一种搭载式激发极化超前地质预报系统刀盘接线盒的制作方法

1.本发明涉及隧道工程技术领域，具体的说是一种搭载式激发极化超前地质预报系统刀盘接线盒。


背景技术：

2.在隧道施工过程中，为了保障施工安全，需要提前探明掌子面前方是否存在如断层、含水体、破碎带等不良地质体，否则将会导致安全隐患。目前，使用地震波超前探测方法进行隧道地质超前预报，是探测不良地质体的最常用最有效的方法之一，通常是采用主动源(亦称人工震源，如大锤、液压震源、气动震源等)在隧道边墙上激发地震波，由检波器及信号采集系统记录地震波信号，然后进行进一步的分析和反演，从而反映隧道前方的地质情况。其中，该方法最前端的环节即是如何准确、高效、便捷的探测到高质量地震信号数据。
3.在现有技术中，有的探测系统采用有线方式连接地震信号检波器和采集主机。虽然有线连接的技术相对成熟，但是检波器输出信号为电压型或电流型模拟信号，在长达数十米的长电缆上传输时不可避免的受到隧道施工现场电焊机、施工机械等设备的电磁干扰，造成干扰信号与有用信号的叠加。此外，需要大量施工人员进行布线、收线等操作，施工效率低；且电缆易磨损，造成成本增加。
4.因此，需要一种使用无线数据传输的地震采集系统完成对数据的采集、保存和传输。但现有技术中地震波无线采集系统通常存在的问题有：
①
采样精度及采样率较低，无法准确还原地震波形；
②
仅采用单分量检波器，无法获取隧道x/y/z三个方向上的地震波数据；
③
未考虑触发延迟和多个无线采集终端之间同步的问题。


技术实现要素：

5.本发明针对目前技术发展的需求和不足之处，提供一种搭载式激发极化超前地质预报系统刀盘接线盒。
6.本发明的一种搭载式激发极化超前地质预报系统刀盘接线盒，解决上述技术问题采用的技术方案如下：
7.一种搭载式激发极化超前地质预报系统刀盘接线盒，其结构包括：一台上位机、一台无线接入主站以及多台无线采集终端，上位机与无线接入主站通过usb接口连接并通信，无线接入主站与各无线采集终端通过无线方式进行通信；上位机向无线接入主站和无线采集终端下发控制指令、接收并处理控制指令的响应、接收并保存地震波采样数据、显示地震波形；
8.无线接入主站包括主站保护箱，内置于主站保护箱的mcu模块一、信号调理模块、无线模块一、usb模块、电源模块一、时钟模块一，外置于主站保护箱的触发传感器；mcu模块一分别连接信号调理模块、无线模块一、usb模块、电源模块一、时钟模块一，用于完成触发传感器的ad采样控制和采样数据存储、无线模块一的发送和接收、usb模块的发送和接收、电源模块一的电源管理；触发传感器用于固定在人工震源上，向信号调理模块发送电流信
号；信号调理模块用于将电流信号转换为电压信号，然后送入mcu模块一；mcu模块一对电压信号进行ad转换，并判定ad数据是否超出设定阈值，在ad数据超出设定阈值时，mcu模块一一方面通过无线模块一向多台无线采集终端广播下发触发完成指令，另一方面通过usb模块向上位机发送触发完成指令；电源模块一用于为整个无线接入主站提供电源；时钟模块一用于为mcu模块一提供高精度外部时钟源；
9.无线采集终端包括终端保护箱，内置于终端保护箱的mcu模块二、ad模块、cpld模块、无线模块二、电源模块二、时钟模块二，外置于终端保护箱的检波器；mcu模块二分别连接ad模块、cpld模块、无线模块二、电源模块二、时钟模块二，用于完成检波器的ad采样控制和采样数据存储、无线模块二的发送和接收、电源模块二的电源管理；无线模块二接收无线模块一传送的启动采样指令，此时，检波器开始采集x/y/z三个方向的地震波信号，并通过航插方式向ad模块传送电流信号；ad模块将电流信号转换为串行移位数据，cpld模块将串行移位数据转换为并行数据，并传送至mcu模块二进行读取；电源模块二用于为整个无线采集终端提供电源；时钟模块二用于为mcu模块二和ad模块提供高精度外部时钟源。
10.可选的，所涉及ad模块包括信号调理电路及ad芯片，信号调理电路将检波器输出的电流信号转换为电压信号，然后送入ad芯片；ad芯片为24位、四通道同步采样ad转换器，第一通道用于转换x轴地震波信号，第二通道用于转换y轴地震波信号，第三通道用于转换z轴地震波信号，第四通道用于转换噪声信号，噪声信号可以在处理数据时消除无线采集终端自身引入的干扰；每个通道除24位ad转换结果之外，还有8位数据校验，即每个通道每次转换输出32位串行移位数据；
11.cpld模块用于将ad模块同步输出的四路32位串行移位数据转换为并行数据。
12.优选的，所涉及mcu模块二、cpld模块、无线模块二、ad模块的ad芯片集成于一块电路板上，ad模块的信号调理电路、电源模块二集成于另一块电路板上，可以有效降低模拟电路与数字电路之间的干扰，还可以实现小型化设计，减小无线采集终端的终端保护箱设计尺寸。
13.可选的，所涉及电源模块一包括数字电路使用的3.3v电源、模拟电路使用的5v电源以及触发传感器使用的24v电源；
14.电源模块二包括数字电路使用的3.3v电源、模拟电路使用的5v电源以及检波器使用的24v电源；电源模块二采用内置可充电锂电池组供电，可充电锂电池组的电池电压经分压后送入mcu模块二，mcu模块二实时读取电池电压并上传至上位机；在暂时不需要采样时，mcu模块二控制关闭5v电源和24v电源，以延长无线采集终端的待机时间。
15.可选的，所涉及无线接入主站还包括sram模块一，sram模块一用于扩展mcu模块一的内存空间，以存储人工震源触发前及触发后的触发传感器采样数据，sram模块一也可用于mcu模块一的运行内存；
16.和/或，
17.无线采集终端还包括sram模块二，sram模块二与mcu模块二集成于同一块电路板上，用于扩展mcu模块二的内存空间，以存储人工震源触发前及触发后的检波器及噪声通道的ad数据，sram模块二也可用于mcu模块二的运行内存。
18.可选的，所涉及无线模块一和无线模块二分别采用2.4g射频无线收发芯片；
19.无线模块一用于与无线采集终端之间进行双向通信，以实现发送控制指令、接收
指令响应及采样数据；
20.无线模块二用于与无线接入主站之间进行双向通信，以实现接收控制指令、发送指令响应及采样数据。
21.可选的，所涉及无线模块一和无线模块二分别包括射频发送功率放大电路、接收功率放大电路和外置天线，用于提高射频发送和接收功率、增加无线通信的通信距离。
22.优选的，所涉及触发传感器选用单轴加速度传感器，通过外部电缆及航空插头连接至信号调理模块；
23.检波器选用三轴加速度传感器，通过外部电缆及航空插头连接至ad模块。
24.优选的，所涉及时钟模块一和时钟模块二分别采用温度补偿有源晶振，频率精度优于0.1ppm。
25.优选的，所涉及无线采集终端的数量为1-12台。
26.本发明的一种搭载式激发极化超前地质预报系统刀盘接线盒，与现有技术相比具有的有益效果是：
27.(1)本发明采用无线方式传输控制指令及采样数据，无须铺设电缆，无线采集终端的数量及位置可自由布置，能够使所有无线采集终端同步开启采样、同步触发，保证各无线采集终端的时间一致性，具有便于携带和安装、采样精度及采样率高、可适配不同人工震源、同步性好、可回溯触发前的采样数据等特点，可以满足隧道施工环境的要求；
28.(2)本发明可以采集x/y/z三个方向的地震波信号及一路噪声信号，采样精度为24位、采样率最高支持64ksps，可以采集到高质量地震波原始信号，并且可利用噪声信号消除无线采集终端自身引入的干扰；
29.(3)本发明可以回溯无线采集终端触发前的采样数据，消除从人工震源实际触发到无线采集终端接收到触发完成指令之间的信号传输带来的延时，防止丢失数据。
附图说明
30.附图1是本发明的系统连接框图；
31.附图2是本发明中无线接入主站的结构连接框图；
32.附图3是本发明中无线采集终端的结构连接框图；
33.附图4是本发明中sram模块二存储数据示意图。
34.附图中各标号信息表示：
35.1、上位机，2、无线接入主站，3、无线采集终端；
36.2-1、mcu模块一，2-2、触发传感器，2-3、信号调理模块，2-4、sram模块一，
37.2-5、无线模块一，2-6、usb模块，2-7、电源模块一，2-8、时钟模块一；
38.3-1、mcu模块二，3-2、检波器，3-3、ad模块，3-4、cpld模块，
39.3-5、sram模块二，3-6、无线模块二，3-7、电源模块二，3-8、时钟模块二。
具体实施方式
40.为使本发明的技术方案、解决的技术问题和技术效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
41.实施例一：
42.结合附图1-4，本实施例提出一种搭载式激发极化超前地质预报系统刀盘接线盒，其结构包括：一台上位机1、一台无线接入主站2以及多台无线采集终端3，上位机1与无线接入主站2通过usb接口连接并通信，无线接入主站2与各无线采集终端3通过无线方式进行通信。本实施例中无线采集终端3的数量不超过12台。
43.上位机1为计算机(通常为笔记本电脑或工控机)和软件的总称，主要功能为：向无线接入主站2和无线采集终端3下发控制指令、接收并处理控制指令的响应、接收并保存地震波采样数据、显示地震波形。
44.无线接入主站2包括主站保护箱，内置于主站保护箱的mcu模块一2-1、信号调理模块2-3、无线模块一2-5、usb模块2-6、电源模块一2-7、时钟模块一2-8，外置于主站保护箱的触发传感器2-2。mcu模块一2-1包括型号为c8051f120的mcu芯片及其外围电路。mcu模块一2-1分别连接信号调理模块2-3、无线模块一2-5、usb模块2-6、电源模块一2-7、时钟模块一2-8，用于完成触发传感器2-2的ad采样控制和采样数据存储、无线模块一2-5的发送和接收、usb模块2-6的发送和接收、电源模块一2-7的电源管理。触发传感器2-2选用单轴加速度传感器，用于固定在人工震源上，通过外部电缆及航空插头连接至信号调理模块2-3，并向信号调理模块2-3发送电流信号。信号调理模块2-3用于将电流信号转换为电压信号，然后送入mcu模块一2-1。mcu模块一2-1对电压信号进行ad转换，并判定ad数据是否超出设定阈值，在ad数据超出设定阈值时，mcu模块一2-1一方面通过无线模块一2-5向多台无线采集终端3广播下发触发完成指令，另一方面通过usb模块2-6向上位机1发送触发完成指令。电源模块一2-7用于为整个无线接入主站2提供电源，电源模块一2-7包括数字电路使用的3.3v电源、模拟电路使用的5v电源以及触发传感器2-2使用的24v电源。时钟模块一2-8采用温度补偿有源晶振，频率精度优于0.1ppm，用于为mcu模块一2-1提供高精度外部时钟源。
45.本实施例的无线接入主站2还包括sram模块一2-4，sram模块一2-4用于扩展mcu模块一2-1的内存空间，以存储人工震源触发前及触发后的触发传感器2-2采样数据，sram模块一2-4也可用于mcu模块一2-1的运行内存。
46.无线采集终端3包括终端保护箱，内置于终端保护箱的mcu模块二3-1、ad模块3-3、cpld模块3-4、无线模块二3-6、电源模块二3-7、时钟模块二3-8，外置于终端保护箱的检波器3-2。mcu模块二3-1包括型号为c8051f120的mcu芯片及其外围电路。cpld模块3-4的型号为xc2c384。mcu模块二3-1分别连接ad模块3-3、cpld模块3-4、无线模块二3-6、电源模块二3-7、时钟模块二3-8，用于完成检波器3-2的ad采样控制和采样数据存储、无线模块二3-6的发送和接收、电源模块二3-7的电源管理。无线模块二3-6接收无线模块一2-5传送的启动采样指令时，检波器3-2开始采集x/y/z三个方向的地震波信号，并通过外部电缆及航空插头连接至ad模块3-3，向ad模块3-3传送电流信号，此过程使用的检波器3-2选用三轴加速度传感器；ad模块3-3包括信号调理电路及ad7768-4芯片，信号调理电路将检波器3-2输出的电流信号转换为电压信号，然后送入ad7768-4芯片；ad7768-4芯片为24位、四通道同步采样ad转换器，第一通道用于转换x轴地震波信号，第二通道用于转换y轴地震波信号，第三通道用于转换z轴地震波信号，第四通道用于转换噪声信号，噪声信号可以在处理数据时消除无线采集终端3自身引入的干扰；每个通道除24位ad转换结果之外，还有8位数据校验，即每个通道每次转换输出32位串行移位数据。cpld模块3-4用于将ad模块3-3同步输出的四路32位串行移位数据转换为并行数据，并传送至mcu模块二3-1进行读取。电源模块二3-7用于为整个
无线采集终端3提供电源，包括数字电路使用的3.3v电源、模拟电路使用的5v电源以及检波器3-2使用的24v电源；电源模块二3-7采用内置可充电锂电池组供电，可充电锂电池组的电池电压经分压后送入mcu模块二3-1，mcu模块二3-1实时读取电池电压并上传至上位机1；在暂时不需要采样时，mcu模块二3-1控制关闭5v电源和24v电源，以延长无线采集终端3的待机时间。时钟模块二3-8采用温度补偿有源晶振，频率精度优于0.1ppm，用于为mcu模块二3-1和ad模块3-3提供高精度外部时钟源，以在ad模块3-3采样期间最大限度避免时钟累计误差造成的采样数据不同步。
47.本实施例的无线采集终端3还包括sram模块二3-5，sram模块二3-5用于扩展mcu模块二3-1的内存空间，以存储人工震源触发前及触发后的检波器3-2及噪声通道的ad数据，sram模块二3-5也可用于mcu模块二3-1的运行内存。
48.本实施例的无线接入主站2和无线采集终端3中，无线模块一2-5和无线模块二3-6分别采用2.4g射频无线收发芯片，其中：无线模块一2-5用于与无线采集终端3之间进行双向通信，以实现发送控制指令、接收指令响应及采样数据；无线模块二3-6用于与无线接入主站2之间进行双向通信，以实现接收控制指令、发送指令响应及采样数据。当然，无线模块一2-5和无线模块二3-6还分别包括射频发送功率放大电路、接收功率放大电路和外置天线，用于提高射频发送和接收功率、增加无线通信的通信距离。
49.需要补充的是，mcu模块二3-1、cpld模块3-4、sram模块二3-5、无线模块二3-6、ad模块3-3的ad7768-4芯片集成于一块电路板上，ad模块3-3的信号调理电路、电源模块二3-7集成于另一块电路板上，可以有效降低模拟电路与数字电路之间的干扰，还可以实现小型化设计，减小无线采集终端3的终端保护箱设计尺寸。
50.本实施例的工作过程为：
51.步骤s1、开启无线采集终端3，通过无线接入主站2的无线模块一2-5查找无线通信范围内的所有无线采集终端3，通常来说，无线接入主站2一次最多连接12台无线采集终端3；
52.对于已查询到的所有无线采集终端3，通过mcu模块二3-1获取电源模块二3-7的电池电压，根据电池充放电特性曲线得到当前电池剩余电量百分比，预估可使用的采样时间和待机时间。
53.步骤s2、启动采样前，激活无线采集终端3，即开启5v电源和24v电源为ad模块3-3和检波器3-2供电，此时检波器3-2开始监测地震波信号，但mcu模块二3-1不记录ad模块3-3的转换结果。
54.步骤s3、根据工程实际需求设置采样参数，包括：采样率、采样时间、采样回溯时间、触发灵敏度。
55.通常来说，采样率sr支持1k、2k、4k、8k、16k、32k、64k，对应的采样间隔分别为1ms、0.5ms、0.25ms、0.125ms、62.5us、31.25us、15.625us；最大可设置的采样时间ts与采样率sr成反比，在8k采样率时，采样时间可设置的范围为1～16384ms，通常设置为2的n次方毫秒，例如512ms、1024ms等；采样回溯时间tb，即无线采集终端3收到触发信号前缓存采样数据的时间，可设置的范围为0～16ms，触发后的采样时间tc为采样时间ts减去采样回溯时间tb，即tc＝ts-tb；触发灵敏度可根据不同类型的人工震源或不同使用环境设置为超高、高、中、低、超低五个档位，以保证只有在实际激发时触发传感器2-2才会触发，可以有效避免误触
发。
56.步骤s4、启动采样，无线接入主站2开始对触发传感器2-2的输出进行ad采样，并向所有无线采集终端3广播下发启动采样指令，无线采集终端3通过无线模块二3-6收到启动采样指令后立即重启ad模块3-3的ad7768-4芯片，然后开始对检波器3-2的输出进行ad采样，由此保证各无线采集终端3启动采样的同步性；
57.在启动采样后、触发完成之前，无线采集终端3将ad数据存储在sram模块二3-5的存储区1中，存储区1的大小由mcu模块二3-1动态分配，为当前采样率sr和采样回溯时间tb所对应全部4个通道、每个通道4字节数据的字节数n1，即n1＝sr*tb*4*4；数据存储指针1从存储区1的起始处向后移动，当移动到存储区1的末尾处后再跳转到起始处，即数据在存储区1中循环覆盖。
58.步骤s5、人工控制震源激发，无线接入主站2读取到触发传感器2-2的ad结果超过触发阈值，此时，向所有无线采集终端3广播下发触发完成指令，并向上位机1上传触发完成指令；各无线采集终端3的无线模块二3-6收到触发完成指令后，通过mcu模块二3-1停止将ad数据存储至sram模块二3-5的存储区1，并记录此时指针1的位置，然后开始将ad转换结果存储在sram模块二3-5的存储区2中，存储区2的大小由mcu模块二3-1动态分配，为当前采样率sr和采样时间ts所对应全部4个通道、每个通道4字节数据的字节数n2，即n2＝sr*ts*4*4；存储区2在起始处为回溯数据预留出所需的空间n1，数据存储指针2从存储区2的n1处向后移动，当移动到存储区2的末尾处后表示已达到采样时间ts，mcu模块二3-1控制ad模块3-3停止采样，此时存储区2内存储数据的字节数n3＝sr*tc*4*4；停止采样后，mcu模块二3-1根据收到触发指令时指针1的停止位置，将存储区1中长度为n1的数据按照时间先后顺序重新排列并拷贝到存储区2的起始处；此时存储区2内的数据为采样回溯时间tb所对应数据n1与触发后的采样时间tc所对应数据n3之和，即采样时间ts对应的数据n2。
59.步骤s6、上位机1收到触发完成指令后开始计时，经过采样时间ts后无线采集终端3完成采样；上位机1依次向所有无线采集终端3下发上传数据指令，所有无线采集终端3将sram模块二3-5中存储区2内的所有ad采样数据上传至上位机1；上位机1对收到的数据进行存储和解析，并显示各无线采集终端3、各通道的波形。
60.综上可知，采用本发明的一种搭载式激发极化超前地质预报系统刀盘接线盒，具有便于携带和安装、采样精度及采样率高、可适配不同人工震源、同步性好、可回溯触发前的采样数据等特点，可以满足隧道施工环境的要求。
61.以上应用具体个例对本发明的原理及实施方式进行了详细阐述，这些实施例只是用于帮助理解本发明的核心技术内容。基于本发明的上述具体实施例，本技术领域的技术人员在不脱离本发明原理的前提下，对本发明所作出的任何改进和修饰，皆应落入本发明的专利保护范围。