被动源电磁数据采集系统的设计与开发

论文摘要

目前被动源电磁法已成为深部地球物理勘探的重要手段,在油气田勘测和地热等方面得到广泛应用。但国内相关仪器几乎全部依赖进口,成本极高,所以为自行研制一套被动源电磁法仪器,本文对被动源电磁数据采集系统进行了研究。本文在研究被动源电磁法采集原理的基础上,结合我国电磁法勘探的特点,提出了满足电磁采集要求的系统软硬件设计方案。选用DSP+ARM的双核系统结构,来分别完成实时抽取滤波运算和对系统的主控制,提高了系统整体的稳定性和工作效率。并从模拟信号采集通道设计、系统控制处理模块与功能辅助模块实现、多级抽取结构算法研究等方面对被动源电磁采集系统进行了重点研究。针对电磁采集易受到工频干扰的问题,设计了基于UAF42的两级陷波电路。对于低频段电磁场频率范围宽、信号微弱的特点,采用大动态范围、高精度的24位△-∑调制器CS5321来实现模数转换。并基于DSP56309的硬件结构,对电磁采集中用到的多级抽取滤波结构算法进行了研究,提出了符合电磁采集要求的多级抽取滤波的实现方案。系统的联机测试结果表明,本文所开发的电磁采集系统性能稳定,15Hz抽样率数据的短路输入噪音很小,在低频电磁采集方面具有一定的实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外电磁法仪器研究现状
• 1.3 相关技术发展
• 1.3.1 DSP技术发展
• 1.3.2 嵌入式技术发展
• 1.4 课题主要研究工作
• 第二章 系统硬件总体方案研究与设计
• 2.1 电磁法测深基本原理
• 2.2 大地电磁场的场源和信号特征
• 2.3 硬件总体方案研究
• 2.4 模拟信号采集通道设计
• 2.4.1 前置低噪声放大电路
• 2.4.2 滤波电路
• 2.4.3 程控放大电路
• 2.4.4 △-∑A/D转换电路
• 2.5 FPGA及配置电路
• 2.6 DSP芯片及时钟复位电路
• 2.6.1 DSP56309芯片
• 2.6.2 增强同步串口ESSI
• 2.6.3 时钟与复位电路设计
• 2.7 ARM核心电路及外围接口
• 2.7.1 AT91RM9200
• 2.7.2 FLASH存储器
• 2.7.3 SDRAM存储器
• 2.7.4 同步串口SSC
• 2.7.5 以太网接口电路
• 2.7.6 串行接口
• 2.8 功能辅助模块硬件设计
• 2.8.1 GPS授时电路
• 2.8.2 电源变换电路
• 第三章 多抽样率信号处理实现方法研究
• 3.1 多抽样率数字信号处理
• 3.1.1 整数倍抽取
• 3.1.2 整数倍内插
• 3.2 多采样率系统网络结构研究
• 3.2.1 直接式FIR结构
• 3.2.2 多相式FIR结构
• 3.3 多级抽取滤波实现研究
• 3.3.1 积分梳状滤波器
• 3.3.2 半带滤波器
• 3.4 系统抽取滤波实现方案
• 第四章 系统软件设计与联机测试
• 4.1 FPGA模块功能实现
• 4.1.1 调制时钟模块
• 4.1.2 帧同步信号模块
• 4.1.3 串行数据模块
• 4.2 DSP模块功能实现
• 4.2.1 软件开发环境
• 4.2.2 5阶8抽1梳状滤波器设计
• 4.2.3 6阶2抽1梳状滤波器设计
• 4.2.4 5阶5抽1梳状滤波器设计
• 4.2.5 4抽1FIR1抽取滤波器设计
• 4.2.6 2抽1FIR2抽取滤波器设计
• 4.3 ARM控制模块功能实现
• 4.3.1 系统监控程序设计
• 4.3.2 采集监控进程
• 4.3.3 数据采集进程
• 4.3.4 GPS授时进程
• 4.4 PC端监控程序
• 4.5 系统联机测试
• 4.5.1 采集通道测试
• 4.5.2 短路输入噪音测试
• 第五章 结束语
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 附录一 电路原理图
• 附录二 PCB版图
• 附录三 部分程序源代码
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果