无线组网式电磁采集仪设计

庞恒昌，吴 锐，尤 辰

(东方地球物理公司西安物探装备分公司 陕西 西安 710077)

·开发设计·

无线组网式电磁采集仪设计

庞恒昌，吴 锐，尤 辰

(东方地球物理公司西安物探装备分公司 陕西 西安 710077)

随着非地震勘探方法的发展与进步，二维勘探向三维勘探发展，多测线、多排列是必然趋势，相应的勘探设备也在不断改进提高。为满足时频电磁勘探方法发展的需求，研制了一种无线节点组网式电磁采集仪。通过一台主机向各采集站通过无线ZigBee发送控制命令，并把个站采集的叠加数据传回到主机，进行监控显示，可实时无线传输叠加数据、采集站工作状态等。准确可靠的长稳时钟，确保了每个采集站采集数据的准确性、有效性、一致性。每个采集站内具有数据叠加处理功能，传回的监控数据是叠加结果，数据量很小，大大提高了主机的带道能力，确保实现三维电磁勘探成为可能。

电磁采集仪；长稳时钟；时频电磁；无线节点组网

0 引 言

时频电磁勘探方法是从俄罗斯引进的一种人工源电磁勘探技术。经过十多年的应用、发展，中石油东方地球物理公司对其不断改进提高和发扬光大，该方法有了长足的进步，得到了国内外各大石油公司广泛认可，勘探工作量也在不断扩大。时频电磁勘探设备由两大部分构成，一是大功率可控发射源(120 kW)，另一部分是时频数据采集仪。发射源经过不断开发研制，已生产出了具有国际先进水平的高压(1 200 VDC)、大电流(120 A)的恒流发射仪，已满足时频电磁勘探的需求。目前时频数据采集仪主要以俄罗斯仪器为主，这些仪器多为24道模拟集中式采集，其抗干扰能力相对较差。其次是少量的无线节点仪，只能盲采，无法实时监测，应用也有局限性。为此，新开发研制了的无线组网式电磁采集仪，该仪器不但具有实时传输监视能力，而且仪器轻便，为实现三维时频电磁勘探奠定了基础。

1 无线组网式电磁采集仪整体构架

为了满足野外数据采集的需要，设计一种基于无线传输网络的多通道数据采集系统。该系统可实现多通道数据信号的同步拾取、数据转换、存储及数据传输等功能。系统由控制中心和多个终端采集节点(采集站)组成，可实现多个采集站的同步数据采集，并将采集到的数据进行实时存储，以便工作人员进行分析。

控制主机为一台配备英特尔酷睿i3或相当级别CPU、安装Windows 7操作系统的笔记本电脑，与ZigBee无线组网收发盒一起构成控制中心，主机通过RS232或USB 2.0接口与ZigBee收发盒连接，将命令通过无线通信方式发送至每个节点。该收发盒是无线数据通讯执行机构，负责接收GPS时间包信息，发送命令、接收状态信息与终端采集节点发来的叠加数据。

每个终端采集节点有自己的无线收发单元，接收到控制单元的命令后，执行相应的操作，并将采集的数据叠加处理后通过无线方式发送到控制主机，以便实时监控采集的数据质量。多个终端采集节点通过无线通信方式形成一个多跳的自组网络系统，适合对功耗、体积、精度均有严格要求的应用场合。

系统的整体结构及控制中心示意图如图1所示。

图1 系统整体结构及控制中心示意图

2 ZigBee数据传输通讯的可靠性设计

2.1 ZigBee无线通信模块设计原理

ZigBee技术是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它依据IEEE802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。

ZigBee的技术特点主要包括以下内容：

1)功耗低：由于工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，使得ZigBee节点非常省电，工作时间可以长达6个月到2年左右。

2)数据传输可靠：ZigBee的媒体接入控制层(MAC层)采用talk.when.ready的碰撞避免机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，避免了发送数据时的竞争和冲突。

3)时延短：通信时延和从休眠状态恢复到正常工作状态的时延都做了相应的优化，时延比较短。

4)安全性：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供了三级安全性。

5)实现成本低：ZigBee的价格目标仅为几美分。

6) ZigBee网络的自组织和自愈功能强：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；而且当网络内节点产生故障或节点位置发生变动时，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，能保证整个系统的正常工作。

与一般网络的拓扑结构类似，ZigBee网络的拓扑结构一般有三种形式：星形拓扑、树形拓扑、网状拓扑。在这里采用树形结构，树形拓扑包括一个Coordinator以及一系列的Router和End Device节点。Coordinator既可以与Router相连又可以与End Device相连，而它的Router子节点又可以连接一系列的Router和EndDevice节点，这样就形成了一个层次清晰的通信网络。

2.2 ZigBee自组织网络的建立

无线通讯方式不仅每个采集站能与控制中心联系，站与站之间也可互相联系，增加了采集节点与中心控制单元的传输距离，扩大了施工范围。

根据终端采集节点与控制中心的距离顺序计算每个终端采集节点所需要加入自组织网络的方式。终端采集节点与控制中心的通信关系如图2所示。对于在控制中心ZigBee模块通信信号强度范围之内的节点，采用直接与控制中心建立通信连接方式，如图2(a)所示。对于在控制中心ZigBee模块通信信号强度范围之外的节点，采用设置相邻节点为路由节点模式，从而与控制中心建立通信连接，如图2(b)所示。

图2 终端采集节点与控制中心的通信关系

3 终端采集节点

整个终端采集节点可分为信号前置处理模块，ZigBee[1]数据传输模块，FPGA系统控制模块，MSP430信号处理模块，GPS时钟校准模块和SD数据外部存储模块。

信号前置处理模块主要功能是测试系统本身的自噪声，测试系统的零漂，对外部采集到的信号进行钳位及阻抗匹配处理最终将模拟信号转换成数字信号

ZigBee数据传输模块主要功能是接受控制中心的控制信号和将终端采集节点处理后的数据传输到控制中心。

FPGA系统控制模块主要功能是控制外设电路的时序，时钟分频和将数据进行预处理。

MSP430信号处理模块主要功能是对采集到的信号进行周期叠加处理。

GPS时钟校准模块主要功能是利用GPS秒脉冲对各个终端采集节点的数据采集时间进行同步控制。

SD数据外部存储模块主要功能是对外部采集到的数据进行实时存储。

整个系统数据采集工作过程：电磁传感器接收到信号先经过信号钳位及阻抗匹配模块，目的是为了防止由于信号幅度过大破坏后级电路以及降低输入电阻。经过信号钳位及阻抗匹配模块的信号通过模拟开关模块选择和可编程增益放大模块放大，最终将信号送到AD转换模块，将模拟信号转换成数字信号。FPGA将转换完成的数字信号送到MSP430信号处理模块进行数据的处理。在这个过程中多个通道的同步数据采集的时刻由GPS始终校准模块来控制，MSP430的数据处理结果最终实时存储到SD卡外部存储模块，同时多个终端采集节点模块将处理完成的数据后通过ZigBee无线传输模块发送到控制中心。

整个系统数据自噪声和零漂测试过程：系统的自噪声和零漂测试控制信号是控制中心通过ZigBee无线传输模块来控制的，其中系统的自噪声测试过程是通过模拟开关来选择的。系统零漂测试过程也是通过模拟开关来选择的，由DAC产生正弦信号来测试系统的零漂。系统模块的组成框图如图3所示。

图3 系统模块的组成框图

3.1 A/D转换模块设计

数据采集系统中的采集信号的质量很大程度上取决于模数转换器的选取及使用。为了满足高精度数据采集，需设计一种高精度模数转换模块，拟采用TI公司的32位高精度模数转换器。可获得高保真度、高信噪比、高分辨率的数字信号，同时还可利用其片上的数据选择器及校准引擎实现自检和系统校准功能，从而保证采集信号质量不随时间、地点、环境和条件而变化。

A/D转换器内部结构主要由多路选择器(MUX)、可编程增益放大器(PGA)、Δ-Σ调制器、可编程数字滤波器、增益及失调校准引擎、超量程检测电路、控制器及SPI串行接口等组成。多路选择器(MUX)允许5种设置：输入1、输入2、输入1、输入2之间短路、400 Ω短路测试及共模测试；多路复用器之后是时间连续的差分输入、差分输出可编程增益放大器(PGA)，PGA的增益范围是1～64，可通过寄存器设置。PGA通过300 Ω的内部电阻查分驱动调制器，在CAPP与CAPN之间需接COG型陶瓷电容以滤除调制器采样产生的瞬时干扰，外部电容用于抗混叠滤波。其内部结构图如图4所示。

3.2 终端采集节点数据同步采集设计

系统上电之后，首先检测各终端采集节点与控制中心的网络建立状况。在确保组织网络的建立完成之后，终端采集节点将通过GPS同步授时模块进行相应的时间校准，从而确保各终端采集节点的A/D采样时间同步，各终端采集节点GPS同步时间校准过程示意图如图5所示。各终端采集节点时间同步之后，控制中心向各终端采集节点发送A/D采样信号起始信号，各节点将采样结果实时存储到SD卡外部存储模块之中。

图4 A/D转换器内部结构图

图5 各终端采集节点GPS同步时间校准过程

3.3 GPS同步授时模块设计

GPS授时模块就是从GPS卫星上获取标准的时间信号，将这些信息通过各种接口类型来传输给自动化系统中需要时间信息的设备(计算机、保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、安全自动装置、远动RTU)，这样就可以达到整个系统的时间同步。

终端采集节点直接采取线同步方式，终端采集节点间同步方案采用MSP430直接解码GPS同步信息方式获取高精度时钟信息，精度优于1 μs级。同时支持压控恒温晶体振荡器作为辅助，如果考虑功耗情况下需关闭恒温晶体振荡器。

在MSP430内部实现串口，接收GPS模块NMEA编码信息，通过MSP430内部NMEA解码模块以及秒脉冲信息获得精确UTC时间和同步信号，并与经CPU下发给MSP430的采集调度信息比较最终产生采集同步信号。同时通过GPS模块的秒脉冲信号调节压控恒温晶体振荡器产生高精度时钟输入和相位对齐，以确保在无GPS条件下仪器仍然可以获取高质量同步时钟。在MSP430内部实现RTC功能，在无GPS区域仍然可以通过高质量时钟维护高精度实时时间信息。GPS时间同步原理如图6所示。

图6 GPS时间同步原理图

3.4 SD卡外部存储模块设计

SD卡是一种基于半导体闪存工艺的存储卡。SD卡具有大容量、高性能、安全等多种特点的多功能存储卡，它比MMC卡多了一个进行数据著作权保护的暗号认证功能(SDMI规格)，读写速度比MMC卡要快4倍，达2 M/s。SD卡共支持三种传输模式：SPI模式(独立序列输入和序列输出)，1位SD模式 (独立指令和数据通道，独有的传输格式)，4位SD模式 (使用额外的针脚以及某些重新设置的针脚。支持四位宽的并行传输)，在这里采用SPI模式。

3.5 采集站标定

为了保障采集站能够可靠工作，站内设置有高精度D/A(24位)，产生高精度的多组扫频信号，自采后进行幅频特性分析，以确保采集站各部分能正常。采集站内部产生的信号经过FPGA进行时钟分频和数据预处理，采用D/A转换器获得高保真度、高信噪比、高分辨率的数字信号，该信号经前置放大后，再经A/D转换到CPU，算出幅度和相位的一致性。

4 控制主机软件设计

控制主机软件采用NI公司出品的交互式C语言开发平台—LabWindows/CVI 2013开发。LabWindows/CVI[2]是编写自动检测/测试系统、数据采集系统、过程监控系统等应用软件的一个理想的软件开发环境。软件采用C[3]语言编程，负责如下任务：勘探施工任务表编辑与发送，指标测试，查询采集站状态，接收GPS时间与坐标信息，接收勘探采集叠加数据，原始采集数据拼合、回放、分析等。

本软件界面友好、操作简便、运行稳定可靠、可维护性强。操作员只需要按照图7所述流程即可完成一次勘探施工任务。

5 仪器一致性对标试验

无线组网式电磁采集站与目前生产中实际应用的AGE仪器(俄罗斯仪器)野外现场对标的观测结果如图8所示。从不同测点上(不同颜色代表不同测点)两种仪器系统观测的振幅、相位结果分析，同测点(同颜色)上无线电磁采集站观测的振幅、相位曲线与AGE系统观测结果相关性好，幅值接近，两种观测系统具有很好的一致性，说明研发的无线组网式电磁采集系统可完全满足目前时频电磁勘探技术要求。

图7 上位机软件施工采集流程图

图8 野外现场试验仪器对标观测结果

6 结束语

具有自主知识产权的无线组网式时频电磁采集仪，通过在野外的应用和对标测试，其轻便、建排快的特点得到了充分体现。由于具有实时监控能力，采集资料的可靠性、一致性，得到了充分的保障。因其主机带道能力的提高(可达50～100道/一台主机)，为今后三维电磁勘探方法的推广，具有极大的推动作用。

[1] 李文仲，段朝玉. ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社,2007：25-30.

[2] 王建新，隋美丽. LabWindows/CVI虚拟仪器测试技术及工程应用[M].北京：化学工业出版社，2011：10-15.

[3] 胡大可. MSP430系列单片机C语言程序设计与开发[M].北京：北京航空航天大学出版社, 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

庞恒昌，男，1962年生，高级工程师，1983年毕业于西南石油学院地球物理勘探专业，主要从事石油勘探仪器的开发研制工作。E-mail:635780566@qq.com

P631.4+3

A

2096-0077(2016)06-0023-05

2016-03-15 编辑：高红霞)