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专利名称：地震勘探编译码器的制作方法
技术领域：
地震勘探编译码器
一、 技术领域-
本实用新型涉及一种地震勘探仪器，特别涉及一种地震勘探编译码器。
二、 背景技术-
在目前进行的地震勘探中，绝大部分均采用遥控编译码器同步系统来激发产生地震 波，由于现有的编译码器难以满足正常地震勘探工作需要，其误差较大，安全性能不高。
三、 实用新型内容
本实用新型的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种地震勘探编译码器， 起爆时间同步精度高、点火起爆电压可调、具有多重防止电爆管意外起爆的安全措施。
其技术方案是主要由外壳底座、操作开关及电路系统组成，外壳底座上设有外壳 上盖和把手，外壳上盖上设有液晶显示面板、控制键盘、电爆管CAP-接线柱、电爆管 CAP+接线柱、CHARGE充电开关和ARM预备开关，底座的下端设有外部GPS通讯口 插座、接口插座和GPS天线插座，所述的外壳底座内部设有电路系统，所述的电路系统 主要由数字电路部分和模拟电路部分组成，数字电路部分主要包括电源及电源管理电路、 主控电路、存储和时钟电路、人机接口电路和外部接口电路；模拟电路部分主要包括高 压充电电路、高压储能及放电控制电路和电爆管、检波器、高压测量电路；
所述的电源及电源管理电路采用电压转换芯片，通过控制实现系统的上电和掉电，
主控电路采用微处理器和可编程逻辑器件CPLD，
检波器信号测量电路在检波器信号测量电路中，用两个浪用吸收器LR1和LR2吸 收外部高电压尖峰脉冲，对电路形成保护，经过浪涌吸收保护以后，信号还要通过一个
共模绕组线圈T1，用于抑制外部传来的共模干扰噪声；
电爆管电阻测量电路电爆管阻值测量也通过采用恒流源电路Il、 R2实现，平时，
恒流源与电爆管之间处于连接状态，高压电路与电爆管处于断开状态，只有将操作开关
CHARGE和ARM键同时按下，高压电路才会和电爆管接通；
高压充电电路在实施爆炸前进行高压充电并储存能量，同时测量高压值，当点火
信号FIRE到来时通过放电回路释放高压电能，引爆电爆管；
高压储能、放电控制电路引爆命令到来时，操作开关CHARGE和ARM键按下， 则串连了电爆管的放电回路接通，电容储存的高压电能瞬间释放，产生大电流将电爆管 引爆；外部接口电路编译码器的外部接口电路主要有连接仪器车信号的接口电路和串 行通讯接口电路；
人机接口电路采用显示屏和键盘，键盘通过电阻上拉，使常态键值电平为高，当 有键按下时接地，低电平键值通过CPLD被读入微处理器。
本实用新型的主控电路采用的微处理器IC16选用ATMEL公司的ATmegal28芯片，选用的CPLD (IC17)是ALTERA公司的ACEXlK系列芯片EPlK50TI144-3。
本实用新型的存储和时钟电路存储器电路选用的存储芯片是512k字节、8位数据 宽度的RAM芯片IC19 61LV5128,并设置了电源管理芯片IC20 MAX691A和充电电池 (或法拉电容)BT1，在系统掉电时仍然能够保持数据不丢失。
上述的电路系统包括无线通讯发射、接收电路，实现通讯中数字信号与模拟信号之 间的转换。
上述的外壳底座上设有外壳上盖和把手，外壳上盖上设有液晶显示面板、控制键盘、 电爆管CAP-接线柱、电爆管CAP+接线柱、CHARGE充电开关和ARM预备开关，底座 的下端设有外部GPS通讯口插座、接口插座和GPS天线插座。
本实用新型的编译码器采用了两项核心技术微处理器(单片机)技术和可编程逻 辑器件(CPLD)技术。采用的单片机具有高速度、低功耗、超功能精简指令，工作电压 范围宽等诸多优点。而CPLD则突出体现在其大规模、复杂硬件可编程技术上。大量复杂 的、要求高速处理的硬件逻辑行为可通过CPLD技术得以方便的实现，而且可现场编程重 构其硬件逻辑，无需重新设计硬件电路板，这样极大地降低了研制投入的风险，并縮短 了研制周期。AVR单片机和CPLD技术的有机结合极大地提高了仪器的性能。
系统中的编/译码采用数字编/译码技术，以提高系统的可靠性和灵活性。系统所有高 速硬逻辑电路均集成在大规模CPLD器件内，即所谓片上系统。所有涉及到的外围模拟放大、 滤波、光电隔离、电平转换驱动等电路均采用专用集成芯片实现。
当编译码器用作编码器使用时，其高压和检波器电路部分不工作。发出起爆信号，编码 器CPU接收到启动命令后通过编码加密后由无线电台向编译码器(译码器)发出同步起爆时 序信息。译码器接收信号并校验正确后，起爆炸药。在爆炸过程中，译码器采集井口信号并 进行数据分析、处理，向编码器回送验证井口FTB、模拟井口信号UH以及数字井口信号等。
编译码器检测电路可实时测量高压、检波器电阻、电爆管电阻等的工作状态参数，保证 系统正常运行。
与现有技术相比本实用新型的有益效果如下
(1) 编译码器点火起爆时间同步精度误差小于土2(^s，达到国际先进产品水平。
(2) 点火起爆电压200V 600V可调，满足不同电雷管数目和接法的需求。
(3) 从软、硬件两方面进行增强的安全设计，具有三重防止电爆管意外起爆的安全 措施。只有同时具备以下三个条件，才能实施正常起爆
① 译码器需要收到编码器发送来的起爆命令，才可能发出点火信号；
② 译码器处于等待起爆状态界面且CHARGE键为按下状态时，才能充高压电；
③ 同时按下ARM和CHARGE键，才会使内部高压电路和电爆管处于接通状态。
(4) 可实时在线监测物理参数。编码器可实时在线监测译码器的电爆管电阻、检波器电阻、高压和电池电压等参数。 并适时发出声音、显示报警信号。
(5) 具有增益可调整的数字井口
针对井口检波器信号动态范围较大的特点，新型编译码器设计了 O.lms的采样频率， 并具有系数为l、 10、 100、 1000的可调整前置增益。与模拟井口相比，有较大的动态响 应范围和较高的信号可拾取性。
(6) 编译码器采用液晶汉化、菜单显示方式显示各种参数和功能，显示信息量大， 界面友好、整齐美观；键盘操作简单、方便。
(7) —机集成三种功能模式编码器功能、译码器功能和系统配置功能，通用性强。
四、
-
附图1是本实用新型的电路原理框附图2是本实用新型的电路结构附图3是本实用新型的主控电路的连接关系附图4是本实用新型的可编程逻辑器件(CPLD)的电路连接附图5是本实用新型的检波器信号测量电路的电路连接附图6是本实用新型的电爆管电阻测量电路的电路连接附图7是本实用新型的高压充电电路的电路连接附图8是本实用新型的高压测量电路的电路连接附图9是本实用新型的高压储能、放电控制电路的电路连接附图IO是本实用新型外壳的结构示意图。
上图中(1)外壳底座、(2)外部GPS通讯口插座、(3)接口插座、(4) GPS天 线插座、(5) CHARGE充电开关、(6) ARM预备开关、(7)把手、(8)电爆管CAP-接 线柱、(9)电爆管CAP+接线柱、(10)液晶显示面板、(11)控制键盘、(12)外壳上盖。
五具体实施方式
参照附图1-10，本实用新型的技术方案是主要由l外壳底座、2外部GPS通讯口 插座、3接口插座、4GPS天线插座、5CHARGE充电开关、6ARM预备开关、7把手、8 电爆管CAP-接线柱、9电爆管CAP+接线柱、IO液晶显示面板、ll控制键盘、12外壳上 盖组成，内部装有的电路系统主要由数字电路部分和模拟电路部分组成，这样可以有效 消除相互之间的干扰，尤其是高压电路对数字电路部分产生的干扰和冲击。在保证电路 性能的前提下，尽量选择贴片元器件。选择贴片元件， 一方面可以降低功耗，另一方面 可以减小电路板的面积，提高系统集成度。
其中，数字电路部分主要包括电源及电源管理电路、主控电路、存储和时钟电路、
5人机接口电路和外部接口电路；模拟电路部分主要包括高压充电电路、高压储能及放电 控制电路和电爆管、检波器、高压测量电路。
电源及电源管理电路
本实用新型的编译码器使用12V蓄电池供电，采用电压转换芯片LM2575产生+5V 电压。LM2575是可控电压转换芯片，通过控制可实现系统的上电和掉电。系统上电时， 按下ARM键(按下接地)，则LM2575的第5引脚为低电平，其输出产生+5V， MCU 开始工作。MCU程序延迟5s将VCC_ON信号置为高电平，则光隔IC12的3、 4脚导通。 此时放开ARM键，LM2575继续工作，完成上电过程。
当系统正常工作并处于顶层菜单时，按下ARM键超过5秒钟，软件程序控制VCC一0N信 号为低电平，则IC12的3、 4脚断开，LM2575停止工作，系统掉电。如此设计，使操作人员 不用每次都拔插电池插座，操作非常简单、安全。+12￥「只有在需要充高压时才控制112导 通产生。
电路中的隔离电源有两部分模拟信号电路需要的模拟电源(+5VA、 -5VA),和高 压电路需要的隔离电源(+ 12V-lS)。在此选用了具有隔离、定压、稳压特性的电源模块 IB0505LD和IB1212LD。
编译码器的主控电路
参照附图3，本实用新型的编译码器的主控�？椴捎昧讼冉�的MCU+CPLD模式， 微处理器IC16选用ATMEL公司的ATmegal28芯片，
IC16 Atmegal28使用16MHz外部晶振，以保证系统快速、及时、准确响应各种功能任 务。采用片内看门狗功能使系统能可靠工作，。
为满足系统精确记录、定时方面的要求，及提高系统的集成度，在系统中采用具有高速、 并行工作特性的复杂可编程逻辑器件(CPLD)技术。CPLD电路如图4所示，本系统选用的 CPLD (IC17)是ALTERA公司的ACEX1K系列芯片EP1K50TI144-3。它内嵌了 5万逻辑 门和5k字节存储器，具有100个通用I/O 口 ，采用2.5V和3.3V供电。使其工作于40MHz 晶振频率下，满足了系统精确记录和定时的技术要求。CPLD内部集成了CPU接口逻辑、通 讯编码逻辑、通讯解码逻辑、编码器爆炸时序逻辑、译码器爆炸时序逻辑、中断管理逻辑， 以及液晶、键盘接口逻辑等。
IC17EP1K50TI144-3是SRAM型芯片，系统掉电后芯片中电路逻辑丢失，因此在电路中 设计了E^ROM型配置芯片IC15 (EPC2LC20)。在每次系统上电时，会自动将数字电路逻辑 引导进CPLD芯片内。
存储和时钟电路
存储器电路选用的存储芯片是512k字节、8位数据宽度的RAM芯片IC19 61LV5128。 为了在系统掉电时仍然能够保持数据不丢失，电路中设计了电源管理芯片IC20 MAX691A和充电电池(或法拉电容)BT1。在系统开机期间给电池充电，而在系统断电 期间，充电电池就可以通过IC20给IC19供电。另外，电路中设计了具有^C接口的时
6钟芯片IC18 PCF8563，使系统可以具备万年历功能。 无线通讯电路
无线通讯发射、接收电路是实现编译码器与电台进行接口的信号处理电路。主要功 能是实现通讯中数字信号与模拟信号之间的转换。发射和接收电路的参数调节十分重要， 它直接影响通讯的可靠性和稳定性。精确的发射、接收电路是高质量无线通讯的保证。
检波器信号测量电路
参照附图5，用两个浪用吸收器LR1和LR2吸收外部高电压尖峰脉冲，对电路形成保护。 经过浪涌吸收保护以后，信号还要通过一个共模绕组线圈T1，用于抑制外部传来的共模干扰噪声。
为了有效、准确地测量检波器电阻，系统中设计了恒流源电路由II、 R5组成，提供精确
的测量电流。
为了消除直流分量对井口地震波信号测量产生的影响，在恒流源和检波器之间用光电固 体开关IC3控制电流的通断。平时置R—M信号为高电平，则光电开关接通，恒定电流流过检 波器，实现测量功能。而在实施引爆的过程中，控制R一M信号使其为低电平，则光电开关断 开，此时检波器上没有恒流源输出的电流流过，产生的电压信号完全是检波器震动形成的。
由于爆炸情况的不确定性，井口信号的变化范围非常大。为了兼顾小信号和大信号的有 效拾�。�电路中设计了可编程增益放大器IC21。通过设置IC21A0、 Al两个引脚的高低电平 状态，可以使其输出与输入信号呈l、 10、 100或1000倍的关系。再结合A/D转换器IC87的
16位转换精度，可以计算出在理想情况下，系统能对!^^ = 5F 16 "0.1/^的信号进行有
效测量。由此可见，检波器信号测量电路的灵敏度非常高。
电爆管电阻测量电路
参照附图6，电爆管阻值测量也通过采用恒流源电路Il、 R2实现。恒定电流流过电爆管 时产生一定的电压降，该电压差信号再通过高性能运算放大器U1 0P07进行放大处理后，直 接采用IC17 ATmegal28的AD转换通道进行模数转换。
电爆管的安全电流一般为20mA,若流过电爆管的电流超过此值，则容易引起误爆，因此 恒流源的输出电流不能太大。而为了提高测量的精度，又要求电流越大越好。在综合考虑了 各种因素以后，选择R2为100Q。则恒流源的输出电流为
w 廳Q
完全满足安全需要。
由于在实施引爆的过程中，电爆管上有几十安培的大电流流过。所以，在爆炸时必须断 开电爆管测量电路与电爆管之间的连接，同时在电路中设计保护措施。恒流源与电爆管的连 接和断开是通过多刀双掷开关CHARGE和ARM键实现的。
平时，恒流源与电爆管之间处于连接状态，高压电路与电爆管处于断开状态。只有将 CHARGE和ARM键同时按下，高压电路才会和电爆管接通。由于两者关系的互斥性，当ARM按 下时，恒流源电路必定与电爆管断开。高压电路
模拟板高压电路实现的功能是在实施爆炸前进行高压充电并储存能量，同时测量高压
值。当点火信号FIRE到来时通过放电回路释放高压电能，引爆电爆管。
高压充电电路如图7所示，采用了高性能DC-DC�？門2。高压充电的预设值通过菜单进 行设置，预设值经D/A转换器IC9TLV5616转换为模拟量HV一SET。将HV—SET信号接到比 较器IC8 LM293的"+ "输入端作为比较参考电压，将实时获取的高压采样信号+HV一METER 接到比较器的"一"输入端。高压充电时，控制HV—EN信号为高电平，使光电隔离器IC2 的3、 4脚导通。当+HV—METER的电平低于HV—SET时，比较器的输出为低电平，则IC1 的3、 4脚导通，进而使三极管N4导通。此时，高压模块开始工作。当+HV—METER的电平 高于HV—SET时，比较器输出翻转为高电平，光电隔离器IC1的3、 4脚断开，使三极管N4 截止，高压�？橥Ｖ构ぷ�。
高压测量电路如图8所示，为了将高压电路和数字电路有效隔离开，而又实现高压测量 的目的，在高压测量电路中采用了线性光隔技术。
高压储能、放电控制电路如图9所示，电路中设计了四个100WV400V的电容用于储存电 能。经过串并连接后，最高耐压为800V，当引爆命令到来时，将FIRE信号置低(平时为高 电平，使IGBT功率管Q1截止)，使Q1导通。此时，若CHARGE和ARM键按下，则串连 了电爆管的放电回路接通，电容储存的高压电能瞬间释放，产生几十安培的大电流将电爆管 引爆。电路中采用的IGBT管的最大连续通电电流为60A，最大脉冲通电电流则高达120A。 一般情况下，电爆管通电电流大于4A时能确保引爆。为了获知通过电爆管的电流是否足够 大，在放电回路中串连一个0.5Q的取样电阻。当电流足够大，在取样电阻上产生的电压差使 光隔IC4导通，则/CTB信号变为低电平(平时被拉为高电平)。通过/CTB信号的变化就可以 获知引爆成功与否。当高压己经充好却又不再进行引爆时，只要CHARGE键松开，IC17 ATmegal28会控制信号DUMP变高，进而使Q4导通，进行缓慢放电。
显示、键盘电路
键盘通过电阻上拉，使常态键值电平为高。当有键按下时接地，低电平键值通过CPLD 被读入微处理器。显示电路就是液晶的接口电路，采用的是128*64分辨率的液晶显示屏。
外部接口电路
编译码器的外部接口电路主要有连接仪器车信号的接口电路和串行通讯接口电路。 仪器车接口电路包括TB、 CLK1、 CLK2、 START和ADATA几路信号。在这些信号中，
仪器车启动信号START为输入信号，使用光隔将内部电路与外部电路有效隔离开。其它三路
信号都为输出信号，在电路中使用Ul 7408增强其驱动能力。
串行数据通讯用IC2 MAX202将CMOS电平转换为TTL电平，以实现编译码器与仪器
车或PC机的标准RS-232信号连接。
权利要求1、一种地震勘探编译码器，其特征是主要由外壳底座、操作开关及电路系统组成，外壳底座上设有外壳上盖(12)和把手(7)，外壳上盖上设有液晶显示面板(10)、控制键盘(11)、电爆管CAP-接线柱(8)、电爆管CAP+接线柱(9)、CHARGE充电开关(5)和ARM预备开关(6)，底座的下端设有外部GPS通讯口插座(2)、接口插座(3)和GPS天线插座(4)，所述的外壳底座内部设有电路系统，所述的电路系统主要由数字电路部分和模拟电路部分组成，所述的数字电路部分主要包括电源及电源管理电路、主控电路、存储和时钟电路、人机接口电路和外部接口电路；模拟电路部分主要包括高压充电电路、高压储能及放电控制电路和电爆管、检波器、高压测量电路；所述的电源及电源管理电路采用电压转换芯片，通过控制实现系统的上电和掉电；主控电路采用微处理器和可编程逻辑器件CPLD；检波器信号测量电路在检波器信号测量电路中，用两个浪用吸收器LR1和LR2吸收外部高电压尖峰脉冲，对电路形成保护，经过浪涌吸收保护以后，信号还要通过一个共模绕组线圈T1，用于抑制外部传来的共模干扰噪声；电爆管电阻测量电路电爆管阻值测量也通过采用恒流源电路I1、R2实现，平时，恒流源与电爆管之间处于连接状态，高压电路与电爆管处于断开状态，只有将操作开关CHARGE和ARM键同时按下，高压电路才会和电爆管接通；高压充电电路在实施爆炸前进行高压充电并储存能量，同时测量高压值，当点火信号FIRE到来时通过放电回路释放高压电能，引爆电爆管；高压储能、放电控制电路引爆命令到来时，操作开关CHARGE和ARM键按下，则串连了电爆管的放电回路接通，电容储存的高压电能瞬间释放，产生大电流将电爆管引爆；外部接口电路编译码器的外部接口电路主要有连接仪器车信号的接口电路和串行通讯接口电路；人机接口电路采用显示屏和键盘，键盘通过电阻上拉，使常态键值电平为高，当有键按下时接地，低电平键值通过CPLD被读入微处理器。
2、 根据权利要求1所述的地震勘探编译码器，其特征是所述的主控电路采用的微处 理器选用ATMEL公司的ATmegal28芯片，选用的CPLD是ALTERA公司的ACEX1K系列芯片 EP1K50TI144-3。
3、 根据权利要求1所述的地震勘探编译码器，其特征是所述的存储和时钟电路存 储器电路选用的存储芯片是512k字节、8位数据宽度的RAM芯片61LV5128,并设置了 电源管理芯片MAX691A和充电电池或法拉电容BT1,在系统掉电时能够保持数据不丢失。
4、 根据权利要求1所述的地震勘探编译码器，其特征是所述的电路系统包括无线通 讯发射、接收电路，实现通讯中数字信号与模拟信号之间的转换。
专利摘要本实用新型涉及一种地震勘探编译码器。其技术方案是主要由外壳底座、操作开关及电路系统组成，外壳底座上设有外壳上盖和把手，外壳上盖上设有多个操作开关，所述的外壳底座内部设有电路系统，所述的电路系统主要由数字电路部分和模拟电路部分组成，所述的数字电路部分主要包括电源及电源管理电路、主控电路、存储和时钟电路、人机接口电路和外部接口电路；模拟电路部分主要包括高压充电电路、高压储能及放电控制电路和电爆管、检波器、高压测量电路。有益效果是点火起爆时间同步精度误差小于±20μs，点火起爆电压200V～600V可调，满足不同电雷管数目和接法的需求，具有三重防止电爆管意外起爆的安全措施。
文档编号G01V1/02GK201278024SQ200820026049
公开日2009年7月22日 申请日期2008年7月18日 优先权日2008年7月18日
发明者冯跃军, 刘世海, 王剑南, 王建国, 王继峰, 赵金良 申请人:中国石化集团胜利石油管理局地球物理勘探开发公司