井下磁力計數據采集系統的研制*

胡星星，滕云田，張 煉，王曉美，張 敏

(中國地震局地球物理研究所，北京 100081)

地震觀測是地球科學研究和地震監測與預報研究的基礎，地磁觀測是地震觀測的重要組成部分。中國已經建成了分布較廣、觀測手段較為完備的數字化地面觀測臺網。但地面觀測易受交通、工業等人為噪音影響，使微小地震和來自地下微弱的地球物理信息混雜在高噪音背景下無法辨認和識別［1－2］。而井下觀測則可以極大地減小地面噪音干擾的影響，提高觀測的信噪比［1－2］。因此，20 世紀90年代以來，隨著世界科學技術的進步，深井地球物理綜合觀測在世界發達國家迅速得到發展［1－2］。由于深井觀測儀器要固定在井底，即使儀器發生故障也不能從井下取出來。因此深井觀測儀器不同于一般儀器，要充分保證儀器幾乎不發生任何故障［1－2］。儀器所有的功能操作也只能在地面遠程控制［3］。本文針對井下儀器的高可靠性和高精度實時觀測及需要遠程監控要求，以MSP430F1611單片機為主控制器設計了井下磁力計傳感器單元的數據采集、控制和實時傳輸系統，對AD采集的高分辨率和高實時性、背景磁場的自動補償控制方案的設計，以及和其它傳感器單元共用RS－422總線與上位機進行數據通信的可靠性協議解析等問題進行了討論和分析，介紹了監控軟件的功能設計，最后給出了磁力計整體單元的測試和應用結果。

1 井下磁力計數據采集系統

1.1 系統設計

井下集成綜合觀測系統是在一口深井中自上而下分別布置著寬頻帶地震計、溫度計、傾斜計、應變計、地磁計等，各傳感器探頭實現觀測數據數字化，地面主機用RS－422總線與各傳感器進行實時數據通訊，如圖1所示。

圖1 井下綜合觀測系統示意圖

井下磁力計位于井下集成綜合觀測系統的最下端，用以探測微弱的地磁變化信號及為井下集成綜合觀測系統下井安裝時提供安裝方向指導。它主要由傳感器探頭、模擬信號調理電路以及采集數字電路三部分組成。其采集、控制部分由控制單元、實時時鐘、三分量的地磁信號AD模數轉換單元、作為地磁場背景場補償的三通道DA數模轉換單元、溫度/傾角測量單元、RS－422通訊單元等組成，如圖2所示。

圖2 磁力計數字采集/控制框圖

系統采用MSP430F1611作為磁力計控制、采集和數據通信的控制處理單元。MSP430是TI公司的16位RISC混合信號處理器，它具有集成度高、處理能力強、片上外圍設備豐富、在線調試、超低功耗及內置看門狗等特性［4］，能適應井下綜合觀測系統對單機的功耗、體積和實時采集、通信的要求。在井下綜合觀測集成系統中，由地面主機向各傳感器發出命令進行控制。按協議要求，采集時，主機以1 min的時間間隔輪流向各傳感器發出實時數據傳輸命令，傳感器收到發給自己的傳輸命令后，解析出命令中的時間參數，并在1 s內把主機所請求的該時間內采集的數據按要求發送到RS－422總線。為了防止各傳感器的時鐘不能完全同步以及其它原因帶來的處理時間差異，要求各傳感器探頭能保存當前時刻之前采集的5 min的數據。由于磁力計是秒采樣，每次采集有9個字節(水平分量、豎直分量以及磁偏角分量，每分量24位3字節)，加上時間、溫度、傾斜角、背景磁場補償值以及協議開銷等，每分鐘的實時數據量為600字節左右，所以至少要有3 kB左右的數據存儲緩沖區。MSP430F1611集成了10 kB的片上SRAM以及48 kB的程序存儲空間［3］，能夠滿足井下磁力計較大容量的存儲空間要求，因此不用片外擴展Flash程序存儲器和數據存儲器，簡化了整機硬件電路設計和軟件設計，節省了電路板空間，提高了系統穩定性，也降低了系統功耗。

1.2 高精度實時A/D采集

數據采集系統關鍵在于數據的精確采集與可靠傳輸［5］。對井下磁力計來說，精確采集包括空間和時間兩個方面。地震信號的一個特點是空間分辨率或信號的動態范圍要求很高，另一個重要特點是對采樣點的采樣時刻精度要求很高［6－7］。

磁力計要求相對觀測的測量范圍為±2 500 nT，分辨力要高于0.1 nT，觀測值保留兩位小數，其動態范圍達94 dB。因此A/D轉換要選用17位分辨率以上的芯片。采集系統采用了有較高分辨率的24位Σ－Δ模數轉換芯片AD7732，在500 Hz的采樣率下它可以達到18位的 p－p(峰－峰)分辨率。2.5V的參考電壓也采用最大溫度系數只有1 ppm℃ 以及低至 1.5 μV峰 －峰值噪聲的MAX6325。由于地磁信號變化緩慢，因此磁力計多用1 Hz的采樣率［8］。為獲得盡可能高的分辨力，降低采集部分的自身噪聲，對AD7732初始化時設置其轉換時間寄存器值最大為0xFF，即2.686 ms的轉換時間，此時的最大數據輸出速率(最大采樣率)為372 Hz，內部 RMS 噪聲為 9.6 μV。此外，系統還通過電路的精心設計以降低噪聲［9］。

對地震記錄信號而言，每一個采樣點的采樣時刻記錄精度和幅值記錄精度同樣重要［6－7］。例如，根據地震波的波速和走時就可以反演地質構造，確定震中的距離和深度［10］。多個臺站組成地震觀測臺陣網絡時，各儀器的時鐘守時精度要優于1 ms［6－7］。磁力計采集系統以實時時鐘 DS1306 提供實時采集數據幀的實時時間。為保證守時精度:其一通過上位機的GPS定時授時進行時鐘的精確校準，其二采用高精度低溫漂的溫補晶體振蕩器提供實時時鐘脈沖，使系統達到很高的守時精度。此外，為達到每一個采樣點都有精確的采樣時刻，在AD轉換電路中，采用三片AD7732并行轉換三個分量，保證3個分量的同步一致性。各AD均編程工作在單次轉換狀態，即發一次命令轉換一次。觸發時間由MSP430F1611的Timer0的定時中斷控制，而定時器Timer0的計數脈沖由前述供給實時時鐘脈沖的同一個晶體振蕩器提供，因此可以保證AD的采集時刻有與實時時鐘RTC一樣的精度，不受AD7732的自身時鐘穩定性的影響。并且，這種采集方式即使沒有GPS授時或采用精度不高的時鐘振蕩器，在相對于實時時鐘提供的基準時間內采樣時刻仍然是十分精準的。制作好的電路及磁力計整機如圖3所示。

圖3 井下磁力計數據采集系統

1.3 背景磁場自動補償設計

磁通門磁力計一般僅作為磁場的相對觀測［3，8］，同時為提高磁力計的分辨率及改善線性特性，使磁通門傳感器探頭工作于零磁場附近［3，8］。磁力計的動態范圍要求為±2 500 nT，而地球表面地磁場的大小約為60 000 nT［11］，所以要設置背景磁場補償。由于補償磁場要遠遠大于磁力計相對觀測的動態范圍，其穩定性和補償精度是影響磁力計測量精度、有效動態范圍、工作穩定性以及分辨率等重要性能的關鍵環節［3，12］。以往磁通門大多采用手動電位器的模擬補償方式［3，12］，或手動數字設置補償值的方式［3，12］，補償精度低，操作不便，尤其是需要實地操作，不能適于井下磁力計的遠程控制需要。因此井下磁力計設計了單片機控制下高精度的D/A加恒流源反饋的數字自動補償方式，其實現原理見文獻［3］。D/A采用16位雙極性輸出的 MAX5442，取2nT/LSB的補償靈敏度，可滿足±65 000 nT的測量范圍的要求。

背景磁場的補償還設有手動設置補償值的補償方式，上位機專用監控軟件的設置對話框操作界面如圖4所示。自動補償方式下，單片機執行自動補償算法程序，一次補償過程大約持續4 min～5 min時間，補償后零點可控制在±30 nT范圍內(零點精度可根據實際需要調整)［3］。自動補償方式準確快捷，操作簡便，適于井下的實際觀測過程。手動補償可以根據需要人工設置±65 000 nT范圍內的任一補償值，響應速度快，在實時實驗、調試中可以即時監測所需要的補償效果，在下井時也用于系統的安裝定向。

圖4 背景磁場補償設置對話框

1.4 軟件設計

由于井下各儀器單元共用RS－422總線與上位機通信，各傳感器的故障或不嚴謹的程序可能會使得整個系統不能正常工作。因此，高可靠性是對各儀器的基本要求。

為了兼顧井下磁力計適應井下綜合觀測的統一監控和單機調試及井下安裝定向時的實時傳輸要求，磁力計程序設計了兩種工作狀態:被動發送的協議傳輸狀態和主動發送的實時傳輸狀態。在進行井下觀測時，工作于協議傳輸狀態下，磁力計采集的數據先放入以分鐘數據量為幀長度單位的幀緩存，然后在地面主機的傳輸控制命令下，向地面主機發送之前的5 min內的某個數據幀。當磁力計工作于實時傳輸狀態下時，采集的秒數據幀實時地向上位機發送。秒數據幀由幀開始標識、時間、溫度數據、兩分量的傾角數據、三分量的地磁背景磁場的補償值以及三分量的地磁場相對觀測值加上幀校驗幾個部分組成。磁力計主程序流程如圖5所示。在命令控制傳輸狀態下，磁力計不斷查詢串口中斷的輸入數據緩沖池，根據緩沖池中接收到的控制命令字節調用相應的命令協議解析程序，進而執行相應的命令控制操作。磁力計進入實時傳輸狀態時，除復位(或停止實時傳輸)命令外，對其它的控制命令均不響應。

圖5 磁力計主程序流程

井下儀器與上位機通訊時，上位機用單播向井下各傳感器發出傳輸控制命令，傳感器則根據地址進行響應。為簡化協議，各命令只在幀末尾添加了一幀字節累加和的低位字節作為幀校驗，但這也增加了對傳送中出錯命令不能夠正確校驗的可能性。為提高正確識別控制命令的準確性，首先采用中斷方式準確接收串口每一個數據，并設置命令循環緩沖池，在主程序中為每一條應響應命令編寫命令解析函數;其次在進行協議解析時，采用精確到每一字節檢驗的命令協議解析方式，以彌補原協議校驗方法的不足。

2 監控軟件

監控軟件是儀器的一部分，是儀器使用的人機接口。良好設計的軟件對儀器的研制和調試能夠起到事半功倍的效果，也能極大地方便儀器在實際中的應用。井下磁力計監控軟件采用VC++編寫，用多線程實現數據的接收、實時波形的顯示、數據計算處理、人機干預和文件存盤等任務，用來對井下磁力計的時間、背景磁場補償等參數進行設置;監控三分量磁場相對觀測和溫度的實時波形;顯示當前各參數的實時數值，包括三分量磁場相對觀測值、當前波形的峰－峰值、三分量背景補償值、兩分量傾角以及溫度、采集時間等。監控軟件界面簡潔，實時波形顯示采取自右向左“滑動”的波形顯示方式［13］，有很好的視覺效果;根據波形的最大值和最小值自動調整最大、最小顯示刻度范圍使實時波形總是能夠以滿幅的方式顯示在波形窗口中，使任何時刻都能看到最好效果的完整波形;波形窗口顯示的數據長度可以在30 s到1 d的范圍內進行動態設置。此外，監控軟件還設有按小時或每天一個文件的長度進行數據的存儲等功能。軟件運行界面如圖6所示。

圖6 井下磁力計專用實時監控軟件運行界面

3 系統測試及應用

井下系統在實際工作中，由于與上位機的通訊距離遠(井下1000 m)，信號發生畸變的可能性較大，以及野外復雜的地面環境產生的各種電磁輻射，使得數據在傳送中受到干擾而出錯。使用串口調試工具模擬上位機的各種控制命令，并在幀前幀后加入長度不等的各種干擾字節以及人為發送各種可能出現的錯幀數據，以檢驗磁力計程序工作的穩定性。單機測試結果以及后來進行的集成系統長時期的聯調測試表明，磁力計在各種情況下均能正常工作，沒有出現程序跑飛、響應錯誤或沒有響應等異常。

把磁力計整機放入磁屏蔽筒，記錄其噪聲，選取穩定后100 s的數據，按“地震觀測儀器進網技術要求”方法計算其峰－峰值噪聲為0.043 nT，此即為磁力計整機噪聲或磁力計分辨率［14］。然后給磁屏蔽筒加上標準信號源，用正弦信號分別測試磁力計的頻率響應、線性等指標，如表1所示。

表1 性能指標測試

井下磁力計完成設計并經實驗室性能測試、校準標定及集成系統的聯調測試后在天津靜海地磁臺站進行實際應用觀測。靜海地磁臺站環境干擾少，地下磁房具有理想的恒溫性，其日變溫差一年中最大只有0.2℃，并配有進口的秒采樣磁通門磁力計DIMARK-FGE(丹麥)和分鐘采樣磁力計等多種進口磁力計設備［15］。連續觀期間井下磁力計工作十分穩定，記錄的地磁信號與DIMARK-FGE等高性能地磁儀器完全一致，限于篇幅，這里只取一天的波形記錄以作比較，如圖7。從波形上明顯可見離臺站30 km遠的地鐵運行所產生的磁場干擾。

圖7 井下磁力計與DIMARK-FGE一天(UT)記錄的波形比較

4 結論

本文研制的井下磁力計數據采集系統實現了多通道地磁信號的高采樣時刻記錄精度和高幅值記錄精度(高分辨率)的24位采集。提出高精度磁通門背景磁場的自動補償控制系統，克服了以往磁通門需要實地操作的缺陷，使井下磁力計能夠實行地面主機的遠程監控。討論了對于井下儀器的高可靠性設計。該采集系統中針對井下應用和地震信號采集要求提出的解決方法和技術，同樣適用于一般地震地磁儀器的應用。

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