放大增益切换开关电路和放大缓冲电路组成的。其中，每个通道的阻 容隔离电路都是由隔直电容器和电阻组成的，见图3和图4中的CA7和CA8、 CB7和CB8、 CC7禾卩CC8、 CD7禾口CD8、 CE7禾口 CE8、 CF7和CF8及其相关电阻。仪用方夂大器采用的是 精密低功耗仪用放大器INA128 (见图3和图4中的U1N、 U2N、 U3N、 U4N、 U5N和U6N)， 其与4通道多路选择开关ADG604 (见图3和图4中的U1M、 U2M、 U3M、 U4M、 U5M和 U6M)构成可程控的前置放大电路。前置放大增益设计为4档，分别为0dB、 24dB、 36dB和 48dB。放大缓冲电路采用高性能全差分AUDIO OP放大器OPA1632(见图3和图4中的U1H、 U2H、 U3H、 U4H、 U5H和U6H)，将仪用放大器INA128的单端输出变成符合A/D转换器 要求的平衡差分输出。OPA1632放大器的基准电压是由精密低功耗的参考电压器件REF3125(见图3和图4中的U1J、 U2J、 U3J、 U4J、 U5J和U6J)。图2中的6个模式输入通道的每 一个通道都采用一个独立的A/D转换电路，如图5所示。A/D转换电路的核心器件是24位 宽带高速模数转换器ADS1271 (见图5中的UAD1、 UAD2、 UAD3、 UAD4、 UAD5和UAD6)。 六通道的A/D转换器的模式控制由快速CMOS缓冲驱动器PI49FCT3805 (见图5中的U9) 输出信号提供的，此器件的功能是将单一输入变成多路输出，保证了各通道的A/D转换器的 转换模式一致。六通道的A/D转换器的参考电压是由精密低功耗参考电压器件REF3125 (见 图5中的U24)和高速缓冲放大器OPA350 (见图5中的U25)组成的电路提供的，其可以很 好保证A/D转换器参考电压的精度和稳定性。六通道的A/D转换器的转换控制信号是由基于 可编程片上系统的数据采集控制平台(见图7)提供的，可以实现各通道同步采样，采样间 隔为16us的倍数，即在16us、 32us、 48us、……、160000us范围内任意选择，并且动态范围 达到120dB。图2中的采样触发控制电路 主要功能是触发启动采集系统进行采样，提供可供选择 的四种触发方式，包括内触发、外触发、先断后短触发和先短后断触发。其是由触发启动接 口、前置触发信号缓冲电路、触发方式选择电路、触发阈值设置电路、触发启动比较电路和 后置触发信号缓冲电路组成的，如图6所示。其中，前置触发信号缓冲电路是由双向齐纳击 穿型瞬间过压抑制器1SMB10CAT3系列器件(见图6中的TVS1、 TVS2和TVS3)和双高速 MOSFET驱动器TPS2813 (见图6中的U12)组成的，其主要功能是抑制来自触发启动接口 的瞬间过压和过流信号，以获得正常触发启动信号。触发方式选择电路是由CMOS模拟多路 选择开关器件CD4051 (见图6中的U13)组成的，其主要功能是选择四种不同触发方式的触 发信号。其中，内触发方式的触发信号来自图3中的U1N输出，外触发、先断后短触发和先 短后断触发方式的触发信号来自触发启动接口 (见图6中的JQD)，而触发方式选择控制信号 来自数据采集控制平台(见图2)。触发阈值设置电路由两个数字电位器X9313 (见图6中的 U14和U16)，其主要功能是为触发启动比较器提供比较的正和负阈值电压信号，数字电位器 的控制信号来自数据采集控制平台。触发启动比较电路是由双差分比较器LM2093 (见图6 中的U15)组成的，其主要功能是获得启动采集系统采样的触发信号。后置触发信号缓冲电 路是由两个9013三极管(见图6中的Tl和T2)组成的，其主要功能是实现电平和信号极性 转换以及信号放大，并最终将启动触发信号提供给数据采集控制平台(见图2)。图2所示的采集系统是由采样板和采样控制板组成的，采样板内置六通道模拟输入电 路、、A/D转换电路、采样启动触发电路、采样数据存储器及其读写控制逻辑电路。采样板与 采样控制板之间接口是通过3个双列直插插座(见图13中的J1、 J3和J3B)，其主要功能是 插接采样控制板，实现采样板与采样控制板在机械和电气上连接。图2中的采样数据存储器如图14所示，其是由两片256Kxl6高速CMOS SRAM芯片 IDT71V416S (见图14中的U39和U40)组成的，其主要功能是保存数据采集控制平台所采 集到六通道地震记录数据，存放来自32位嵌入式系统平台(主机板)的采集系统设置和控制 参数，并且实现32位嵌入式系统平台(主机板)与数据采集控制平台(采样控制板)之间的 通信。图2中的采样数据存储器读写控制逻辑电路如图15所示，其是由8片具有方向引脚的八 总线三态收发器74LCX245 (见图15中的U28、 U31、 U32、 U33、 tf34、 U35、 U36和U37)、 1片三态输出的四总线缓冲器AM74HC1G125 (见图15中的U30)和1片四个双输入与门 SN74HC08 (见图15中的U29A、 U29B、 U29C和U29D)纽成的，其主要功能是实现32位 嵌入式系统平台(主机板)对采样数据存储器(见图14)的读与写控制。其中，U31、 U32、 U33和U34四片74LCX245组成32位嵌入式系统平台(主机板)与采样数据存储器接口的 32位三态数据总线缓冲器，这四片74LCX245的一端(A端)与32位嵌入式系统平台(主 机板)数据总线相连接，另一端(B端)与采样数据存储器(见图14的U39和U40)的数据 总线连接，其数据传输方向控制是由来自32位嵌入式系统平台(主机板)的读控制信号并通 过U28输出控制(见图15中的DGPLAIO)，数据传输允许控制信号控制是由来自32位嵌入 式系统平台(主机板)的片选控制信号并通过U30输出控制(见图15中的CS40)。 U35、 U36 和U37三片74LCX245组成32位嵌入式系统平台(主机板)与采样数据存储器接口的24位 三态地址总线缓冲器，这三片74LCX245的一端(A端)与32位嵌入式系统平台(主机板) 地址总线相连接，另一端(B端)与采样数据存储器(见图14的U39和U40)的地址总线连 接，由于地址总线信号总是来自32位嵌入式系统平台(主机板)，因此这三片74LCX245的 方向控制引脚DIR接3.3V电源(见图15中的VCC_3.3)，地址信号传输允许控制信号控制 仍然由来自32位嵌入式系统平台(主机板)的片选控制信号并通过U30输出控制(见图15 中的CS40)。 U28这一片74LCX245组成32位嵌入式系统平台(主机板)与采样数据存储器 接口的读写控制总线，U28—端(A端)与32位嵌入式系统平台(主机板)读写控制总线相 连接，另一端(B端)与采样数据控制存储器的读写控制逻辑电路(见图15中U29A D)连 接，由于读写控制总线信号总是来自32位嵌入式系统平台(主机板)，因此U28的方向控制 引脚DIR接3.3V电源(见图15中的VCC—3.3)，读写信号传输允许控制信号控制仍然由来 自32位嵌入式系统平台(主机板)的片选控制信号并通过U30输出控制(见图15中的CS40)。 U29A、 U29B、 U29C和U29D位于同一片SN74HC08的芯片内，由其构成了 32位嵌入式系 统平台(主机板)与数据采集控制平台(采样控制板)对采样数据存储器的读写控制逻辑电 路。U29A的输入信号CS40、 U29B的输入信号DGPLAIO、 U29C的输入信号DWE—L20和 U29D的输入信号DWE_L00，分别与U30和U28的输出相连接，这些信号来自32位嵌入式 系统平台(主机板)控制总线的片选与读写控制信号；而U29A的输入信号AD—SRAM—CS、 U29B的输入信号AD_SRAM—RD、 U29C的输入信号和U29D的输入信号AD—SRAM—WE, 来自数据采集控制平台(釆样控制板)的控制总线的片选与读写控制信号；U29A、 U29B、 U29C和U29C的输出信号分别与采样数据存储器(见图14中的U39和U40)的片选信号引 脚(见U39和U40中的CS一n)连接、读信号引脚(见U39和U40中的OE—n)连接和写信 号引脚(见U39和U40中的WE—n)连接，从而形成了 32位嵌入式系统平台(主机板)和 数据采集控制平台(采样控制板)对采样数据存储都可以读写的控制逻辑，实现了主机板和 采样控制板对采样数据存储器的读写控制及其它们之间的数据通信。需要注意的是，在U28 和U29的输出中分别连接有上拉电组R48、 R49、 R50和RN1，目的是保证其输出信号在空闲时具有稳定的信号电平。由于来自32位嵌入式系统平台(主机板)的片选信号CS4需要 与9个芯片(见图15中的U28 U39)连接，通过AM74HC1G125总线缓冲器(见U30)增 加其驱动能力，其输出信号为CS40。图2中的采集系统与主机系统接口如图16所示。其中，JCYB1、 JCYB2和JREST是32 位嵌入式系统平台(主机板)的总线接口插座，其实现主机板与采样板的机械与电气连接， 分别为采样板和采样控制板提供32位嵌入式系统平台(主机板)的数据总线、地址总线和控 制总线信号和I/0信号。JJ是采集系统(采样板)与键盘接口的插座，此插座中信号线直接 与采样板上的电源插座连接(见图17中的JD连接)。其中，JJ插座中的控制信号SW0N1、 SWON2和SW0F1是电源开关与复位信号，其最原始的控制信号来自仪器面板PVC专用键 盘的电源控制键区，用于控制仪器电源的开、关和仪器系统的复位;JJ插座中的控制信号ASE、 PU和PD是TFT-LCD模块LED背光亮度控制和保存信号，其最原始的控制信号来自仪器面 板PVC专用键盘的亮度控制键区，用于增加或减小LED背光的亮度以及保存LED背光的亮 度设置。JPOWER是采样板与主机板连接的电源插座，仪器的电源系统通过此插座为主机板 提供+3.3和+5V电源，并且为主机板的电池监测电路提供电池监测信号。图2中的采集系统与电源系统接口电路如图17所示。其中，电源接口插座(见图17中 的JD)为采样板、采样控制板、主机板和TFT-LCD模块的LED背光提供+5V、 -5V、 +3.3V 电源和背光电源的电气连接，并且为电源控制、背光控制和电池监测提供控制与检测信号。 此外，充电接口 (见图17中的JC)与JD相关引脚直接连接，其为位于仪器面板上的充电接 口提供充电连接插座。图17中的U22采用低压差电压调整器LT1763，其为采样控制板上的 可编程片上系统芯片提供+1.5V电源。 二、采集系统的采样控制板图2中的基于可编程片上系统的数据采集控制平台直接设计成一个独立的采样控制板， 此数据采集控制平台框图如图7所示，其是由可编程片上系统(SOPC)芯片、时钟发生电路、 串行Flash配置存储器及其接口、直接配置SOPC接口、程序与数据存储器、双端口总线开 关电路和接口电路组成的，主要功能是完成采集系统的数据采集控制与数据存储。图7中的可编程片上系统(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个逻辑元件(LEs)， 64个M4K RAM块(每块为 128x36位)共有294912RAM位(36864字节)，支持通过低成本串行配置器件配置、支持 LVTTL、 LVCOMS、 SSTL-2和SSTTL-3 I/O标准、66-MHz 32位PCI标准以及低速(311Mbps) LVDS I/O， 2个可以提供时钟倍频和相移的锁相环(PLL)，支持包括DDR SDRAM( 133MHz)、 FCRAM和单数据速率(SDR) SDRAM的外部存储器，以及支持多种知识产权(IP)核(包 括NIOS-II 32位嵌入式处理器软核在内的多种Altera SOPC标准的IP核)，芯片为BGA封装 并且提供301个用户I/O引脚。本实用新型在图7的SOPC芯片EP1C20内嵌入了通用的32 位NIOS-II嵌入式处理器软核、自行开发专用的高速数据采样控制IP核和采样数据存储器读 写控制IP核，以及与外部器件的接口电路。图7中的SOPC芯片是基于可编程片上系统的数 据采集控制平台(采样控制板)核心，也是整个采集系统核心。图7中的SOPC芯片上各种接口电路如图8所示。其中，U1A是S0PC芯片与其外接的 1MB SRAM程序与数据存储器接口； U1B、 U1C和U1F是SOPC芯片与位于采样板上的采 样数据存储器接口，此外UlF还提供了一些扩展I/0口； U1E是SOPC芯片与其外界时钟和 配置电路接口； U1D是S0PC芯片的电源接口电路。SOPC芯片统通过这些接口与外部电路 建立电气上连接。图7中的时钟发生电路、串行Flash配置数据存储器及其接口，以及直接配置SOPC接 口电路如图9所示。其中，时钟发生电路采用的是50MHz时钟振荡器(见图9中的Y2)，此 振荡器输出经过RP3限流电组后直接与SOPC芯片的时钟引脚相连接，经过SOPC芯片内部 的锁相环(PLL)电路倍频后获得100MHz时钟信号，作为SOPC芯片上的NIOS-II嵌入式 处理器和其它IP核和电路的主频。串行Flash配置数据存储器采用SOPC芯片专用的基于Flash 低成本的配置芯片EPCS4 (容量为512KB)，其主要功能是用于保存SOPC芯片的配置数据 和启动引导程序。EPCS4支持在系统编程，新的配置数据可以在Altera Quartus II集成开发系 统支持下，通过Altera公司的USB Blaster、 EthemetBlaster或ByteBlaster II下载电缆和位于 采样控制板上配置接口 (见图9中的J28)下载到EPCS4芯片中。此外，也可以通过图9中 的直接配置接口 (见图9中的J24)对SOPC芯片进行配置。在配置过程中，可以通过配置控 制指示(见图9中的LED1) 了解配置情况。图7中的1MB SRAM程序与数据存储器如图10所示，其是由两片256Kxl6高速CMOS SRAM芯片IDT71V416S组成的(见图10中的U7和U8)，其主要功能是存储SOPC芯片内 嵌的32位NIOS-II嵌入式处理器的程序和采样控制过程中的数据。图7中的双端口总线开关电路如图11所示，其是由7片10位双端口总线开关器件 PI5C3384组成的(见图11中的U9、 U10、 Ull、 U12、 U13、 U14和U15)，其主要功能是实 现3.3V与5V之间的电平转换。图7中的采样数据存储器接口、电源接口和其它扩展I/O接口如图12所示。图12中的 Jl、 J3和J3B是采样控制板与采样板的接口，其主要功能是实现采样控制板与采样板的机械 和电气上的连接。J4是其它I/0接口，其主要功能是提供扩展的I/0接口。 三、主机系统的主机板本实用新型的主机系统结构框图如图18所示，其是由基于PowerPC体系结构32位嵌入 式处理器(MPC823e)的嵌入式系统平台、人机接口 (专用键盘和TFT-LCD模块)和机-机 接口 (基于USBHUB的机-机通信转接盒)组成的，主要功能是实现地震记录数据显示与处 理，以及人机交互和地震记录数据传输与转存，是仪器的主体关键部分。图18中的PowerPC体系结构的MPC823e 32位嵌入式处理器电路如图19所示。其中， U0为MPC823e 32位嵌入式处理器，是一款集成有基于PowerPC体系结构32位嵌入式处理 器核、带有DSP功能的RISC体系结构32位微控制器、LCD控制器、I2C控制器、以太网控 制器、SPI控制器和UART控制器的先进的低功耗嵌入式处理器，其不仅可以满足浅层地震 勘探仪器地震记录数据显示与处理需要，并且还可以满足浅层地震勘探仪器需要快速进行数 字滤波处理的要求。由于在单个处理器芯片上已经集成了浅层地震勘探仪器所需要外围接口15电路，因此可以使主机板上芯片数量降到最低，使主机系统的电路结构达到最优，从而达到 降低主机系统的功耗。图18中的实时时钟电路、电池监测电路和1/0 口扩展电路如图20所示。其中，实时时 钟电路是由32.768KHz振荡器(见图20中的CY1)、 I2C总线接口实时时钟器件PCF8563 (见 图20中的U9)、带有电池监视器3V非易失性控制器DS1314 (见图20中的U10)和钮扣电 池(图20中的JDIANCH1接钮扣电池)组成的，其主要功能是为仪器提供实时时钟及其后 备电池监测。U9的I2C信号线直接与MPC823e处理器(见图19中的U0)的I2C控制器接 口引线连接，U10的电池电压监测输出信号与MPC823e处理器(见图19中的U0)的一个中 断线连接。电池监测电路是由带有串行接口的8位A/D转换器TLC0831 (见图20中的U0831) 组成的，其功能是监测仪器电源系统中的锂电池电压，并且将其转换为数字值，通过串行接 口和I/0扩展电路(见图20中的U/1/0)的I2C总线与MPC823e处理器(见图19中的U0) 连接。I/O扩展电路是由I2C总线远程8位I/O扩展器件PCF8574 (见图20中的U/1/O)组成， 其主要功能是为电池监测电路、背光控制电路、以态网收发驱动电路和电源开关电路控制提 供扩展I/0口线。图18中的总线驱动电路如图21所示，其是由8片具有方向引脚8总线收发器74LCX245 组成的(见图21中的U1、 U2、 U3、 U4、 U5、 U6、 U7和U8)，其主要功能是增加MPC823e 处理器(见图19中的U0)的地址总线、数据总线和控制总线的驱动能力。其中，Ul、 U2 和U3组成MPC823e(见图19中的U0)的地址总线驱动器，U5、 U6、 U7和U8组成MPC823e (见图19中的U0)的数据总线驱动器，U4组成MPC823e (见图19中的U0)控制总线的 读写总线驱动器。数据总线驱动器的数据传输方向控制是由U4输出的读信号线DGPLA1控 制的。图18中的32MB 128MB SDRAM存储系统电路如图22所示，其主要是由4片MT48LC 系列SDRAM存储芯片组成的(见图22中的U12、 U13、 U14和U15)，主要功能是作为主 机系统内存。若U12、 U13、 U14和U15采用的是MT48LC32M16A2TG，贝U SDRAM存储系 统的总容量为256MB;若U12、U13、U14和U15采用的是MT48LC16M16A2TG，则SDRAM 存储系统的总容量为128MB;若U12、 U13、 U14和U15采用的是MT48LC8M16A2TG，则 SDRAM存储系统的总容量为64MB;若U12、U13、U14和U15采用的是MT48LC4M16A2TG， 则SDRAM存储系统的总容量为32MB。这些芯片的类型选择是通过两个拨码开关实现的(见 图22中的RN1和RN2)。 SDRAM芯片的工作时钟是由MPC823e的输出时钟信号CLKOUT (见图19中的U0),并通过零延时缓冲CY2305 (见图22中的U11)提供的。需要注意的是， SDRM存储器的数据总线、地址总线和控制总线是与MPC823e处理器(见图19中的U0)直 接接口，并不是来自图21所示的总线驱动电路。图18中的16MB-64MB Flash存储器系统电路如图23所示，在仪器中其是以一块独立的 Flash存储卡形式出现，以便仪器维护和系统升级时更换。Flash存储卡是由4片28FxxxJ3系 列芯片(见图23中的U1、 U2、 U3和U4)和一个双列直插插头(见图23中的JFlash)组成 的，主要功能是保存主机的软件系统和地震记录数据。若Ul、 U2、 U3和U4采用的是28F128J3A,则Flash存储卡的容量为64MB;若U1、 U2、 U3和U4采用的是28F640J3A， 则Flash存储卡的容量为32MB;若U1、 U2、 U3和U4采用的是28F320J3A，则Flash存储 卡的容量为16MB。图23中的JFlash接插件是Flash存储卡与主机板实现电气和机械连接的 桥梁。图18中的LCD显示接口和专用键盘接口电路如图24所示，其主要功能是为仪器的彩色 图形液晶体显示器和专用键盘提供接口 。由于MPC823e嵌入式处理器芯片(见图19中的U0) 内置有LCD控制器，因此在主机板上的LCD接口电路比较简单(见图24中的JLCD和 RNLCD)。本实用新型采用的LCD显示器是800x600分辨率彩色TFT-LCD模块 LQ104S1DG21，图24中所提供的JLCD接口可以直接与此TFT-LCD模块直接连接。但是， 由于LQ104S1DG21具有三基色(R、 G和B) 18条显示数据信号线，而MPC823e内置的LCD 控制器只有三基色(R、 G禾QB) 12条显示数据信号线，因此在图24中增设了RNLCD接口 插座，以便将LQ104S1DG21的三基色多出6条显示数据线接地或接电源，通常采用直接接 地方式。图24中的键盘接口电路采用两片I2C总线远程8位I/O扩展器件PCF8574 (见图24 中的U36和U37)。图24中的RPZ2和RPZ2A是键盘接口上拉排阻，其可以保证键盘扫描时 的按键信号电平稳定。图24中的JKEY插座与位于仪器面板上的键盘接口连接，其最大可以 连接64个数字字符键和功能键，但是本实用新型在仪器实际只使用32个键。按键中断信号 接口电路采用的是74HC73中的一个JK触发器(见图20中的UJA)，其输出直接与MPC823e 嵌入式处理器(见图19中的U0) —个中断口线相连。图18中的以太网接口电路、USB接口电路和机-机通信接口如图25所示，其主要功能是 为仪器的以太网络和USB通信提供接口。由于MPC823e芯片(见图19中的U0)已经提供 了 10Mbps的以太网通信控制器，因此只需要外接以太网通信收发器就可以构成以太网通信 电路。图25中的以太网通信收发器采用通用10BASE-T收发器LXT905 (见图25中的U24)， 其时钟信号由20MHz时钟振荡器提供(见图25中的OSC2)。由于MPC823e芯片(见图19 中的U0)已经提供了 1.1版本的USB控制器，因此只需要外接USB通信收发器就可以构成 USB通信电路。图25中的USB通信收发器采用通用串行总线收发器PDIUSBPllA (见图25 中的U25)。机-机通信接口釆用的20芯插座(见图25中的JWAISHE)，其可以与位于仪器 面板上的转接口直接连接，仪器面板上的转接口与仪器的标准配件——具有USB HUB的机-机通信转接盒连接。图18中的调试与测试接口电路以及串行监控接口电路如图26所示，其主要功能是为主 机系统提供调试与测试接口。由于MPC823e芯片(见图19中的U0)已经提供了 UART控 制器，因此只需要外接RS232串行收发器就可以构成主机板串行监控接口电路。图26中的 串行接口电路是由RS232收发器、瞬变电压抑制器和RS232插座组成的。其中，RS232收发 器采用具有±15kV ESD保护的RS232收发器MAX3225ECAP (见图26中的U23 )，瞬变电压 抑制器采用SMAJ13CA (见图26中的TV1、 TV2、 TV3禾Q TV4)， RS232插座采用的是9芯 的梯形插座，可以直接与BDI2000硬件调试器和PC机接口。由于MPC823e芯片(见图19 中的UO)已经提供了用于芯片和电路板测试的JTAG控制器，因此主机系统的调试与测试接口电路相对简单。图26中的PDEBUG插座为调试接口 ，其可以直接与BDI2000硬件调试器 连接。图26中的PTAP插座为测试接口，可以与电路板测试装置直接接口。图18中的电源电路、复位电路和时钟电路如图27所示。主机系统电源电路是由主机系 统调试电源电路、PLL电源电路和电源开关电路组成的。其中，主机系统调试电源电路是由 线性电压调整器和电源插座组成的，其主要功能是将输入5V电源电压变成3.3电源电压供主 机系统的3.3V器件使用。线性电压调整器采用3A线性电压调整器CS5203A (见图27中的 RGO)，电源插座采用圆柱状的电源插座(见图27中的P5V)。需要注意的是，主机系统调试 电源电路只是在主机板开发调试时使用，正式产品中去掉此电路改由仪器的电源系统供电。 由于MPC823e芯片(见图19中的U0)中的PLL电路供电电压的稳定性直接影响到主机系 统主频的稳定性，因此在MPC823e的PLL电路电源供电引脚添加了 LC电路(见图27中的 Ll、 C6、 C6A、 CT13和CF36组成的电路)来保证供电电压稳定。电源开关电路是由与非门 SN74HC04 (见图27中的U17)和单通道电源分配开关器件MIC2025 (见图27中的U16) 组成的，其主要是为主机板上外围接口器件提供可关掉的供电电路，电源开关电源的控制信 号来自I/0口扩展电路(见图20中的U/0/1)。由于MPC823e处理器(见图19中的U0)具 有三种不同类型的复位引脚，即上电复位、硬件复位和软件复位，因此在图27中设计了上电 复位和软硬件复位电路。其中，上电复位电路是由具有上拉输出的复位器件DS1815 (见图 27中的U20)组成的，其为MPC823e处理器提供上电复位信号；软硬件复位电路是由具有 按钮功能的双复位器件DS1834 (见图27中的U22)组成的，其为MPC823e处理器提供硬件 和软件复位信号，软硬件复位电路的控制信号是由仪器面板上的复位按钮通过键盘接口 (见 图24中的JKEY)提供的。主机系统的时钟电路是由主时钟电路、辅时钟电路和USB时钟电 路组成的。其中，主时钟电路是由8MHz时钟振荡器(见图27中的OSC1)组成的，其为 MPC823e处理器提供主时钟信号，经过处理器内部的PLL倍频电路获得了 64MHz主频时钟 信号。辅时钟电路是由32.768KHz晶体振荡器(见图27中的CY2)和若干个阻容器件组成 的，其为MPC823e处理器低功耗模式时提供时钟。USB时钟电路是由48MHz时钟振荡器(见 图27中的OSCJJSB)组成的，其为MPC823e处理器内部的USB控制器提供时钟信号。图18中的主机系统与Flash卡和采集系统接口如图28所示。图28中的JCYB1、 JCYB2 和JREST是主机板与采样板的接口插件，其主要功能是实现主机板与采样板的电气与机械连 接。图28中的JFlash是主机板与Flash卡的接口插件，其主要功能是实现Flash卡与主机板 的电气与机械连接。 四、主机系统的机-机通信转接板图18中的基于USB HUB的机-机通信转接盒是本实用新型的标准配件，转接盒内置的机 -机通信接口电路板，其与主机板、TFT-LCD模块和带有专用键盘的PVC面板仪器构成了具 有通信功能的完整主机系统。机-机通信接口电路如图29所示，其是由USBHUB、电源电路 和若干个插座组成的，其主要功能是为仪器与PC机、U盘和USB键盘提供接口。图29中的 USB HUB采用USB 2.0低功耗HUB控制器GL850A (见图29中的Ul )，此HUB器件可以 提供四个USB接口，本实用新型使用了两个USB接口。图29中的JDB接口提供来自仪器18主机板的以太网和USB通信信号，JLAN接口采用的是标准以太网络RJ45接口插座，USB2 接口采用具有双USB接口的标准USB接口插座，JPower接口采用圆柱状的电源插座。电源 电路是由3A线性电压调整器CS5203A (见图29中的RG0)和若干LC器件组成的，其主要 功能是将5V的电源输入变成3.3V电源输出，为USB HUB芯片提供3.3V电源和机-机通信 转接盒外接的U盘和USB键盘提供5V电源。需要注意的是，机-机通信转接盒的电源是由 外接 220V交流输入5V直流输出的电源适配器提供的，而不是由仪器内部的电源系统提供， 因此机-机通信转接盒只允许在室内使用而不能用于现场。 五、仪器内置的电源系统本实用新型仪器内置的电源系统是由锂电池组、本安型电源系统电路和充电接口组成的 (如图30所示)，其主要功能是为仪器的采样板、采样控制板和主机板提供+5V、 -5V和+3.3V 稳定的电源，以及为TFT-LCD模块提供1.2-3.2V可调的LED背光电源。仪器内置的电源系 统框图如图30所示，其电路图如图31所示。图31中所示电池电路是由7.4V/10Ah锂电池组、限流电组和充电电路组成的，其主要功 能是为仪器提供煤矿本安型供电电源。其中，7.4V/10Ah锂电池组由2块3.7V/10Ah锂电芯 串接成的；限流电阻采用安装有散热片1.5Q/50W绕线电阻器(见图30中的RP1)，此龟阻 器背面涂有非硅脂强力散热膏，直接安装在电池盒内；充电电路是由2只3A的功率二极管 IN5822并联组成的，充电电源直接来自仪器标准配件专用充电器。整个电池电路安装在电池 盒内，并且半流淌型单组分室温固化有机硅焦HT901罐封，以便保护、密封和加固电池电路。仪器内置的电源系统电路是由电池接口、电源开关控制电路、采样板+5V电源电路、采 样板-5V电源电路、采样板+3.3￥电源电路、主机板与采样控制板+3.3V电源电路、主机板与 采样控制板+5V电源电路、LCD显示器的LED可调背光电源电路、电源板与釆样板接口组 成的分布式电源(如图30所示)，其主要功能是为仪器的采样板、采样控制板、主机板和 TFT-LCD模块提供所需要的稳定电源。整个分布式电源系统设计成一块独立的电源板，并且 电源板固定在电池盒上。图30中的电池接口采样4芯电源插座(见图31中的JB)，其主要 功能是实现电池电路与电源板的电气连接。图30中的电源控制开关电路是由小型功率继电 器、三极管、二极管和若干阻容元件组成的(见图31)，其主要功能是打开与关闭电池电路 与电源系统连接，实现仪器的开机与关机。电源控制开关电路的开与关控制信号来自仪器面 板的电源控制键区的"开"与"关"按键。图31中的电源开关电路所使用的电源开关继电器 为小型功率继电器G6C1114P-UL (见图31中的JQ1-5.0V)。图30中的采样板+5V电源电路 是由DC-DC变换器MAX710组成的(见图31中的U1),其主要是为采集系统的六通道模拟 输入电路和A/D转换电路提供隔离稳定的+5V模拟电路电源，以便保证采集系统的数据采集 精度。图30中的采样板-5V电源电路是由DC-DC变换器MAX764组成的(见图31中的U4)， 其主要是为采集系统的六通道模拟输入电路和A/D转换电路提供隔离稳定的-5V模拟电路电 源，以便保证采集系统的数据采集精度。图30中的采样板+3.3V电源电路是由1.5A低噪音 快速变化响应LDO电压调整器LT1963AEQ-3.3组成的(见图31中的U3)，其主要功能是为 采样板的A/D转换电路和启动触发电路提供稳定的+3.3V电源。图30中的主机板与采样控制板+3.3V电源电路也是由1.5A低噪音快速变化响应LDO电压调整器LT1963AEQ-3.3组成的 (见图31中的U5)，其主要功能是为主机板、采样控制板和采样板的采样存储器及其读写控 制电路提供稳定的+3.3V电源。图30中的主机板与采样控制板+5V电源电路是由DC-DC变 换器MAX710组成的(见图31中的U2)，其主要功能是为主机板和采样控制板提供隔离稳 定的+5V电源。图30中的LCD显示器L2 3.2V可调LED背光电源电路是由1.5A低噪音快 速变化响应LDO电压调整器LT1963AEQ-3.3 (见图31中的U8)、具有按钮控制32档数字电 位器X9511 (见图31中的U9)和背光电源控制电路(见图31中的T3)组成的，其主要功 能是为TFT-LCD模块的LED背光电路提供1.2-3.2V可调电源，以便控制LCD显示器亮度。 背光电源电路的LED背光亮度控制和亮度保存信号，直接来自仪器面板上的亮度控制键区的 "+"、 "_"和"存储"键，而背光电源的开关控制信号来自主机板的I/O 口扩展电路(见图20中的U/1/0)。图30中的电源系统与采集系统的接口采用40引脚双列直插插座(见图31 中的JD)，其通过扁平电缆实现电源板与采样板的电气连接。上面所述的本安型电池电路与分布式稳定电源系统电路组成了本实用新型的煤矿本安型 电源系统，并且整个电源系统安装在密封的电池盒内，以便保证电源系统的使用安全可靠性。
权利要求1. 一种高分辨率矿井地质探测仪，包括显示设备、参数设置设备、电源系统，其特征在于该仪器还包括有基于可编程片上系统SOPC数据采集控制平台的六通道高速高分辨率浅层地震数据采集系统和基于PowerPC体系结构32位嵌入式处理系统平台的主机系统；所述的基于可编程片上系统SOPC数据采集控制平台由可编程片上系统SOPC芯片、时钟发生器电路、串行Flash配置数据存储器及其接口、直接配置接口、配置控制指示电路、1MB SRAM程序数据存储器、电源电路及其接口、双端口总线开关电路、采样数据存储器接口和其它扩展接口组成的；可编程片上系统SOPC芯片内嵌有通用NIOS-II 32位嵌入式处理器软核、专用高速数据采集控制IP核和采样数据存储器读写控制IP核；所述的基于PowerPC体系结构32位嵌入式处理系统平台由基于PowerPC体系结构的32位嵌入式处理器、总线驱动电路、SDRAM存储系统、Flash存储系统、LCD显示接口、专用键盘接口电路、以太网接口电路、USB接口电路、机-机通信接口、电源电路、复位电路、时钟电路、实时时钟电路、电池检测电路、I/O口扩展电路、调试与测试接口电路、串行监控接口电路和采样板接口组成；基于PowerPC体系结构的32位嵌入式处理器采用MPC823e处理器，总线驱动电路是由8片具有方向引脚的8位总线收发器组成的，SDRAM存储系统是由4片SDRAM芯片组成的32MB～128MB容量随机存储系统，Flash存储系统是由4片Flash存储器芯片组成的16MB～64MB容量快闪存储系统，专用键盘接口电路是由2片I2C总线远程8位I/O扩展芯片组成的64个键接口电路，以太网接口电路是由通用10BASE-T以太网络收发器组成的，USB接口电路是由USB通用串行总线收发器组成的，电源电路是由主机系统调试电源电路、PLL电源电路和电源开关电路组成的，复位电路是由具有上拉输出的复位芯片和具有按钮功能的双复位芯片组成的上电复位和软硬件复位电路，时钟电路是由8MHz主时钟电路、32.768kHz辅时钟电路和48MHzUSB时钟电路组成的，实时时钟电路是由I2C总线接口实时时钟芯片、具有电池监测的控制器芯片和钮扣电池组成的，电池检测电路是由串行接口的8位A/D转换器组成的，I/O扩展电路采用的是I2C总线远程8位I/O扩展芯片，串行监控接口电路是由RS232串行收发芯片和瞬变电压抑制器组成的。
2、 根据权利要求1所述的高分辨率矿井地质探测仪，其特征在于所述显示设备为基于 LED背光800x600分辨率彩色TFT-LCD模块的显示器；所述参数设置设备为基于四个键区38个键的专 用PVC面板;所述的电源系统为基于锂电池组的本安型电源系统;所述的基于可编程片上系统SOPC 数据采集控制平台独立设计成采样控制板，六通道高速高分辨率浅层地震数据采集系统独立 设计成采样板，基于PowerPC体系结构32位嵌入式处理系统平台独立设计成主机板。
3、 根据权利要求1或2所述的高分辨率矿井地质探测仪，其特征在于所述六通道高速高分辨率浅层地震数据采集系统由6个独立的模拟输入通道、触发控制电路、采样控制板接口、采样数据存储器及其读写控制逻辑电路、主机板接口和电源接口组成；每个模拟输入通 道含有单分量检波器接口、阻容隔离电路、程控放大电路、放大缓^电路和24位高速A/D转换电路，所述程控放大增益档设计为0dB、 24dB、 36dB和48dB， A/D转换电路的采样间 隔设计为16微秒的倍数；触发控制电路含有触发启动接口、前置触发信号缓冲电路、触发方 式选择电路、触发阈值设置电路、触发启动比较电路和后置触发信号缓冲电路，实现内触发、 外触发、先断后短触发和先短后断触发四种可选触发方式；采样数据存储器及其读写控制逻 辑电路含有2片256kBxl6高速CMOS SRAM、 8片具有方向引脚的八总线收发器、1片总线 缓冲器、1片四逻辑与门芯片和上拉电阻，采样数据存储器的容量为1MB。
专利摘要本实用新型涉及一种高分辨率矿井地质探测仪，包括显示设备、参数设置设备、电源系统，其特征在于该仪器还包括有基于可编程片上系统SOPC数据采集控制平台的六通道高速高分辨率浅层地震数据采集系统和基于PowerPC体系结构32位嵌入式处理系统平台的主机系统，本实用新型可以构成低功耗矿用本安型的浅层高分辨率浅层地震勘探仪器，用于探测矿井地质和工程地质构造。具体地讲，不仅可以超前探测矿井采煤工作面和掘进工作面前方的地质构造；而且可以探测矿井巷道顶板和底板、两侧邦一定范围内的煤层和岩层的厚度和地质构造。此外，还可以用于道路路基和堤防缺陷探测。
文档编号G01V1/40GK201110896SQ20072000748
公开日2008年9月3日 申请日期2007年7月2日 优先权日2007年7月2日
发明者林存志, 林学龙, 陈经章 申请人:福州华虹智能科技开发有限公司