Circuit Drivers Design and Hardware Realization of Acquiring Seafloor Environment
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摘要: 海底大地电磁探测与陆上同类探测的技术差别之一是其测量过程受环境因素的影响较大.为真实地获取海底岩石介质的电性模型, 在对海底大地电磁实测信号进行数据处理的同时, 需参考海底仪器的方位朝向、倾斜姿态等信息, 以便认识海底电磁场真实的矢量变化方向, 进而实现对整个测网多站位的统一资料解释.为达到这一目的, 海底大地电磁仪内部设有环境参数采集通道, 该通道对诸如方位、倾斜、温度等信息实施分时循环采集.电路包括PC104嵌入式计算机、多路选择开关、逻辑控制门阵列等硬件单元.在硬件架构搭建完成后, 开发出相配套的电路驱动软件, 实现对海底环境参数的实时记录与存储.近期的海洋试验效果显示, 所研制的电路硬件及其驱动软件已达到设计要求.Abstract: Seafloor magnetolluric detection is greatly influenced by environmental factor, which is different from onshore similar survey technology. To get the genuine seafloor rock medium electrical model, data processing about seafloor magnetolluric raw signal requires information such as seafloor instrument bearing orientation, obliquity, and temperature, by which the real vector change bearing of seafloor magnetolluric fields can be acquired, and then the uniform explanation about the whole survey of multi-station is obtained. To achieve this objective, the seafloor magnetolluric instrument must be equipped with the environmental parameter acquisition channel. The channel acquires many environmental parameters time-sharing circularly, such as orientation, obliquity, temperature and so on; the circuit consists of embedded computer PC104, multiplexers, logical control gate array and other hardware units. After completing the whole hardware architecture, the circuit driver is developed to record and save seafloor environmental parameters in real-time mode. Ocean recent test results indicate that the circuit hardware and driver software have been developed to meet the design requirements.
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Key words:
- magnetotellurics /
- data acquisition /
- environment detection /
- logical gate array /
- sensor
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大地电磁测深所测量的信号主要包括2个水平正交的电场(Ex、Ey) 和3个相互正交的磁场(Hx、Hy、Hz).在陆上进行测量时, 通常利用人工实现X轴沿正北南方向、Y轴沿正东西方向的电极与磁传感器的布设方式.然而, 将大地电磁测深从陆上移至海洋时, 引发了新的技术难题(邓明等, 2004).表现之一是: 仪器在海面投放后, 自由下沉抵达海底.在整条探测剖面上, 各站位的仪器呈现出方位朝向和倾斜姿态各不相同的自然状态.信号观测时, 各台仪器的实际水平坐标轴并不沿着正北南或正东西向, 其Z轴也不垂直, 这给后续的数据处理带来不便.为获得实际观测的各场源分量在真正的X轴和Y轴上的矢量投影, 实现整条探测剖面上各站位的统一坐标变换, 必须在进行海底大地电磁信号采集的同时, 记录各台仪器自身的姿态.海底环境信息(方位朝向、地形倾斜) 与仪器姿态直接相关, 而海底温度对场源信号在海水中的传播有间接影响(因温度不同含盐度有所不同).在探测仪器内部设计测量通道, 实时采集各环境参数, 是解决上述问题的实用方法.
1. 海底环境多参数采集电路原理
海底环境参数采集总体框图如图 1.仪器在海底实施测量时, 各环境监测传感器把非电量的物理量转换为电量后送至多路选择开关(MAX308), 逻辑控制门阵列发出CMD控制字控制多路选择开关分时选定一路环境参数进入测量通道.经24位A/D转换, 该参数变为串行数据流, 再经串并转换门阵列并行输出至FIFO数据缓存区(邓明等, 2003a, 2003c).待FIFO存满, PC104嵌入式计算机执行读操作, 将实测数据存盘(邓明等, 2002).仪器从海底回收后, 进行数据回放, 存盘数据传至上位机, 最终通过联合解析反演出实测环境参数物理量.
2. 测量过程
海底大地电磁仪在海面投放前, 人工进行运行文件的设置.仪器内嵌入式计算机根据设置情况实现对相应硬件电路的控制(张启升等, 2004).
2.1 信息的分时采集
各环境信息由8选1器件(MAX308) 分时循环选择.CMD一方面控制多路选择开关, 另一方面控制各环境监测传感器电源的通断.当某传感器被开启时, 其他传感器的电源被关闭.方向传感器与倾斜传感器的工作电压不同, 且前者又需分别提供两组电压.逻辑变换电路根据CMD的指令内容执行相应的驱动(图 2).
2.2 环境信息传感器
方向传感器用于测量海底大地电磁仪X轴磁传感器与地磁场的偏角, 其主要技术指标: 测量范围0~360°, 测量精度±1°, 驱动电压6 V, 电位计电压3.6 V, 方向角电压转换系数为每度0.01 V.测量时, 在2 s间隔内, 前1 s提供6 V的励磁电位, 后1s提供3.6 V的电位计电压, 在加电位计电压的同时监测方向传感器的输出信号.
倾斜传感器用于监测仪器的水平状态, 其主要技术指标: 测量范围±20°, 测量精度0.5°, 倾角电压转换系数每度0.1 V.且其X轴、Y轴分别与海底大地电磁仪的X轴、Y轴保持一致的方向.所监测的自身X轴倾角TILTX, Y轴倾角TILTY均代表了海底大地电磁仪X轴、Y轴的倾斜情况.
温度传感器用于测量海底的水温, 选用HN11型线性NTC温度传感器.其技术指标: 测温范围-200~200 ℃, 基准电压V (0) (即0 ℃时) 为690~710 mV, 温度电压转换系数为-2 mV/℃, 工作电流(0 ℃时) 为100 μA, 测量精度0.3 ℃.
2.3 逻辑门阵列受令控制
该电路单元设在海底大地电磁仪内部逻辑控制板中, 它不仅为整机提供精确的与GPS完全同步的秒脉冲(邓明等, 2003b), 而且为整机提供各种逻辑控制信号, 其原理如图 3所示.
在电路开启的情况下, CMD在秒节拍的作用下依次从000~111循环交变, 实现环境信息的分时监测, 循环顺序表如表 1.表中分时间隔为1 s, CMD信号循环一周的时间为8 s.当CMD为“110”和“111”时给方向传感器供电, 实现对仪器方位信息的测量; 当CMD为“100”和“101”时给倾斜传感器供电, 实现对X轴和Y轴的倾斜测量; 当CMD为“010”和“001”时测定温度并对仪器进行基准标定.
表 1 境状态信息分时监测Table Supplementary Table Time-sharing monitoring about environment status information
逻辑控制门阵列内分频秒同步到来时, 若复位信号存在, 在采用秒同步或分同步并启动采集的情况下, 开始发同步采集信号并初始化CMD为000.在同步采集状态下, 若环境信息监测位W292_Latch (0) 为1 (见3.1的VHDL程序), 则使CMD开始从000~111循环(受秒更新控制), 实现环境信息的分时采集.
2.4 软件控制
主控单元为PC104嵌入式计算机, 利用其ISA总线实现与逻辑控制门阵列的信息交互.程序指令通过向总线发相应的控制字, 逻辑控制门阵列接收并解析相应信息来实现对环境信息采集的开启.在逻辑控制门阵列中, 设有对钟同步口-W292, 用于写入控制字实现GPS对钟、数据采集启停、测量通道控制(邓明等, 2003a), 其有效位的定义如表 2.
表 2 W292有效位定义Table Supplementary Table The definition on the effective bit of W292
表 2定义了对钟同步口-W292的各位功能.其中MSEL为同步方式位, “0”为秒同步, “1”为分同步.GPSEN为GPS对钟位; STARTEN为数据采集启停位; CTR为测量通道控制位, “1”或“0”分别代表启或停.
当需进行海底环境状态监测时, 将参数文件所对应频段设为OriSensor=1.采集运行过程中主程序将调用ConstructParaStruct () 函数(详见3.2), 读取参数文件构建采集参数结构体; 而后将结构体送交采集子函数DiskAcq () (见3.2) 和硬件接口子函数BuildCommand () (见3.2) 实现硬件接口设置, 并使全局变量DirSensor置为1.此后DiskAcq () 函数在计时时间到来后调用启动数据采集函数AcqStart (), 而AcqStart () 调用中断函数NewSecondIsr_StartAcq () 开始整机的同步采集(张启升等, 2004), 在此中断函数中置W292的B0位为DirSensor, 并通过PC104总线发送至逻辑控制门阵列的W292_Latch (见3.1) 来开启环境监测.
3. 主要控制程序
3.1 CPLD内的VHDL程序
Process_Sync:
———Latch_Clk1Hz为秒更新脉冲
PROCESS(Latch_Clk1Hz)
BEGIN
———秒更新上升沿到来
IF Latch_Clk1Hz'EVENT and Latch_
Clk1Hz='1' THEN
———逻辑控制门阵列复位信号存在
IF Latch_Reset='1' THEN
———采用秒同步或分同步并启动采集
IF((W292_Latch(7)='0')and(W292_Latch(5)='1')or((Latch_1Minute='1')and (W292_Latch(7)='1')and(W292_Latch(5) ='1'))THEN
Latch_SYNC < ='1';———开始同步采集
Latch_CMD < =“ 000”; ———初始化
CMD寄存器
Reset_Temp < ='1';
END IF;
———逻辑控制门阵列复位信号消失
ELSIF Latch_Reset='0' THEN
———停止发送同步采集信号
Latch_SYNC < ='0';
Reset_Temp < ='0';
———开启环境监测, 启动采集
IF(W292_Latch(5)='1')and
(W292_Latch(0)='1')THEN
Latch_CMD < = Latch_CMD+ 1;
END IF;
END IF;
END IF;
END PROCESS Process_Sync;
———CMD寄存器内容输出至CMD引脚
CMD < = Latch_CMD;
3.2 PC104内的C程序
/*读参数文件构建采集参数结构体函数*/
int ConstructParaStruct(struct ACQ_PARAME-TERS* papP1, int iTotal, FILE* fp)
{…
/*从fp所指向的参数文件中读取环境监测位OriSensor并存于char型数组szTmp中*/
if(ReadSettings(sParaKey, “OriSensor”, szTmp, fp)){papP1[ptr]. OriSensor=(char)strtol(szTmp, & endptr, 10);/*将环境监测位OriSensor转换为整型数字存入对应的采集参数结构体的方向传感器启停使能成员中*/}
…
}
/*硬件接口参数设置函数*/
char BuildCommand(struct ACQ PARAMETERS * pParas)
{…
/*软件设置环境状态信息采集DirSensor*/
if(pParas- > OriSensor= = 1)
{
DirSensor= 1;/*开启海底环境参数采集*/
}
else
{
DirSensor= 0;/*关闭海底环境参数采集*/
}
…
}
/*数据采集函数*/
unsigned int DiskAcq(struct ACQ_PARAME-TERS* papPara)
{…
/*调用硬件结构参数设置函数实现对各个硬件接口的设置*/
if(!BuildCommand(papPara))
{
printf("DiskAcq(): I can't build the com- mands.Bad parameters! n"); /*若设置硬件接口失败则申明失败并退出本数据采集函数*/
farfree(RdBuf);
return 0;
}
WaitTimeOut(papPara); /*调用"计时时间到则跳出计时循环函数", 用于定时等待*/
AcqStart(); /*调用启动数据采集函数, 启动本频段的数据采集*/
…
}
上述DirSensor用于海底环境的采集控制, 为0或1分别表示关闭或启动海底环境采集(张启升等, 2004).
4. 结语
本文所阐述的电路硬件及其驱动软件在2000年东海试验(魏文博等, 2001) 和2005年南海试验(邓明等, 2006) 中, 成功测取了仪器所在点位的海底环境信息, 为大地电磁资料处理提供了可靠的实测数据, 验证了电路的实用效果.
海底环境参数采集有其自身的特点与要求, 在电路的设计过程中突出了以下两点: (1) 由于海底大地电磁仪在海底长时间地工作, 其所携带的电源有限, 因而需考虑功耗问题.多路复用的采集电路方案正是针对低功耗的技术要求而提出的. (2) 由于结构设计中采用了特殊技术(邓明等, 2001), 使海底大地电磁仪可抵御底流推曳的影响, 而海底水温在较长的时间段内一般不改变.因而, 海底环境参数变化较缓慢.针对这一实情, 采用分时采集的测量方式, 可提高仪器电路资源的使用效率.
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表 1 境状态信息分时监测
Table 1. Time-sharing monitoring about environment status information
表 2 W292有效位定义
Table 2. The definition on the effective bit of W292
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