矿井巷道超前探测仪的制作方法

专利名称：矿井巷道超前探测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及矿井巷道和道路隧道施工地质超前预报领域的一种多波多分量浅层地震 勘探仪器，其专门用于超前预报矿井巷道掌子面前方的小构造断层所造成的煤层缺失和不良 地质体(如断层及其破碎带、陷落柱、裂隙、采空区、小窑老空区、岩溶和富水带等)所造 成的煤矿生产不安全因素，以及用于超前预报道路隧道和隧洞掌子面前方的岩性变化(如推 断断层、岩石破碎带、岩溶发育带、溶洞、含水带和富水带等不良地质体的位置、规模、产 状和岩石动力学参数)，以便保证隧道施工安全。
背景技术：
道路隧道和矿井巷道超前探测是工程地球物理工作者所面临的一个难题，此问题是由于 大量道路隧道施工地质超前预报，以及矿产资源开采特别是煤矿资源开采中的巷道地质超前 预报问题而延伸出来。从原理上讲，凡是能够进行隧道和巷道掌子面超前地质勘探的所有地 质和地球物理方法都能用来进行隧道和巷道超前探测。目前，可以用于隧道和巷道施工阶段的地质超前预报方法有如下几种地质分析法(包 括断层参数预测法、地质体投影法和掌子面编录预测法等)、超前钻探法(包括超前水平岩芯 钻探法、工作面浅孔钻探法和超前导坑法等)、地球物理勘探方法(包括地震负视速度法、地 震横排列法、隧道地震预报法、隧道地震层析成像法、真反射层析成像法、高频地震反射波 法、瑞利面波法、地质雷达法、红外探水法、电法和电磁法等)和地质物探综合分析法。其 中，地质分析法对于隧道和巷道埋深较浅并且地质构造不太复杂的情况下，可以取得较好效 果，但是在地质构造比较复杂地区及深埋隧道和巷道的情况下，此方法工作难度较大并且准 确性难以保证。超前钻探法是一种最直接地质超前预报方法，并且可以及时掌子面前方几米 到几十米甚至上百米的地质特征，但是此方法需要占用较长的施工时间兵器并且费用高。因 此，目前在隧道和巷道施工地质超前预报中大多采用地球物理勘探方法。在地球物理勘探方 法中，应用最为广泛和技术最成熟的地震负视速度法和隧道地震预报法，其具有占用施工工 作时间短、费用低和探测距离远(超前探测距离为150 200m,最大可达500m)等特点。地震负视速度法和隧道地震预报法都是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性 来预报隧道和巷道掌子面前方及周围临近区域的地质情况，可以检测出掌子面前方岩性变化。 其基本原理是首先在隧道和巷道洞室内指定的震源点(通常位于洞室的左或右壁侧布置 18 24个爆点并且成一直线)，用小量炸药激发产生地震波，地震波在岩石中以球面波形式向 前传播，当地震波遇到岩石物性界面(即波阻抗界面，如断层、岩石破碎带、岩性突变等) 时， 一部分地震波反射回来被一个或两个三分量高灵敏度检波器(通常是左右侧壁各布置一 个)接收并被仪器记录下来，通过对所接收的地震波反射信号的运动学和动力学特性分析， 便可以推断断层、岩石破碎带等不良地质体的位置、规模、产状和岩石动力学参数。目前，国内外先进的隧道施工地质超前预报仪器有瑞士安伯格(Amberg)测量公司制的TSP203隧道超前地震预报系统和北京水电物探技术研究所开发的TGP12隧道地质预报仪。 TSP203隧道超前地震预报系统采用地震数据采集系统与主机系统分体组合结构。其中，地震 数据采集系统为12通道(即4个三分量通道)、24位A/D转换、采样间隔为62. 5/125微秒、 动态范围为120dB、频带宽度为1 5000Hz、最小记录长度为451ms、最大记录长度为1808ms; 主机系统采用防撞击型便携式计算机(Panasonic Toughbook CF-29)，整个系统重量为12. lkg。 TGP12隧道地质预报仪采用地震数据采集系统和主机系统一体化的全密封防水抗震结构。地 震数据采集系统为12通道(4个独立的三分量通道)、20位A/D转换器并配置有瞬时浮点放 大电路、动态范围为120 132dB、采样间隔有八档(即10、 30、 60、 90、 120、 250、 500和 1000微秒)、采样点数有四档(即1024、 2048、 4096、 8192点)、最大记录长度为8. 192秒、 具有模拟滤波器(可设置为全同、高通1和高通2);主机采用IBM便携式计算机(其配置为 DOTH (750) 1.8G/256MB/40G/WIN XP PRO/ATI RADEN *300 64MB DDR2/指纹识别系统)，显 示采用强背光亮度的TFT-LCD显示屏，采用密封触摸式键盘面板。TSP203隧道超前地震预报系统和TGP12隧道地质预报仪具有技术先进、功能强大、预报 距离长(15(T200m)、精确度高、地质解释直观和形象等优点，但是也存在不少缺陷。TSP203 隧道超前地震预报系统不仅价格高而且耗材贵，每套系统价格为17~18万美元，并且每采一 个排列的最大耗材中的三分量检波器套管价格为300 350美元/支，每采一个排列数据的耗用 需要近1. 5万人民币。TGP12隧道地质预报仪针对TSP203价格高和耗材贵等缺点进行了不少 改进，例如，将三分量检波器采用钻孔中锚固特殊异型钢导管耦合方式改为采用普通黄油注 入孔中与岩石耦合，方便经济快捷；将采用起爆器电脉冲传输触发方式改为爆炸开路触发方 式，使地震数据采集与起爆同步而无延时，并且无需使用地震电雷管而采用一般电雷管或火 雷管即可。 '由于TSP203和TGP12都采用便携式计算机作为仪器的主机系统，整个系统的功耗非常大， 难以满足煤矿本安型产品对功耗要求，不可能通过煤矿安全标志认证。因此，如何充分利用 目前隧道地质超前预报仪器和系统的先进技术，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巷道地质超前预报仪器，是保证煤 矿巷道掘进的施工地质安全迫切需要解决的问题。发明内容为了克服目前隧道地质超前预报仪器和系统的功耗高问题，本实用新型提供一种新型矿 井巷道地质超前预报仪器——矿井巷道超前探测仪，其不仅利用当今最先进的隧道地质超前 预报技术，并且使仪器的功耗满足煤矿本安型产品要求，此外，仪器还具有体积小重量轻特 点，能够较好地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S0PC数据采集控制平台的双三分量六通道高速高分辨率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(S0PC)采集控制平台的双三分量六通道独立"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)的嵌入式系统平台；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(S0PC)采集控制平台的双三分 量六通道独立"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) 采用双三分量六通道数据采集系统方案，满足矿井巷道施工地质超前预报技术需要。 首先，由于在目前的隧道地质超前预报现场探测中，绝大多数都采用双三分量检波器接收地 震波，而极少数釆用四个三分量检波器接收地震波，因此在矿井巷道超前探测中采样双三分 量检波器接收可以满足巷道施工地质超前预报技术的要求。其次，可以极大地降低仪器的数 据采集系统功耗，采用双三分量检波器接收而不采用四个三分量检波器接收。可以使数据采 集系统中的模拟输入通道数减小一半，从而降低了数据采集系统功耗。(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，有的隧道地质超前预报仪器(如TGP12)在数据采集通道中嵌入硬件滤波电路和浮点放 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 集到来自三分量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，在本实用新型仪器的数据 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。这样，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 进的隧道超前地质预报仪器(如TSP203)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(S0PC)采集控制平台的数据采集系统方案，可以很地解决仪器高速复杂的地震信号数据采集控制问题。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 Altera公司可编程片上系统(S0PC)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-II嵌入式处理器软核，从而在单芯片上解决了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采集系统作为一个独立数据采集平台。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，决大多数先进的隧道超前预 报仪器都采用便携式计算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便携式计算机所提供的资源，加快仪器开发进度。但是，此方 案也存在有一个弱点，即仪器的主机系统功耗大并且成本高。对于隧道地质超前预报仪器来 讲，功耗高可能影响不是很大，但是对于煤矿井下使用的矿井巷道超前探仪器来讲，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。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 满足隧道和巷道施工地质超前探测仪器主机系统对硬件平台的基本需求，而且还可以满足超 前探测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。其与基于便携式计算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 矿井巷道超前探测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，这是基于便携式计算机的主机系统方 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，采用基于便携式计算机的主机系统， 其软件系统的核心通常采用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。对于采用固态盘的矿井巷道超前探测仪器来讲，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隧道和巷道施工地质超前预报仪器的不可缺少基本的功 能，因此图形显示器是地质超前预报仪器必备的组件。目前，隧道地质超前预报仪器所采用 的强背光亮度的TFT-LCD显示屏。对于隧道地质超前预报仪器来讲，TFT-LCD显示器采用何 种背光源不是设计关注的焦点，但是对与矿井巷道超前仪器来讲，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10BASE-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4块电芯，2并两串加保护板，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先进矿井巷道施工地质超前探测仪 器，专门用于超前预报矿井巷道掌子面前方的小构造断层所造成的煤层缺失和不良地质体(如 断层及其破碎带、陷落柱、裂隙、采空区、小窑老空区、岩溶和富水带等)所造成的煤矿生 产不安全因素，以及用于超前预报道路隧道和隧洞掌子面前方的岩性变化(如推断断层、岩 石破碎带、岩溶发育带、溶洞、含水带和富水带等不良地质体的位置、规模、产状和岩石动 力学参数)，以便保证隧道施工的安全。


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(S0PC)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(S0PC)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(S0PC)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17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
本实用新型矿井巷道超前探测仪，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双三分量六通道高速高分辨率数据采 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。上述显示设备为基于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，双三分 量六通道高速高分辨率数据采集系统独立设计成采样板，基于PowerPC体系结构的32位嵌入 式处理系统平台独立设计成主机板。上述双三分量六通道高速高分辨率数据采集系统由双三分量6通道独立的模拟输入电路、 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；每道模拟输入电路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，程控放大增益档设计为OdB、 24dB、 36dB和48dB， A/D转换电路的采样间隔设计为16微秒的倍数，即在16、 32、 48、……、160000微秒范围 内任意选择；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的触发方式；架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、专用高速数据采集控制IP核和采样数据存储器读写控制IP核。上述的基于PowerPC体系结构的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容量快闪存储系统并以Flash存储卡形式插接在主机板上，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48MHz USB时钟电路组成的， 实时时钟电路是由12C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，1/0扩展电路采用12C总线远程8 位1/0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。在图1中，将根据施工观测系统布置好两个三分量检波器，并将三分量检波器通过线缆连 接到三分量检波器接口，将爆炸震源激发启爆器的触发启动线缆连接到触发启动接口。通过 人起爆器起爆孔中的炸药激发地震波，同时产生触发采样的启动信号，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双 三分量6个独立的模拟输入通道进行数据采样。来自三分量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机上的地质超前预报处 理与解释软件中，可以通过图1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釆集控制平台(采用控制板)为核心，是一个具有双三 分量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单分量检波器接口、阻容隔离电路、程控放大、放大 缓冲电路和AZD转换电路组成的。其中，6个通道的单分量检波接口、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和CC8、 CD7和CD8、 CE7和CE8、 CF7和CF8及其相关电阻。仪用放大器采用的 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 0P放大器0PA1632 (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。0PA1632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0PA350(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，并且动态范围大于120dB，采样点数为512、 1024、 2048、 4096、 8192、 163284点。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(爆炸短路)爆和先短后断触发(爆 炸开路)。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12是由CM0S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T1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256K x 16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、 U34、 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)组成的，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DGPLA10)，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一3.3)，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U2卯的 输入信号AD—SRAM_WE，来自数据采集控制平台(采样控制板)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—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、 SW0N2 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、釆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(S0PC)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(S0PC)芯片采用Cyclone FPGA系列的S0PC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 1/0标准、66-MHz 32位PCI标准以及低速(311Mbps) LVDS 1/0， 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NI0S-II 32位嵌入 式处理器软核在内的多种Altera S0PC标准的IP核)，芯片BGA封装并且提供301个用户 1/0引脚。本实用新型在图7的SOPC芯片EP1C20内嵌入了通用的32位NI0S-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S0PC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S0PC芯片上各种接口电路如图8所示。其中，U1A是SOPC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UIF还提供了一些扩展I/O 口； U1E是S0PC芯片与其外界时钟和配置电路接口； U1D是SOPC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 本的紀置芯片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、 EthernetBlaster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、 UIO、 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/0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USB HUB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，其不仅可以满足超前探测仪器地震记录 数据显示与处理需要，并且还可以满足超前探测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超前探测仪器所需要外围接口电路，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/O 扩展电路(见图20中的U/I/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/I/0)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/O 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。16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，则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CLK0UT (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Ul、 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Ul、 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中的几CD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 提供的几CD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和B) 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UO) —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UO)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0SC2)。由于MPC823e芯片(见图19中的UO)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 -机通信接口采用的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)己经提供了 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 有土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和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U0)己经提供了 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UO)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/O 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0SC1)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OSC一USB)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USBHUB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接口提供来自仪器主机板的以太网和 USB通信信号，几AN接口采用的是标准以太网络RJ45接口插座，USB2接口釆用具有双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RGO)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 串接组成的；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)，此电 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+3.3V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、电源板与采样板接口组成的 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Ul)，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1.2 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. 一种矿井巷道超前探测仪，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双三分量六通道高速高分辨率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-II32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体系结构的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容量快闪存储系统并以Flash存储卡形式插接在主机板上，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48MHz USB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。
2、 根据权利要求1所述的矿井巷道超前探测仪，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，双三分量六通道高速高分辨率数据采 集系统独立设计成采样板，基于PowerPC体系结构的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所述的矿井巷道超前探测仪，其特征在于所述双三分量六通道高速高分辨率数据采集系统由双三分量6通道独立的模拟输入电路、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；每道模拟 输入电路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，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，即在16、 32、 48、……、160000微秒范围内任意选择；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 触发四种可选的触发方式；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矿井巷道超前探测仪，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双三分量六通道高速高分辨率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；本实用新型可专门用于超前预报矿井巷道掌子面前方的小构造断层所造成的煤层缺失和不良地质体所造成的煤矿生产不安全因素，以及用于超前预报道路隧道和隧洞掌子面前方的岩性变化，以便保证隧道施工的安全，并具有体积小重量轻等特点，能够较好地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。
文档编号G01C7/00GK201110758SQ20072000748
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