龐恒昌，吳 銳，尤 辰

(東方地球物理公司西安物探裝備分公司 陜西 西安 710077)

·開發(fā)設計·

無線組網式電磁采集儀設計

龐恒昌，吳 銳，尤 辰

(東方地球物理公司西安物探裝備分公司 陜西 西安 710077)

隨著非地震勘探方法的發(fā)展與進步，二維勘探向三維勘探發(fā)展，多測線、多排列是必然趨勢，相應的勘探設備也在不斷改進提高。為滿足時頻電磁勘探方法發(fā)展的需求，研制了一種無線節(jié)點組網式電磁采集儀。通過一臺主機向各采集站通過無線ZigBee發(fā)送控制命令，并把個站采集的疊加數據傳回到主機，進行監(jiān)控顯示，可實時無線傳輸疊加數據、采集站工作狀態(tài)等。準確可靠的長穩(wěn)時鐘，確保了每個采集站采集數據的準確性、有效性、一致性。每個采集站內具有數據疊加處理功能，傳回的監(jiān)控數據是疊加結果，數據量很小，大大提高了主機的帶道能力，確保實現(xiàn)三維電磁勘探成為可能。

電磁采集儀；長穩(wěn)時鐘；時頻電磁；無線節(jié)點組網

0 引 言

時頻電磁勘探方法是從俄羅斯引進的一種人工源電磁勘探技術。經過十多年的應用、發(fā)展，中石油東方地球物理公司對其不斷改進提高和發(fā)揚光大，該方法有了長足的進步，得到了國內外各大石油公司廣泛認可，勘探工作量也在不斷擴大。時頻電磁勘探設備由兩大部分構成，一是大功率可控發(fā)射源(120 kW)，另一部分是時頻數據采集儀。發(fā)射源經過不斷開發(fā)研制，已生產出了具有國際先進水平的高壓(1 200 VDC)、大電流(120 A)的恒流發(fā)射儀，已滿足時頻電磁勘探的需求。目前時頻數據采集儀主要以俄羅斯儀器為主，這些儀器多為24道模擬集中式采集，其抗干擾能力相對較差。其次是少量的無線節(jié)點儀，只能盲采，無法實時監(jiān)測，應用也有局限性。為此，新開發(fā)研制了的無線組網式電磁采集儀，該儀器不但具有實時傳輸監(jiān)視能力，而且儀器輕便，為實現(xiàn)三維時頻電磁勘探奠定了基礎。

1 無線組網式電磁采集儀整體構架

為了滿足野外數據采集的需要，設計一種基于無線傳輸網絡的多通道數據采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)多通道數據信號的同步拾取、數據轉換、存儲及數據傳輸等功能。系統(tǒng)由控制中心和多個終端采集節(jié)點(采集站)組成，可實現(xiàn)多個采集站的同步數據采集，并將采集到的數據進行實時存儲，以便工作人員進行分析。

控制主機為一臺配備英特爾酷睿i3或相當級別CPU、安裝Windows 7操作系統(tǒng)的筆記本電腦，與ZigBee無線組網收發(fā)盒一起構成控制中心，主機通過RS232或USB 2.0接口與ZigBee收發(fā)盒連接，將命令通過無線通信方式發(fā)送至每個節(jié)點。該收發(fā)盒是無線數據通訊執(zhí)行機構，負責接收GPS時間包信息，發(fā)送命令、接收狀態(tài)信息與終端采集節(jié)點發(fā)來的疊加數據。

每個終端采集節(jié)點有自己的無線收發(fā)單元，接收到控制單元的命令后，執(zhí)行相應的操作，并將采集的數據疊加處理后通過無線方式發(fā)送到控制主機，以便實時監(jiān)控采集的數據質量。多個終端采集節(jié)點通過無線通信方式形成一個多跳的自組網絡系統(tǒng)，適合對功耗、體積、精度均有嚴格要求的應用場合。

系統(tǒng)的整體結構及控制中心示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結構及控制中心示意圖

2 ZigBee數據傳輸通訊的可靠性設計

2.1 ZigBee無線通信模塊設計原理

ZigBee技術是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案。它依據IEEE802.15.4標準，在數千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。

ZigBee的技術特點主要包括以下內容：

1)功耗低：由于工作時間較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，使得ZigBee節(jié)點非常省電，工作時間可以長達6個月到2年左右。

2)數據傳輸可靠：ZigBee的媒體接入控制層(MAC層)采用talk.when.ready的碰撞避免機制，每個發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息，避免了發(fā)送數據時的競爭和沖突。

3)時延短：通信時延和從休眠狀態(tài)恢復到正常工作狀態(tài)的時延都做了相應的優(yōu)化，時延比較短。

4)安全性：ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，在數據傳輸中提供了三級安全性。

5)實現(xiàn)成本低：ZigBee的價格目標僅為幾美分。

6) ZigBee網絡的自組織和自愈功能強：無需人工干預，網絡節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關系，組成結構化的網絡；而且當網絡內節(jié)點產生故障或節(jié)點位置發(fā)生變動時，網絡都能夠自我修復，并對網絡拓撲結構進行相應地調整，能保證整個系統(tǒng)的正常工作。

與一般網絡的拓撲結構類似，ZigBee網絡的拓撲結構一般有三種形式：星形拓撲、樹形拓撲、網狀拓撲。在這里采用樹形結構，樹形拓撲包括一個Coordinator以及一系列的Router和End Device節(jié)點。Coordinator既可以與Router相連又可以與End Device相連，而它的Router子節(jié)點又可以連接一系列的Router和EndDevice節(jié)點，這樣就形成了一個層次清晰的通信網絡。

2.2 ZigBee自組織網絡的建立

無線通訊方式不僅每個采集站能與控制中心聯(lián)系，站與站之間也可互相聯(lián)系，增加了采集節(jié)點與中心控制單元的傳輸距離，擴大了施工范圍。

根據終端采集節(jié)點與控制中心的距離順序計算每個終端采集節(jié)點所需要加入自組織網絡的方式。終端采集節(jié)點與控制中心的通信關系如圖2所示。對于在控制中心ZigBee模塊通信信號強度范圍之內的節(jié)點，采用直接與控制中心建立通信連接方式，如圖2(a)所示。對于在控制中心ZigBee模塊通信信號強度范圍之外的節(jié)點，采用設置相鄰節(jié)點為路由節(jié)點模式，從而與控制中心建立通信連接，如圖2(b)所示。

圖2 終端采集節(jié)點與控制中心的通信關系

3 終端采集節(jié)點

整個終端采集節(jié)點可分為信號前置處理模塊，ZigBee[1]數據傳輸模塊，F(xiàn)PGA系統(tǒng)控制模塊，MSP430信號處理模塊，GPS時鐘校準模塊和SD數據外部存儲模塊。

信號前置處理模塊主要功能是測試系統(tǒng)本身的自噪聲，測試系統(tǒng)的零漂，對外部采集到的信號進行鉗位及阻抗匹配處理最終將模擬信號轉換成數字信號

ZigBee數據傳輸模塊主要功能是接受控制中心的控制信號和將終端采集節(jié)點處理后的數據傳輸到控制中心。

FPGA系統(tǒng)控制模塊主要功能是控制外設電路的時序，時鐘分頻和將數據進行預處理。

MSP430信號處理模塊主要功能是對采集到的信號進行周期疊加處理。

GPS時鐘校準模塊主要功能是利用GPS秒脈沖對各個終端采集節(jié)點的數據采集時間進行同步控制。

SD數據外部存儲模塊主要功能是對外部采集到的數據進行實時存儲。

整個系統(tǒng)數據采集工作過程：電磁傳感器接收到信號先經過信號鉗位及阻抗匹配模塊，目的是為了防止由于信號幅度過大破壞后級電路以及降低輸入電阻。經過信號鉗位及阻抗匹配模塊的信號通過模擬開關模塊選擇和可編程增益放大模塊放大，最終將信號送到AD轉換模塊，將模擬信號轉換成數字信號。FPGA將轉換完成的數字信號送到MSP430信號處理模塊進行數據的處理。在這個過程中多個通道的同步數據采集的時刻由GPS始終校準模塊來控制，MSP430的數據處理結果最終實時存儲到SD卡外部存儲模塊，同時多個終端采集節(jié)點模塊將處理完成的數據后通過ZigBee無線傳輸模塊發(fā)送到控制中心。

整個系統(tǒng)數據自噪聲和零漂測試過程：系統(tǒng)的自噪聲和零漂測試控制信號是控制中心通過ZigBee無線傳輸模塊來控制的，其中系統(tǒng)的自噪聲測試過程是通過模擬開關來選擇的。系統(tǒng)零漂測試過程也是通過模擬開關來選擇的，由DAC產生正弦信號來測試系統(tǒng)的零漂。系統(tǒng)模塊的組成框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)模塊的組成框圖

3.1 A/D轉換模塊設計

數據采集系統(tǒng)中的采集信號的質量很大程度上取決于模數轉換器的選取及使用。為了滿足高精度數據采集，需設計一種高精度模數轉換模塊，擬采用TI公司的32位高精度模數轉換器?？色@得高保真度、高信噪比、高分辨率的數字信號，同時還可利用其片上的數據選擇器及校準引擎實現(xiàn)自檢和系統(tǒng)校準功能，從而保證采集信號質量不隨時間、地點、環(huán)境和條件而變化。

A/D轉換器內部結構主要由多路選擇器(MUX)、可編程增益放大器(PGA)、Δ-Σ調制器、可編程數字濾波器、增益及失調校準引擎、超量程檢測電路、控制器及SPI串行接口等組成。多路選擇器(MUX)允許5種設置：輸入1、輸入2、輸入1、輸入2之間短路、400 Ω短路測試及共模測試；多路復用器之后是時間連續(xù)的差分輸入、差分輸出可編程增益放大器(PGA)，PGA的增益范圍是1～64，可通過寄存器設置。PGA通過300 Ω的內部電阻查分驅動調制器，在CAPP與CAPN之間需接COG型陶瓷電容以濾除調制器采樣產生的瞬時干擾，外部電容用于抗混疊濾波。其內部結構圖如圖4所示。

3.2 終端采集節(jié)點數據同步采集設計

系統(tǒng)上電之后，首先檢測各終端采集節(jié)點與控制中心的網絡建立狀況。在確保組織網絡的建立完成之后，終端采集節(jié)點將通過GPS同步授時模塊進行相應的時間校準，從而確保各終端采集節(jié)點的A/D采樣時間同步，各終端采集節(jié)點GPS同步時間校準過程示意圖如圖5所示。各終端采集節(jié)點時間同步之后，控制中心向各終端采集節(jié)點發(fā)送A/D采樣信號起始信號，各節(jié)點將采樣結果實時存儲到SD卡外部存儲模塊之中。

圖4 A/D轉換器內部結構圖

圖5 各終端采集節(jié)點GPS同步時間校準過程

3.3 GPS同步授時模塊設計

GPS授時模塊就是從GPS衛(wèi)星上獲取標準的時間信號，將這些信息通過各種接口類型來傳輸給自動化系統(tǒng)中需要時間信息的設備(計算機、保護裝置、故障錄波器、事件順序記錄裝置、安全自動裝置、遠動RTU)，這樣就可以達到整個系統(tǒng)的時間同步。

終端采集節(jié)點直接采取線同步方式，終端采集節(jié)點間同步方案采用MSP430直接解碼GPS同步信息方式獲取高精度時鐘信息，精度優(yōu)于1 μs級。同時支持壓控恒溫晶體振蕩器作為輔助，如果考慮功耗情況下需關閉恒溫晶體振蕩器。

在MSP430內部實現(xiàn)串口，接收GPS模塊NMEA編碼信息，通過MSP430內部NMEA解碼模塊以及秒脈沖信息獲得精確UTC時間和同步信號，并與經CPU下發(fā)給MSP430的采集調度信息比較最終產生采集同步信號。同時通過GPS模塊的秒脈沖信號調節(jié)壓控恒溫晶體振蕩器產生高精度時鐘輸入和相位對齊，以確保在無GPS條件下儀器仍然可以獲取高質量同步時鐘。在MSP430內部實現(xiàn)RTC功能，在無GPS區(qū)域仍然可以通過高質量時鐘維護高精度實時時間信息。GPS時間同步原理如圖6所示。

圖6 GPS時間同步原理圖

3.4 SD卡外部存儲模塊設計

SD卡是一種基于半導體閃存工藝的存儲卡。SD卡具有大容量、高性能、安全等多種特點的多功能存儲卡，它比MMC卡多了一個進行數據著作權保護的暗號認證功能(SDMI規(guī)格)，讀寫速度比MMC卡要快4倍，達2 M/s。SD卡共支持三種傳輸模式：SPI模式(獨立序列輸入和序列輸出)，1位SD模式 (獨立指令和數據通道，獨有的傳輸格式)，4位SD模式 (使用額外的針腳以及某些重新設置的針腳。支持四位寬的并行傳輸)，在這里采用SPI模式。

3.5 采集站標定

為了保障采集站能夠可靠工作，站內設置有高精度D/A(24位)，產生高精度的多組掃頻信號，自采后進行幅頻特性分析，以確保采集站各部分能正常。采集站內部產生的信號經過FPGA進行時鐘分頻和數據預處理，采用D/A轉換器獲得高保真度、高信噪比、高分辨率的數字信號，該信號經前置放大后，再經A/D轉換到CPU，算出幅度和相位的一致性。

4 控制主機軟件設計

控制主機軟件采用NI公司出品的交互式C語言開發(fā)平臺—LabWindows/CVI 2013開發(fā)。LabWindows/CVI[2]是編寫自動檢測/測試系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)等應用軟件的一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境。軟件采用C[3]語言編程，負責如下任務：勘探施工任務表編輯與發(fā)送，指標測試，查詢采集站狀態(tài)，接收GPS時間與坐標信息，接收勘探采集疊加數據，原始采集數據拼合、回放、分析等。

本軟件界面友好、操作簡便、運行穩(wěn)定可靠、可維護性強。操作員只需要按照圖7所述流程即可完成一次勘探施工任務。

5 儀器一致性對標試驗

無線組網式電磁采集站與目前生產中實際應用的AGE儀器(俄羅斯儀器)野外現(xiàn)場對標的觀測結果如圖8所示。從不同測點上(不同顏色代表不同測點)兩種儀器系統(tǒng)觀測的振幅、相位結果分析，同測點(同顏色)上無線電磁采集站觀測的振幅、相位曲線與AGE系統(tǒng)觀測結果相關性好，幅值接近，兩種觀測系統(tǒng)具有很好的一致性，說明研發(fā)的無線組網式電磁采集系統(tǒng)可完全滿足目前時頻電磁勘探技術要求。

圖7 上位機軟件施工采集流程圖

圖8 野外現(xiàn)場試驗儀器對標觀測結果

6 結束語

具有自主知識產權的無線組網式時頻電磁采集儀，通過在野外的應用和對標測試，其輕便、建排快的特點得到了充分體現(xiàn)。由于具有實時監(jiān)控能力，采集資料的可靠性、一致性，得到了充分的保障。因其主機帶道能力的提高(可達50～100道/一臺主機)，為今后三維電磁勘探方法的推廣，具有極大的推動作用。

[1] 李文仲，段朝玉. ZigBee無線網絡技術入門與實戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學出版社,2007：25-30.

[2] 王建新，隋美麗. LabWindows/CVI虛擬儀器測試技術及工程應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011：10-15.

[3] 胡大可. MSP430系列單片機C語言程序設計與開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學出版社, 2003：56-99.

A Wireless Networking Electromagnetic Acquisition System

PANG Hengchang, WU Rui, YOU Chen

(Xi′anGeophysicalProspectingEquipmentCompanyofBGP,CNPC,Xi′an,Shaanxi710077,China)

As the development and progress of non-seismic exploration methodologies, Multi-line and multi-array are the trend of development of 2D-exploration to 3D-exploration, the corresponding exploration equipment is advanced. In order to satisfy the need of the time frequency electromagnetic methodology, a wireless networking electromagnetic acquisition system is developed. A host is used to send control commands to each station through ZigBee network, and the overlay data of stations is returned to the host and is monitored by Host. The system is capable of node-to-node data transmission using wireless networks. It can transfer stacked result and the status of the station in real time. The accurate and reliable long-term stable clock makes acquired data from stations more accurate, reliable and uniform. Each station has capacity to process overlay data and to return overlay data to the host. So the mount of returned data is small, the transfer capability of the host is developed greatly. All of this make it is possible to realize 3D electromagnetic exploration.

electromagnetic acquisition system; long-term stable clock; time-frequency electromagnetism;network-based wireless node-to-node

龐恒昌，男，1962年生，高級工程師，1983年畢業(yè)于西南石油學院地球物理勘探專業(yè)，主要從事石油勘探儀器的開發(fā)研制工作。E-mail:635780566@qq.com

P631.4+3

A

2096-0077(2016)06-0023-05

2016-03-15 編輯：高紅霞)