基于DSP的电法勘探的分布式数据采集系统
摘要
本课题以电法勘探、数字信号处理以及现场总线等技术为主要研究对象，从仪器电路、数据采集、数据处理及数据传输整个系统过程进行了较为全面的研究。提出了智能电极思想，智能电极具有改变电极工作状态、信号调理、信号保持、采样、存储、通讯等功能，一个智能电极包括8个普通电极，每个智能电极作为智能节点模块都有CAN总线接口电路，通过CAN总线与网络主机相连。网络主机具有系统工作方式选择、数据通讯、存储、处理等功能。
智能电极采用DSP芯片作为主控制器，由信号调理电路、A／D转换电路、电极工作方式设定电路、外部存储器扩展电路等组成，通过对DSP技术的阐述，对系统的设计要点和工作原理作出详细分析，给出了硬件设计原理图，并对系统软件的设计思想以及主程序、中断程序和其它功能程序进行了介绍。
CAN总线在智能电极与远程主机之间形成总线式网络拓扑结构，实现信息交换。介绍了现场总线技术和CAN总线通信原理，核心器件CAN总线控制器完成通信协议所要求的物理层和数据链路层的所有功能，同时也对构成通信网络的其他配置芯片在接口电路和控制逻辑等方面加以阐述，并且设计了适用本系统的CAN总线的应用层协议，实现了底层模块的接口和EPP_CAN接口。
作为一种全新电法勘探设备，基于DSP的电法勘探的分布式数据采集系统改进了传统高密度电法仪的数据采集方式，具有并行网络电法勘探功能，实现了并行、海量、高效数据采集的目的，达到了拟震法的电法阵列勘探效果，系统具有可靠性高、速率快、结构简单、可远距离传输的特点，满足了现代电法勘探的需要。
Electrical prospecting, digital signal processing and field bus technology are major studying objects of this project. The entire course of instrument circuit, data collecting, digital processing and transmission has been carried out relatively. On the basis of analysis of studying the galvanic resistivity method, intelligent electrode idea has been suggested which has the functions of working state changing, sampling, storing and communicating. At the same time intelligent electrode has 8 electrodes. As an intelligent node, every intelligent electrode has CAN bus interface circuit linking to network host, and the host has lots of functions such as working selection of system and data communication, stocking, disposing and so on.
Intelligent electrode is controlled by DSP chip and consisted of signal-modulated circuit, A/D conversion circuit, electrode operation mode setting circuit, external memory expanded circuit and so on. By introduction of digital signal processing, the key design and operation principle of the system is analyzed particularly and hardware circuit design is given in detail. Then the ideas of software designing, the main program, interrupt service routine and other function programs are introduced systematically.
Communication system has the bus network-topological structure. The field bus technology and CAN bus communication principle are illustrated, and the principle of CAN controller is instructed. And the controller has the function of physical layer and data link layer. Also the composition of communication node is expounded on the aspect of interface circuit and control logic. It designs the applying layer protocol based on the system and realized the interface between CAN bus and bottom layer module, and enhanced parallel port.
As a new electrical prospecting apparatus its data acquisition function is inproved compare with conventional high density electrical apparatus. It has the function of interleaving network electrical prospecting collection, and the characteristic of simulating seismic waves prospecting such as interleaving, great capacity and high efficiency has been reached. The system is simple, high reliable, and long distance transmitted which maintains the need of modern electrical prospecting. Figure [44] Table [7] Reference [51]
智能电极采用DSP芯片作为主控制器，由信号调理电路、A／D转换电路、电极工作方式设定电路、外部存储器扩展电路等组成，通过对DSP技术的阐述，对系统的设计要点和工作原理作出详细分析，给出了硬件设计原理图，并对系统软件的设计思想以及主程序、中断程序和其它功能程序进行了介绍。
CAN总线在智能电极与远程主机之间形成总线式网络拓扑结构，实现信息交换。介绍了现场总线技术和CAN总线通信原理，核心器件CAN总线控制器完成通信协议所要求的物理层和数据链路层的所有功能，同时也对构成通信网络的其他配置芯片在接口电路和控制逻辑等方面加以阐述，并且设计了适用本系统的CAN总线的应用层协议，实现了底层模块的接口和EPP_CAN接口。
作为一种全新电法勘探设备，基于DSP的电法勘探的分布式数据采集系统改进了传统高密度电法仪的数据采集方式，具有并行网络电法勘探功能，实现了并行、海量、高效数据采集的目的，达到了拟震法的电法阵列勘探效果，系统具有可靠性高、速率快、结构简单、可远距离传输的特点，满足了现代电法勘探的需要。
Electrical prospecting, digital signal processing and field bus technology are major studying objects of this project. The entire course of instrument circuit, data collecting, digital processing and transmission has been carried out relatively. On the basis of analysis of studying the galvanic resistivity method, intelligent electrode idea has been suggested which has the functions of working state changing, sampling, storing and communicating. At the same time intelligent electrode has 8 electrodes. As an intelligent node, every intelligent electrode has CAN bus interface circuit linking to network host, and the host has lots of functions such as working selection of system and data communication, stocking, disposing and so on.
Intelligent electrode is controlled by DSP chip and consisted of signal-modulated circuit, A/D conversion circuit, electrode operation mode setting circuit, external memory expanded circuit and so on. By introduction of digital signal processing, the key design and operation principle of the system is analyzed particularly and hardware circuit design is given in detail. Then the ideas of software designing, the main program, interrupt service routine and other function programs are introduced systematically.
Communication system has the bus network-topological structure. The field bus technology and CAN bus communication principle are illustrated, and the principle of CAN controller is instructed. And the controller has the function of physical layer and data link layer. Also the composition of communication node is expounded on the aspect of interface circuit and control logic. It designs the applying layer protocol based on the system and realized the interface between CAN bus and bottom layer module, and enhanced parallel port.
As a new electrical prospecting apparatus its data acquisition function is inproved compare with conventional high density electrical apparatus. It has the function of interleaving network electrical prospecting collection, and the characteristic of simulating seismic waves prospecting such as interleaving, great capacity and high efficiency has been reached. The system is simple, high reliable, and long distance transmitted which maintains the need of modern electrical prospecting. Figure [44] Table [7] Reference [51]
引文
[1] 王兴泰．工程与环境物探新方法新技术[M]．北京：地质出版社，1996
[2] 李金铭，罗延钟．电法勘探新进展[M]．北京：地质出版社，1996
[3] 李金铭．电法勘探方法发展概况[J]．物探与化探，1996(4)：250～255
[4] 李志武．电法勘探仪器的发展[J]．国外地质勘探技术，1994(3)：1～5
[5] 杨进，郑于文．高密度电阻率法的原理与技术[J]．工程勘察，1989(2)：73～76
[6] 吉林省长春市地质院，高密度电阻率法的仪器及方法技术研究．中国科技成果数据库：950750，2005-09-09
[7] Takakum Shin'lchi. Development of a dividable two-way muiticore cable for a high-density electrical prospecting[J]. Butsuri Tansa (Geophysical Exploration), 2000, 53(3): 245～256
[8] 董浩斌，王传雷．分布式智能化高密度电法测量系统[J]．地学仪器，1997(4)：26～27
[9] 董浩斌，王传雷．高密度电法的发展与应用[J]．地学前缘，2003，10(1)：171～176
[10] 罗延钟，张桂青．电子计算机在电法勘探中的应用[M]．武汉：武汉地质学院出版社，1987
[11] Suzuku. K，朱梅生．用于进行电阻率测量的512道实时数据采集系统的研制[J]．物探化探译丛，1997(2)：1～6
[12] 胡业林，王祖讷，王仁哲．工程电测CT仪系统研究[J]．煤炭工程．2004(7)：59～60
[13] 胡业林，张文利，王祖讷．地质勘探工程网络电测仪系统研究[J]．煤炭科学技术，2004，32(2)：17～18
[14] 郑晓亮．工程电测CT仪系统研制[D]．淮南：安徽理工大学，2005
[15] 彭启宗，李玉柏．DSP技术[M]．成都：电子科技大学出版社，1997
[16] 张芳兰．TMS320CXX用户指南[M]．北京：电子工业出版社，1999
[17] Texas Instruments Incorporated. User's Guide of TMS320C2XX[M]. USA: Publishing House of Texas Instruments, 1997
[18] 李刚，林凌，叶文宇．TMS320F206 DSP结构、原理及应用[M]．1版．北京：北京航空航天大学出版社，2002：2
[19] Texas Instruments Incorporated. TMS320F206 Digital Signal Processor[M]. USA: Publishing House of Texas Instruments, 1999
[20] 张雄伟，陈亮，徐光辉．DSP芯片的原理与开发应用[M]．3版．北京：电子工业出版社，2003：36
[21] 路林吉，饶家明．数据采集技术概论[J]．电子技术，2004(2)：49～52[22] 孙传友，孙晓斌，汉泽西，张欣．测控系统原理与设计[M]．1版．北京：北京航空航天大学出版社，2002
[23] 沈兰荪．高速数据采集系统的原理及应用[M]．北京：人民邮电出版社，1995
[24] 郑晓亮，郭家虎，胡业林．16位串行模数转换器MAX1132的特性及应用[J]．国外电子元器件，2004(7)：47～49
[25] MAXIM Data CD-ROM 2002[P]. USA: Maxim Integrated Products'Inc. 2002
[26] 刘文东，蔡茂国，杨淑雯．TMS320F206与MC145505的接口设计[J]．电子技术，2001 (5)：46～50
[27] 印震峰，曹玉珍．MAX146／147与TMS320F206的接口设计[J]．国外电子元器件，2001 (12)：52～54
[28] 张玉杰，吕岑．TMS320F206与TLC320AD50C接口电路的设计[J]．陕西科技大学学报，2003，21(2)：82～85
[29] 吴东坡．Flash存储器技术与应用[J]．微电子学与计算机，1998(7)：55～56
[30] Static RAM CY7C 1021. http://www.alldatasheet.com/CY7C1021.html, 2006-9-9
[31] Flesh Memory KM29U128T, KM29U128IT. http://www.alldatasheet.Com/KM29U128T.html, 2006-9-9
[32] 王盛安，龙小敏，陈俊昌．大容量快闪存储器在压力式波潮仪中的应用[J]．仪表技术与传感器，2000(10)：31～32
[33] 李朝青．单片机&DSP外围数字IC技术手册[M]．1版．北京：北京航空航天大学出版社．2003：29
[34] 张卫宁．TMS320C2000系列DSPs原理及应用[M]．1版．北京：国防工业出版社，2002：368
[35] 刘光斌，刘冬，姚志成．单片机系统实用抗干扰技术[M]．1版．北京：人民邮电出版社．2003
[36] 邬宽明．CAN总线原理和应用系统设计[M]．1版．北京：北京航空航天大学出版社．1996
[37] 李朝青．PC机与单片机&DSP数据通信技术选编1[M]．1版．北京：北京航空航天大学出版社．2003：292
[38] 史久根，张培仁，陈真勇．CAN现场总线系统设计技术[M]．1版．北京：国防工业出版社．2004：21，
[39] 杨慧，田亮，田敏．CAN总线协议分析[J]．中国仪器仪表，2002(4)：1～4
[40] 刘长泉等．CAN总线控制器SJA1000及其应用[J]．半导体技术，2001，26(11)：61～??66
[41] 饶运涛，邹继军，郑勇芸．现场总线CAN原理与应用技术[M]．1版．北京：北京航空航天大学出版社．2003
[42] DC／DC转换技术手册．http://www.zlgmcu.com，2005-1-12
[43] CAN总线系统智能节点设计．http://www.zlgmcu.com，2005-1-12
[44] Jan A xelson．并行端口大全[M]．北京：中国电力出版社，2001．
[45] 陈曙鹏，程善美，王琰．基于EPP_CAN的智能集成系统设计[J]．系统工程，2005 23(1)：124～126
[46] 张培仁等．采用EPP协议的CAN总线监控节点的设计和实现[J]．计算机应用，2001，21(2)：55～56
[47] 黄勇．在EPP模式下利用并口实现上位机与CAN总线的数据通讯[J]．中国仪器仪表，2003(4)：55～56
[48] 何苏勤，王忠勇．TMS320C2000系列DSP原理及实用技术[M]．1版．北京：电子工业出版社，2003：351
[49] 周日贵，聂爱球．定点DSP实现高精度FIR数字滤波[J]．电子器件，2003，26(3)：405～406
[50] 王念旭．DSP基础与应用系统设计[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2001
[51] 张培仁，朱东杰，高飞，王铜．采用EPP协议的CAN总线监控节点的设计与实现[J]．计算机应用，2002，21(2)：20～25
[2] 李金铭，罗延钟．电法勘探新进展[M]．北京：地质出版社，1996
[3] 李金铭．电法勘探方法发展概况[J]．物探与化探，1996(4)：250～255
[4] 李志武．电法勘探仪器的发展[J]．国外地质勘探技术，1994(3)：1～5
[5] 杨进，郑于文．高密度电阻率法的原理与技术[J]．工程勘察，1989(2)：73～76
[6] 吉林省长春市地质院，高密度电阻率法的仪器及方法技术研究．中国科技成果数据库：950750，2005-09-09
[7] Takakum Shin'lchi. Development of a dividable two-way muiticore cable for a high-density electrical prospecting[J]. Butsuri Tansa (Geophysical Exploration), 2000, 53(3): 245～256
[8] 董浩斌，王传雷．分布式智能化高密度电法测量系统[J]．地学仪器，1997(4)：26～27
[9] 董浩斌，王传雷．高密度电法的发展与应用[J]．地学前缘，2003，10(1)：171～176
[10] 罗延钟，张桂青．电子计算机在电法勘探中的应用[M]．武汉：武汉地质学院出版社，1987
[11] Suzuku. K，朱梅生．用于进行电阻率测量的512道实时数据采集系统的研制[J]．物探化探译丛，1997(2)：1～6
[12] 胡业林，王祖讷，王仁哲．工程电测CT仪系统研究[J]．煤炭工程．2004(7)：59～60
[13] 胡业林，张文利，王祖讷．地质勘探工程网络电测仪系统研究[J]．煤炭科学技术，2004，32(2)：17～18
[14] 郑晓亮．工程电测CT仪系统研制[D]．淮南：安徽理工大学，2005
[15] 彭启宗，李玉柏．DSP技术[M]．成都：电子科技大学出版社，1997
[16] 张芳兰．TMS320CXX用户指南[M]．北京：电子工业出版社，1999
[17] Texas Instruments Incorporated. User's Guide of TMS320C2XX[M]. USA: Publishing House of Texas Instruments, 1997
[18] 李刚，林凌，叶文宇．TMS320F206 DSP结构、原理及应用[M]．1版．北京：北京航空航天大学出版社，2002：2
[19] Texas Instruments Incorporated. TMS320F206 Digital Signal Processor[M]. USA: Publishing House of Texas Instruments, 1999
[20] 张雄伟，陈亮，徐光辉．DSP芯片的原理与开发应用[M]．3版．北京：电子工业出版社，2003：36
[21] 路林吉，饶家明．数据采集技术概论[J]．电子技术，2004(2)：49～52[22] 孙传友，孙晓斌，汉泽西，张欣．测控系统原理与设计[M]．1版．北京：北京航空航天大学出版社，2002
[23] 沈兰荪．高速数据采集系统的原理及应用[M]．北京：人民邮电出版社，1995
[24] 郑晓亮，郭家虎，胡业林．16位串行模数转换器MAX1132的特性及应用[J]．国外电子元器件，2004(7)：47～49
[25] MAXIM Data CD-ROM 2002[P]. USA: Maxim Integrated Products'Inc. 2002
[26] 刘文东，蔡茂国，杨淑雯．TMS320F206与MC145505的接口设计[J]．电子技术，2001 (5)：46～50
[27] 印震峰，曹玉珍．MAX146／147与TMS320F206的接口设计[J]．国外电子元器件，2001 (12)：52～54
[28] 张玉杰，吕岑．TMS320F206与TLC320AD50C接口电路的设计[J]．陕西科技大学学报，2003，21(2)：82～85
[29] 吴东坡．Flash存储器技术与应用[J]．微电子学与计算机，1998(7)：55～56
[30] Static RAM CY7C 1021. http://www.alldatasheet.com/CY7C1021.html, 2006-9-9
[31] Flesh Memory KM29U128T, KM29U128IT. http://www.alldatasheet.Com/KM29U128T.html, 2006-9-9
[32] 王盛安，龙小敏，陈俊昌．大容量快闪存储器在压力式波潮仪中的应用[J]．仪表技术与传感器，2000(10)：31～32
[33] 李朝青．单片机&DSP外围数字IC技术手册[M]．1版．北京：北京航空航天大学出版社．2003：29
[34] 张卫宁．TMS320C2000系列DSPs原理及应用[M]．1版．北京：国防工业出版社，2002：368
[35] 刘光斌，刘冬，姚志成．单片机系统实用抗干扰技术[M]．1版．北京：人民邮电出版社．2003
[36] 邬宽明．CAN总线原理和应用系统设计[M]．1版．北京：北京航空航天大学出版社．1996
[37] 李朝青．PC机与单片机&DSP数据通信技术选编1[M]．1版．北京：北京航空航天大学出版社．2003：292
[38] 史久根，张培仁，陈真勇．CAN现场总线系统设计技术[M]．1版．北京：国防工业出版社．2004：21，
[39] 杨慧，田亮，田敏．CAN总线协议分析[J]．中国仪器仪表，2002(4)：1～4
[40] 刘长泉等．CAN总线控制器SJA1000及其应用[J]．半导体技术，2001，26(11)：61～??66
[41] 饶运涛，邹继军，郑勇芸．现场总线CAN原理与应用技术[M]．1版．北京：北京航空航天大学出版社．2003
[42] DC／DC转换技术手册．http://www.zlgmcu.com，2005-1-12
[43] CAN总线系统智能节点设计．http://www.zlgmcu.com，2005-1-12
[44] Jan A xelson．并行端口大全[M]．北京：中国电力出版社，2001．
[45] 陈曙鹏，程善美，王琰．基于EPP_CAN的智能集成系统设计[J]．系统工程，2005 23(1)：124～126
[46] 张培仁等．采用EPP协议的CAN总线监控节点的设计和实现[J]．计算机应用，2001，21(2)：55～56
[47] 黄勇．在EPP模式下利用并口实现上位机与CAN总线的数据通讯[J]．中国仪器仪表，2003(4)：55～56
[48] 何苏勤，王忠勇．TMS320C2000系列DSP原理及实用技术[M]．1版．北京：电子工业出版社，2003：351
[49] 周日贵，聂爱球．定点DSP实现高精度FIR数字滤波[J]．电子器件，2003，26(3)：405～406
[50] 王念旭．DSP基础与应用系统设计[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2001
[51] 张培仁，朱东杰，高飞，王铜．采用EPP协议的CAN总线监控节点的设计与实现[J]．计算机应用，2002，21(2)：20～25