艾 梅，盧 濤，曲學(xué)政，井 喬，王 釵

(1.中國石油東方地球物理勘探有限責(zé)任公司西安物探裝備分公司 陜西 西安 710077；2.中國石油東方地球物理勘探有限責(zé)任公司地震儀器研發(fā)項(xiàng)目組 河北 涿州 072750 )

0 引 言

縱觀近三十年油氣勘探發(fā)展態(tài)勢，地震勘探朝著高精度、寬頻帶、全波場方向發(fā)展，儀器實(shí)時接收道數(shù)呈指數(shù)級增長，這就要求地震采集系統(tǒng)具備超大規(guī)模地震道數(shù)采集能力。地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是地球物理勘探的核心裝備，是衡量地球物理公司勘探能力及國際競爭力的重要標(biāo)準(zhǔn)。

eSeis節(jié)點(diǎn)儀器是東方地球物理公司自主研發(fā)的新一代國產(chǎn)地震勘探節(jié)點(diǎn)儀器，儀器設(shè)計充分考慮當(dāng)前行業(yè)形勢的需要，融合當(dāng)前電子產(chǎn)業(yè)和IT產(chǎn)業(yè)的最新成果，集采集單元、檢波器與電池為一體，是一種新型陸上節(jié)點(diǎn)地震儀器，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)多種地形的探區(qū)。為順應(yīng)節(jié)點(diǎn)儀器發(fā)展需要，針對采集單元在生產(chǎn)和使用中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，本文從原理分析出發(fā)，實(shí)測驗(yàn)證，找到故障原因和處置方法，并進(jìn)行分析總結(jié)，以開啟維修思路，提高采集單元維修效率，同時也為野外現(xiàn)場檢修提供參考[1-2]。

1 eSeis節(jié)點(diǎn)儀器簡介

eSeis節(jié)點(diǎn)儀器集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲及地震數(shù)據(jù)處理于一體，系統(tǒng)包括eSeis節(jié)點(diǎn)采集單元(單站單道采集站)、下載充電柜(MHC)、數(shù)據(jù)切分合成單元、質(zhì)控單元及其他附屬設(shè)備。

eSeis節(jié)點(diǎn)采集單元(簡稱采集單元)：它的工作模式分為連續(xù)采集、定時采集、定時日檢等。采集單元依靠GPS接收機(jī)獲取位置信息和校準(zhǔn)采集時鐘，實(shí)現(xiàn)單道地震數(shù)據(jù)的自主采集；利用數(shù)傳電臺(采用的是以電臺作為媒介來實(shí)現(xiàn)手簿與采集單元數(shù)據(jù)交互)接收手簿“放線”指令開啟采集任務(wù)，“查線”指令回收采集單元實(shí)時狀態(tài)；連接下載充電一體柜，可完成施工參數(shù)配置、年檢、固件升級及數(shù)據(jù)下載等任務(wù)。

下載充電柜(以下簡稱機(jī)柜)：機(jī)柜是對采集單元操控的主體，它同采集單元下載配置系統(tǒng)、數(shù)據(jù)匹配切分系統(tǒng)、并行下載控制系統(tǒng)、一體化陣列存儲系統(tǒng)及配套的萬兆光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相互配合，可實(shí)現(xiàn)快速采集單元檢測、數(shù)據(jù)回收及智能化充電等任務(wù)。

數(shù)據(jù)切分合成單元：它是對所有采集單元回收的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行切分、編排、數(shù)據(jù)合成的軟件系統(tǒng)，最終生成SEGY或SEGD格式的地震記錄。

質(zhì)控單元：對采集單元全方位進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，實(shí)時收集采集單元工作狀態(tài)，如野外采集過程中，將回收的狀態(tài)信息統(tǒng)計用于質(zhì)量控制[3]，指導(dǎo)野外施工人員及時更換工作異常采集單元。

2 采集單元組成、原理及測試

2.1 組 成

采集單元由采集板、NODE板、鋰電池組、檢波器機(jī)芯(傳感器)及外圍殼體、減震結(jié)構(gòu)等部件組成。目前為滿足市場的不同需求，將產(chǎn)品分為內(nèi)置式采集單元和外接式采集單元兩種，它們的最大區(qū)別是：內(nèi)置式采集單元將檢波器集成于內(nèi)部，外接式采集單元需要外接檢波器。二者殼體頂部均設(shè)置可視化LED燈，可通過燈的不同顯示來快速、簡要地識別采集單元工作狀態(tài)。采集單元E口十芯插針組與機(jī)柜連接，可實(shí)現(xiàn)自檢、測試、參數(shù)設(shè)置、充電、數(shù)據(jù)下載等功能，與采集板(ACQ，簡稱A板)上P7插座的連接關(guān)系見表1。

表1 采集單元E口十芯插針組與A板上P7插座連接關(guān)系

E2經(jīng)二極管至P7-8(機(jī)柜充電電壓通過E2與轉(zhuǎn)換板相連，通過二極管給采集單元電池充電)，5V+與GPIO為采集單元與機(jī)柜的一對握手信號，C-R與C-T為采集單元與機(jī)柜的一對串行通訊信號，DM與DP為采集單元與機(jī)柜的一對USB數(shù)傳信號，S-與S+為機(jī)柜輸出的一組信號源信號。

2.2 原 理

采集單元原理框圖如圖1所示，其中虛框內(nèi)表示的是由GPS接收機(jī)和數(shù)傳電臺組成的通訊板(NODE，簡稱N板)，其余模塊電路由主控制單元(MCU)、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、存儲單元、數(shù)據(jù)下載單元及電源轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成采集板(ACQ，簡稱A板)。

圖1 采集單元原理框圖

數(shù)據(jù)采集原理：手簿通過電臺向采集單元發(fā)出采集命令，當(dāng)采集單元電臺模塊接收命令后，立即通知MCU(微控制器STM32L471)向GPS模塊發(fā)出搜星定位指令，QC文件開始按時間間隔記錄搜星狀況的信息。當(dāng)搜星定位成功，MCU校準(zhǔn)時間，開啟32位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集，地震波被檢波器拾取，產(chǎn)生電壓信號，信號進(jìn)入A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換成32位數(shù)字信號，MCU接收并按規(guī)定格式不斷寫入ACQ文件中，QC與ACQ文件都被記錄在存儲卡上。

通訊原理：MCU與機(jī)柜、GPS模塊和電臺模塊之間采用串行通訊方式進(jìn)行通訊。機(jī)柜對采集單元進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如采樣率、增益、日檢時間等；手簿通過電臺與采集單元的電臺模塊傳遞手簿指令，如放線(啟動連續(xù)采集)、查線(反饋采集單元狀態(tài)信息)等；采集單元啟動并接收GPS模塊信息，如搜星情況、位置信息、時間等。

數(shù)據(jù)傳輸原理：MCU通過對“數(shù)據(jù)通訊選擇器”的控制，選擇MCU或機(jī)柜對存儲卡進(jìn)行讀寫操作。當(dāng)采集單元插入機(jī)柜進(jìn)行數(shù)據(jù)下載時，機(jī)柜通過E7、E8這對USB數(shù)據(jù)線連通采集單元A板“讀卡控制器”，MCU放權(quán)數(shù)據(jù)通訊選擇器，從而使存儲卡數(shù)據(jù)直接被機(jī)柜讀取并存入陣列存儲系統(tǒng)的硬盤上。

2.3 測 試

為確保采集單元質(zhì)量合格，需對其進(jìn)行技術(shù)性能測試。機(jī)柜配備了高精度信號源、服務(wù)器等配套設(shè)備，通過控制軟件(eSeis -Harvester Manager，簡稱HM軟件)實(shí)現(xiàn)對采集單元的測試。分為插入測試(握手信號正常)、通訊測試(串行通訊正常)、模塊檢測(與GPS或電臺串行通訊正常)、檢波器測試(加激勵脈沖)、采集指標(biāo)測試(接信號源)等。

單個機(jī)柜可連接40個采集單元，相應(yīng)配有兩組各40個雙色二極管指示燈，右邊一組狀態(tài)燈指示采集單元當(dāng)前工作狀態(tài)(綠色表正常、紅色表示故障)；左邊一組狀態(tài)燈指示采集單元當(dāng)前充電狀況，綠色表示充電工作完成、紅色表示正在充電中。

主服務(wù)器HM軟件主界面如圖2所示，它包括采集單元信息區(qū)、測試區(qū)及狀態(tài)區(qū)。信息區(qū)主要顯示采集單元的站號、參數(shù)配置及電壓與固件信息；測試區(qū)包括插入測試、通訊測試與模塊檢測；狀態(tài)區(qū)顯示所執(zhí)行的測試任務(wù)進(jìn)度及完成后的結(jié)果。測試區(qū)與狀態(tài)區(qū)均以綠色表示測試通過，紅色表示相應(yīng)的測試未通過。

圖2 HM采集單元通道測試局部圖

3 采集單元常見故障解析

3.1 采集單元與機(jī)柜之間的通訊故障

3.1.1 故障現(xiàn)象

采集單元插入機(jī)柜，機(jī)柜無任何響應(yīng)或者采集單元插入機(jī)柜后，機(jī)柜狀態(tài)燈由綠變紅，且HM軟件界面如圖3的通道1-1、通道1-2、通道1-3、通道1-4所示。

3.1.2 故障分析

機(jī)柜與采集單元是依靠一對信號E3“5V+”和E4“GPIO”(見圖1 E口針號定義)相互“識別”的，當(dāng)采集單元插入機(jī)柜，機(jī)柜“5V+”電平觸發(fā)采集單元內(nèi)MCU，使其進(jìn)入通訊模式，并回應(yīng)“GPIO”信號，機(jī)柜就開始通過E5“C-R”和E6“C-T”這對通訊線與采集單元MCU進(jìn)行通訊，讀取采集單元當(dāng)前存儲的信息。若采集單元沒有接收到機(jī)柜“5V+”信號，其就不能與機(jī)柜建立通訊，機(jī)柜也無法獲得采集單元的基本信息，因此會造成HM軟件界面信息區(qū)的信息欄信息不完整，如圖2通道1-1所示。如果兩根通訊線中任一線存在斷開或接觸不良，必將影響機(jī)柜與采集單元的通訊，同樣會造成HM軟件界面信息區(qū)的信息不全或錯誤，如圖2通道1-1或通道1-2所示。當(dāng)電池電量耗盡的采集單元插入機(jī)柜后，由于采集單元電源系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，導(dǎo)致主程序也就不能正常運(yùn)行(充電是在采集單元程序空閑時期進(jìn)行)，所以會出現(xiàn)如圖2通道1-3所示的現(xiàn)象。出現(xiàn)圖2通道1-4所示的現(xiàn)象，是采集單元內(nèi)部電源插頭未接或與機(jī)柜未接好。為驗(yàn)證以上E口各線與故障現(xiàn)象關(guān)系的正確性。我們使用合格采集單元，用去掉一線的方式對故障現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)，驗(yàn)證了此關(guān)系的正確性。

另外，要強(qiáng)調(diào)的是，采集單元不管因?yàn)槭裁丛蛱幵诜钦９ぷ鳡顩r下，如采集單元指示紅燈快速閃爍(MCU外部鐘故障)，都會出現(xiàn)通道1-4故障現(xiàn)象。

3.1.3 故障排除

1)上機(jī)柜出現(xiàn)如圖2通道1-1所示現(xiàn)象且采集單元指示紅燈快速閃爍時，打開采集單元，斷電復(fù)位后，觀測紅燈是否依舊快速閃爍，如是，清洗A板上16.384 MHz晶振周圍相關(guān)元器件或更換晶振。

2)對上機(jī)柜無顯示或出現(xiàn)如圖2通道1-3故障現(xiàn)象的情況，用萬用表測采集單元E1和E2之間的電壓，若為0 V，充電或更換電池。

3)打開采集單元，檢查各插頭是否接好，對采集單元斷電復(fù)位再測(返修的采集單元可能存在運(yùn)行失常，需斷電復(fù)位)。

4)出現(xiàn)如圖2通道1-1、通道1-2所示的故障現(xiàn)象時，打開采集單元，斷開電池連接，檢查E3到P7-6、E5到P7-1、E6到P7-2沿線是否受擠壓損傷，排除接插件連接錯誤，并用萬用表測量，以保證連接的可靠性。

5)若以上方法仍不能解決故障，A板需進(jìn)入單板細(xì)查。推薦按檢查供電系統(tǒng)、重新燒寫固件、更換存儲卡、更換MCU的順序進(jìn)行[4-5]。

3.2 檢波器測試結(jié)果超標(biāo)

3.2.1 故障現(xiàn)象

使用手簿對采集單元進(jìn)行“查線”操作，電阻欄下顯示的阻值呈紅色，檢波器電阻測試阻值超標(biāo)，或上機(jī)柜進(jìn)行檢波器測試時，測試結(jié)果為紅色，顯示電阻、自然頻率、阻尼和靈敏度值異常。

3.2.2 故障分析

內(nèi)置式檢波器測試包含4項(xiàng)測試，分別為電阻、自然頻率、阻尼和靈敏度值測試。如圖3所示，其測試原理為：MCU發(fā)出使能信號使模擬開關(guān)導(dǎo)通后，檢波器正端通過R39接高電位同時檢波器負(fù)端接地，其等效為給檢波器正負(fù)端加0.5 s寬度的脈沖信號，該激勵促使檢波器內(nèi)彈簧片發(fā)生強(qiáng)制性位移，激勵撤銷后，檢波器按其固有頻率發(fā)生振動響應(yīng)(如圖4所示)，通過A/D轉(zhuǎn)換器采集檢波器響應(yīng)過程，按其固有算法得出自然頻率、阻尼和靈敏度值，以判定檢波器是否達(dá)到標(biāo)稱要求。而檢波器電阻值也是在這一過程中由MCU內(nèi)部A/D采集提取出R39間電壓，MCU再根據(jù)已知總電壓和R39阻值，來計算得出(A/D入口對其影響很小，可忽略不計)。即：

圖3 A板模擬開關(guān)原理圖

圖4 檢波器響應(yīng)圖

(1)

式(1)中：RG為Geophone阻值；V39為電阻R39兩端的電壓差。

CMOS模擬開關(guān)易發(fā)生閂鎖現(xiàn)象[6]。采集單元檢波器測試出現(xiàn)故障時，可打開采集單元，斷電復(fù)位后，再次進(jìn)行檢波器測試。若其值恢復(fù)正常，屬于某路開關(guān)偶發(fā)性閂鎖，未形成擊穿損壞；但大部分采集單元檢波器測試故障是模擬開關(guān)失效造成的。A板上模擬開關(guān)4路中任何一路出現(xiàn)故障(始終開路或?qū)ɑ虺尸F(xiàn)較大電阻等)，都不能將完整的電平激勵加在檢波器負(fù)載上，否則會造成電阻值、自然頻率、阻尼或靈敏度異常?？捎檬植九c機(jī)柜對檢波器進(jìn)行測試，但二者相比，機(jī)柜的檢測較為全面，其不但提供阻值，還提供了自然頻率、阻尼、靈敏度3項(xiàng)指標(biāo)的值。后3項(xiàng)的值不僅能反映檢波器狀態(tài)，還可輔助判斷模擬開關(guān)的狀態(tài)。如這3項(xiàng)全是0，表明A/D入口未接到檢波器激勵響應(yīng)信號，判斷故障為檢波器未接入或模擬開關(guān)失效。

為了使用示波器捕捉檢波器響應(yīng)(或模擬開關(guān)各口狀態(tài))波形，需要MCU發(fā)出0.5 s正脈沖選通信號(PCI GEOPHONE TEST_EN)使4個模擬開關(guān)同時接通。本文應(yīng)用了兩種方法產(chǎn)生這一信號，一種是上電后采集單元做檢波器自檢后約8 s獲得，一種是利用手簿讀取采集單元狀態(tài)后獲得。檢波器兩端對地響應(yīng)波形如圖5所示，通道1為檢波器正端，通道2為檢波器負(fù)端。在實(shí)際維修中，若顯示波形與圖5所示不同，則可判斷為R39或模擬開關(guān)故障。

圖5 檢波器兩端對地響應(yīng)的波形

3.2.3 故障排除

1)若測試值呈開路值(自然頻率、阻尼和靈敏度值均為0)，外接式采集單元可直接用萬用表測量檢波器輸入插頭的正負(fù)極，若電阻值不為100 kΩ(入口等效電阻)，打開采集單元修復(fù)板上插頭至檢波器輸入插頭兩端的連接；內(nèi)置式需打開采集單元斷電，用萬用表檢查插頭、插針、連線及檢波器焊點(diǎn)的連接，以確定檢波器(電阻約2 kΩ)良好接入電路。

2)在更換開關(guān)器件前，為避免模擬開關(guān)偶發(fā)失效，可采取采集單元斷電復(fù)位法，確定器件是否故障。

3)打開采集單元接入標(biāo)準(zhǔn)檢波器機(jī)芯，用示波器觀測檢波器正極的相應(yīng)波形。若波形正常，如圖5所示，則可判定是檢波器機(jī)芯故障所致，更換檢波器即可。

4)若以上方法仍不能解決故障，用萬用表測R39電阻。若阻值錯誤，更換電阻；否則更換模擬開關(guān)。

3.3 采集單元數(shù)據(jù)下載故障

3.3.1 故障現(xiàn)象

采集單元連接機(jī)柜，主服務(wù)器運(yùn)行HM軟件并執(zhí)行下載操作后，HM軟件界面狀態(tài)欄下載進(jìn)度條不能達(dá)到100%，指示塊顯示為紅色。

3.3.2 故障分析

采集單元和機(jī)柜通過USB接口傳輸數(shù)據(jù)，機(jī)柜通過E口的E7、E8經(jīng)A板接口電路直接高速讀取存儲卡數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)流需要高頻傳輸，因此對接觸點(diǎn)的導(dǎo)電性能有較高的要求。在機(jī)柜的插座經(jīng)過長期使用后，其接觸點(diǎn)易發(fā)生形變，長期工作于野外的USB傳輸插針也易發(fā)生氧化與變形，因此這類故障多發(fā)生于接觸點(diǎn)上。MCU控制數(shù)據(jù)通訊選擇器，使其完成對存儲卡的讀寫操作和讓權(quán)給機(jī)柜進(jìn)行讀取存儲卡數(shù)據(jù)，若機(jī)柜能識別存儲卡，則數(shù)據(jù)通訊選擇器正常；若連線正確仍出現(xiàn)下載故障，則可判斷為USB接口芯片(U7)故障。

3.3.3 故障排除

1)清理E口針塵沙，檢查連接插針，更換機(jī)柜口重新下載(避免E7、E8接觸不良，盡量不要重復(fù)使用同一口)；

2)打開采集單元，斷開電池連接，檢查E口的E7、E8針至A板P7的3、4腳數(shù)據(jù)連線是否受擠壓損傷，插頭是否插接到位、插座針是否偏離，插頭針是否脫出或部分脫出(對新采集單元需檢查有無錯連E口其它針)，若存在問題則進(jìn)行相應(yīng)處理或更換；

3)若以上方法仍不能解決故障，則更換A板的U7。

3.4 采集單元采集指標(biāo)測試全機(jī)柜標(biāo)準(zhǔn)值超標(biāo)

3.4.1 故障現(xiàn)象

采集指標(biāo)測試結(jié)束時，單個機(jī)柜狀態(tài)燈全部為紅色，HM軟件界面狀態(tài)欄自檢中的標(biāo)準(zhǔn)值指示塊為紅色。

3.4.2 故障分析

首先，若機(jī)柜上有一個采集單元出現(xiàn)故障而能影響其余采集單元也表現(xiàn)出故障現(xiàn)象，必定是公用部分出了問題。采集指標(biāo)測試時，機(jī)柜上采集單元共用了信號源。其次，完整的采集指標(biāo)測試(年檢)完成一次需要40 min，因此用傳統(tǒng)方法(一部分、一部分取下再測)從全柜40個采集單元中找出該故障采集單元極為耗時，一般需要幾個小時，極大影響測試效率。

機(jī)柜內(nèi)置高精度信號源供全柜40個采集單元使用，兩路D/A按測試項(xiàng)目提供標(biāo)準(zhǔn)信號給所有采集單元的E9(S-)與E10(S+)，當(dāng)故障采集單元A/D芯片測試口內(nèi)部的部分電路被擊穿，使其直接對地或?qū)﹄娫葱纬苫芈窌r，該采集單元就會影響信號源信號的正確輸出。在實(shí)際維修工作中，利用對比法查找這類故障采集單元，即將此類故障采集單元與合格采集單元用萬用表進(jìn)行電壓測試，合格采集單元E9、E10對E1(地)顯示基本為0 V，對E2(電源入)顯示都為-1.7～3 V(兩路一致)。目前發(fā)現(xiàn)的此類故障采集單元分為：E9或E10對E1大于1 V的采集單元、E2對E9或E10大于3 V和同時都大于3 V的采集單元。這也佐證了采集單元A/D測試入口電路存在若被擊穿會對信號源信號產(chǎn)生影響，造成采集指標(biāo)測試指標(biāo)不合格推論的正確性。需要提醒的是，采集單元0 dB檔測試時，指標(biāo)可能不會超標(biāo)(故障采集單元對信號源的影響較小)。

3.4.3 故障排除

一種方法為，將采集單元從機(jī)柜逐個取下，用萬用表排查，測量E9、E10對E1(電源地)電壓基本一致且小于1 V、對E2(電源)電壓基本一致且絕對值小于3 V的就是正常采集單元，否則為影響信號源的故障采集單元。去除故障采集單元后可進(jìn)入正常測試。

另一種方法為，使用示波器測試機(jī)柜采集單元口(地線接E1、探頭一接E9、探頭二接E10)，將待判斷的采集單元逐個插入機(jī)柜，看示波器波形是否出現(xiàn)異常，異常即為故障采集單元。故障采集單元更換A板上A/D芯片后即可重新進(jìn)入測試環(huán)節(jié)。

4 結(jié)束語

本文對采集單元的組成、原理、測試進(jìn)行了介紹，以便于理解故障產(chǎn)生機(jī)理。通過對4種主要故障的解析，提出了在采集單元維修工作中判斷故障及排除故障的方法：對于故障1，將測試正常的連線斷其一線復(fù)現(xiàn)故障現(xiàn)象，確定連線與故障產(chǎn)生的對應(yīng)關(guān)系；對于故障2，用萬用表測量信號線與電源地的值進(jìn)行判斷，簡單快速得出結(jié)論；對于故障4，利用示波器的實(shí)時觀測，判定故障采集單元對機(jī)柜信號源的影響等。

從實(shí)際維修狀況來看，故障主要產(chǎn)生于裝配不當(dāng)(如連接插頭不到位或過猛有插針被頂出，致使信號傳輸不穩(wěn))、模擬開關(guān)失效、存儲卡信息偶發(fā)錯誤、采集單元呈“死機(jī)”狀態(tài)、電臺與GPS模塊故障等。

目前，eSeis節(jié)點(diǎn)儀器依然在改進(jìn)中，前文所提及的模擬開關(guān)器件也在換型中。期望研發(fā)儀器的同時也為維修人員提供單采集單元測試系統(tǒng)，方便查找問題和提高故障判斷效率，希望更多人參與eSeis節(jié)點(diǎn)儀器維修探索中。