d03t发送机技术说明书.docx

1、d03t发送机技术说明书D03T电法勘探发送机技术说明书 D03T_2型电法勘探发送机外形图 图(1) 中国科学院地质与地球物理研究所研制 北京中科天丰测控技术股份有限公司制造目录一仪器的主要用途和性能二仪器的技术指标三仪器的硬件电路说明四仪器的软件程序说明五仪器的使用方法与操作步骤六仪器的配套部件与本仪器的连接方法七仪器自检测试方法八八仪器的保养方法与送修办法一仪器的主要用途和性能D03T-2电法勘探发送机是一台智能化网络化的野外电法勘探中使用的主机。主要用途是使用电阻率法，高密度电阻率法，激发极化法（时域，频域）寻找地下矿体，地下水，地下空洞。寻找具有激发极化效应的金属矿，如铜矿，铅锌矿，

2、具有铜矿伴生的金矿。用高密度电阻率法可以寻找地下水，地下空洞，可用于工程物探中探测铁路公路的路基质量。本仪器配套使用220V工业交流电或野外使用的发电机（220V，1.4KW）发出的220V交流电，由专用隔离变压器转换成50V，100V，200V，300V，400V，500V各种交流电输入到本仪器。本仪器在机内微机控制下，可以输出幅度从50V到500V的方波信号或中间有停电的双向方波脉冲,输出主大电流为3A，输出最大功率为1200W。波形的频率可变范围是128秒每周期到8KHZ。仪器使用安全可靠，机内具有输出过电流自保电路，输出欠电流保护功能（防止野外有人碰断供电线造成触电事故）。本仪器中具有

3、二条通讯控制二总线接口，一种是编码的二总线PG控制，用它可以同时控制32个供电电极控制器联合工作，可以控制用地址编码的供电电极A或B“通”与“断”，从而实现偶极偶极法中供电位置改变的功能。另一种二总线控制是采用了RS485标准，它可以在二根线上实现发送和接受串行化的数据信号。用它与最多32个接收电极（M，N）放大器联接，可以同时指挥32对MN电极同时测量从地下返回的电法测量参数（V1，V2），同时测量后暂存在放大器中的微处理机系统中，然后用RS485二总线分时的传送给D03T-2主机。这样的测量方法就可以使野外工作效率大大提高，可以实现大面积高密度的野外勘探工作，特别适合寻矿中的大面积普查和工

4、程勘探工作。仪器中还有一条三总线的RS232串行通讯接口，它可以与室内系统微型计算机（PC机）实现串行通讯。本仪器内有大容量的Flash存储器，它以野外数据记录的形式建立了一个野外数据记录本式的小型数据库。在本仪器上可以记录，查找，也可以用RS232接口把整个野外记录数据库下载到PC机中去，形成PC机中Acses数据库中的数据记录。这些原始记录可以为电法勘探人员进行资料后处理，用PC机中的各种处理软件实现野外地质剖面参数的成图打印等工作。另外，本仪器还可以用RS232接口与一台专用的野外便携式电脑控制的D03M多功能电法勘探仪联接，让多功能电法勘探仪实时控制D03T-2发送机工作，实现野外数据

5、采集与野外现场资料处理（成图，显示）。综上所述，本仪器是一套用各种串行通讯联网的野外电法勘探局域网中的一台设备，但是它可以单独作为一台独立的电法勘探发送机使用。二仪器的技术指标（参看图,图）(1)仪器的机械结构指标材料：硬质铝合金，机箱和机架，面板全部铝质。性能：防震，防水，全密封结构，轻便。外形尺寸： 长：400mm；宽：300mm；高：220mm。仪器重量： 10 公斤。(2)仪器的电气指标输入电压：交流直流双用（交流电频率50Hz，60Hz，400Hz兼容）交流输入电压：50V，100V，200V，300V，400V，500V（由专用变压箱提供）直流输入电压：50V500V（由专用DC/

6、DC变换器提供，或者由蓄电池组提供）输入电流：100mA3A。输出电压：50V500V。输出频率范围：128秒/周期8KHz，变频用数字频率合成器完成，使得频率分辨率为1/213，近似频率连续可调，频率稳定性1/10万。输出电流范围：100mA 3A。当负载（即大地电阻）过大时有短路保护功能，当负载断开时有切断输出电压的功能。输出电流自检功能：机内具有精确的交流方波输出电流隔离测量功能，机内微机可以测量和记录输出电流的幅度，电流测量精确度为1% 。输出波形：方波，正负间断的方波脉冲如下图所示显示器：采用可显示文字和图形的点阵式液晶显示器，显示分辨率为12864。带有LED全屏幕背光照明，可以显

7、示英文，数字，曲线图形。键盘：采用密封式轻触按键，防尘，可靠。使用54键，与显示器配合工作形成提示式键盘选择命令操作系统。备电：机内有密封免维护可充电蓄电池一块,输出12V。在充足电后可提供仪器在野外一天的工作中使用。机内的微机部分使用该备电工作可提高仪器的抗干扰性。对备电充电使用充电电缆线外接220V，50Hz交流电充电，连续充电8 12小时。电池的充电电流大小在面板上有CHAG-A指示灯指示。充电时指示灯亮，待电池充足后指示灯变暗（此时充电电流全动减小，但还有小电流充电）。另外还有一个指示灯CHAG-V在充电期间是常亮的，它指示仪器在充电。注意，在充电时仪器应该处在控制电源开关CONPW关

8、状态。通讯功能：RS232串行接口：该接口用于与PC机的RS232串行口联接实现实时控制和数据下载通讯。用专用电 缆线连接如下图所示D03T-2中的通讯软件在仪器的软件中（固化在Flash存储器中）用键盘命令可以激活该软件。在PC机一边需要用专用软件（用VC+6.0编制的工程软件）配合工作。可实现仪器与PC机的通讯操作。 RS485二总线串行通讯接口（光电隔离的串行通讯）RS485通讯指标：通讯波特率：9600Bd，通讯线最长距离为1000米。通讯输出A，B口电压是差动输出，工作电压5V，AB输出“1”，BA输出“0”。RS485中的GND线可以不接分机的GND，但是为了提高抗共模干扰 最好把

9、通讯分机的GND与主机的GND接在一起，这根线使用二芯屏蔽线的外屏蔽层线，为此要求分机部分的计算机部分的RS485口的输出部分地线与大地是隔离的。在本仪器中使用分机中电池的0V作为RS485的地，分机中的RS485接口中的信号线与分机中计算机部分的信号传输是采用光电耦合器实现的,所以分机中的计算机部分的地线是与RS485部分的地线是隔离的，分机中的计算机部分的地线是与大地接通的。采用隔离的RS485通讯的好处是抗共模干扰性能强，在电法勘探中分机处在不同接地点，在发送机供电时会产生超过几百伏的共模电压，如不采用隔离技术会使分机和主机的电路损坏。RS485与分机通讯电缆联接如下图所示D03T RA

10、主机 GND RB RA GND RBR03R32号分机RA GND RBR03R1号分机编码串行通讯二总线PG总线PG总线是由二根线组成的串行通讯总线，这二根线上由主机中的CD45026和LM338联合工作来向分机提供直流电源（+16V）和编码信号，对分机寻址的地址位（5位）和对分机控制的数据位（4位）。经过编码的9位数是以串行信息分时输出的，每一位的状态可以是三种状态，即“0”，“1”和“高阻”（在本仪器中只用了“0”和“1”）。这三种状态位被调制成不同形状的波形（具体形状用户不必清楚）。这些串行信息波形是叠加在一个直流电平上的，如下图所示该波形是主机DO3T-2发出的，分机上收到波形后，

11、会把直流电平和编码数字信号分离开，其中直流电平（+16V）经降压稳压后供给解码电路（CD45027）的信号输入端，解译电路会将九位数字分开，前面的5位是地址信号，后面的4位是数字信号。得到此地址信号后会自动与本分机用拨码开关设置的地址进行数进行对比，如果两个地址相同，解码电路就会把数据信号从芯片上的4个脚输出，作为控制分机上的一些开关控制的部件（如继电器等）。如果地址信号不符合，分机的解码电路就不更新输出的数据位，使分机保持上一次被控制状态。因为地址是5位，所以二根总线上最多可控制32个不同地址的分机。控制的数据有4位，所以可以控制成16种状态。在本机实例中只使用了3种状态，被控制的分机中有一

12、根接地的供电电极，该电极可以与发送机的供电线A接通或B接通或者与AB都断开，对应的关系如下表所示本仪器中使用该总线可控制32个供电电极控制器，可以用程序控制任意某二根电极一根接通A线，一根接通B线，让其它30根电极都处于断开状态。这样就可以在偶极偶极法测量中自动改变供电电极位置，每改变一次供电电极位置就可以同时测量32对接收电极MN处的V值，把测量效率提高了32倍。三仪器的硬件电路说明仪器的硬件方框图T03T-2发送机的计算机控制板硬件说明参看T03TCPUX板方框图和D03CPUX . PCB板图 图（ ） DO3T-2仪器电路方框图在CPU板上附加MAX487 RS485串行口IC01是一

13、片单片计算机芯片，型号是W77E58，美国Winbond公司的产品，它与Intel的80C52和Atmal公司的89C52片兼容。在80C52的基础上增加了以下功能：（1）增加了一个SUB串行通讯口，使用原来的P1.2脚作为RXD1（串行接收），原来的P1.3脚作为 TXD1（串行发送1）。用这个串行口与MAX487芯片接口形成了本板上的RS485二总线通讯口。RS485口是二总线通讯口，它是半双工的通讯，它可以作串行输出，也可以作串行输入，在某一特定时刻只能作输入或输出中的一种状态。控制它作输出还是输入是由P1.4脚输出状态决定的。当P1.4 = 0时，RS485口对CPU中的SBU输入RS

14、485总线上来的串行数据。当P1.4 = 1时，由CPU中的SBU1向RS485总线输出串行数据。输出输入的速度波特率和每一帧数据的位数和起始停止位的格式都由CPU内的软件硬件控制。（2）W77E58内有32K BYTE的Flash存储器，用于存放程序代码（但本仪器中未用）CPU板的存储器地址安排 IC13是RAM62256，它的容量是32KBYTE。用它存放程序中使用的XDATA（外数据），占用地址：0000H 7FFFH，C51中large（大）模式编程时使用。本机中主要用来存放临时数据，数组，结构记录。该片中的数据在仪器停电后就会消失。 IC15是Flash存储器29F010B，它的工作

15、电压是5V（在 5V单电源下可以读和写）。在本机中用它存放数据库的存档数据，占用地址是8000H F7FFH，总共（32K2K）。分成两个区，第一个区是8000H BFFFH，第二个区是C000H F7FFH。第一个区的Flash用来存放野外数据记录，第二个区域用来存放仪器设置的各种参数，这些数据在仪器停电后也不会消失。要擦除这些数据可以用专用的程序分区擦除，也可以用程序整个Flash中数据擦除。该芯片占用的地址是XDATA地址，但是在C51使用中不能把它作为XDATA数据占用8000H以后的地址（这可以用L51生成的*.M51文件中查看XDATA内存占用表中看到）。 IC15是Flash存储

16、器，在本机中是存放CPU 外的程序代码的，是CORD，占用地址是0000H FFFFH总共64KBYTE，用它存放仪器的整个操作系统和应用程序代码。程序的生成可用C51，L51，OH工具软件开发，在仿真器上调试，通过后用通用EPROM编程器把HEX文件或BIN文件写入Flash29F010后插入本板的插座上使用。也可以使用串行通讯RS232口用专用通讯控制软件从PC机上传送程序代码到本板后逐个字节写入Flash29F010，然后就可在仪器中使用。后一种方法称为仪器的现场编程。 IC16是一片实时钟模块DS12C887。该模块内有“年，月，日，时，分，秒”计时器，内有蓄电池，在仪器关闭时，该实时

17、钟还能自动走时10年（但一般能保证5年）。该芯片中还有100多个字节的通用RAM，用它们可以存放希望仪器停电关闭也不要消失的数据。有关DS12C887芯片的使用请参看Dallas公司的器件数据手册。 IC4：74HC688和IC33：74HC138两片高速CMOS逻辑电路在本机中组成地址译码器，用它们产生地址从F800H FFFFH的XDATA输入和输出口地址的选通信号（CS或G信号）。74HC688是一个地址和设置比较状态电路，当P0 P7的各位数与Q0 Q7各位数相等时,电路的P=Q端会输出低电平“0”，如果Px与Qx不相等P=Q输出“1”，表示不选通。本电路中用P=Q接到74HC138的

18、G端来选通74HC138。74HC138是一个标准的地址译码器电路，它的8根输出选通线Y0到Y7在不选通时全部是高电位“1”，在G=0时，配合A，B，C的状态，可以使Y0到Y7中只有一个输出“0”，其它保持“1”，输出“0”的Yx表示该地址区域被选通。在本板中把CPU的地址线中的A8，A9，A10分别接到74HC138的A，B，C，配合P=Q线控制，使得74HC138的Y0到Y7分别选通下列地址，如下表所示 IC5：74HC244和IC16：74HC573作仪器中键盘的输入口和输出口。它们都是8位并行口，用它们可以组成8864键的矩阵键盘控制口。键盘的操作程序是用软件实现的，用输出口控制8列输

19、出，Q用输入口接收8行输入位。当无键盘按动时，8位输入的数据为全“1”（因为输入口有810K的排电阻把状态拉到高电平）。当输出口输出全“0”时，可以让输入口检查是否有任意键按下（这时输入的8位不是全“1”）。要想知道到底是某列和某行上该键按下，要用程序使输出口逐列输出“0”（其它列保持“1”），再从输入口读入行的状态，根据8位状态可区分出是哪一行，根据目前是哪一列上输出了“0”可以知道那一列，这样就可以算出在矩阵中是哪一个位置的键按下了。然后查键盘矩阵对应表可以知道是哪一个ASCII码的键按下了，此时就得到了键盘上输入的一个ASCII码键值。IC7：74HC244和IC12：74HC573组成

20、了本板的8位并行输出口和8位并行输入口。输出口：Ox0 Ox7是8位并行输出口。它是一个8D锁存器的输出口，输出电平0 5V，带负载能力是5mA左右（即能带1K的电阻）。在程序控制中要想改变输出口的数据（8位）只要对个口地址（FA00H FAFFH）写入一个数就可以了。输入的数据长期锁存输出，写入另一个数据时就能改变输出数据。仪器上电时输出的数是随机的，应该在主程序的一开始就把它初始化为某一固定的安全状态。在程序以后的执行中要想对这8位数据中的某一位改变而使其它位保持不变（即对输出口实现“位”控制）。这需要在程序中作一套软件机构来实现。由于该输出口是只能对它“写”而不能对它“读”的，所以该8位

21、的目前数据状态不知道，这样就不能只改变某一位而使其它位保持现在的状态。为了知道目前各位状态，这就需要在单片机CPU内的数据区中做一个该输出口的形象字节。该形象字节的状态是可以用程序读出的，把该形象内存字节数据用逻辑的“与”和“或”操作就可以实现改变某一位而使其它位不变。然后再把改变后的8位形象内存数据向该输出口的绝对地址输出，这样就能实现对该输出口的“位”操作。另外值得一提的是在定义CPU内的输出口形象内存字节时可以选择位寻址的数据类型字节（BDATA）。对于可位寻址的数据C51中有sbit定义命令定义，让Ox0 Ox7中各位分别成为Ox0 Ox7位，这样可以用Ox0=0和 Ox0=1语句使8

22、位形象内存数据中某一位改变而其它位保持不变，然后再把这8位形象内存数据整个的送到该仪器的输出口。输入口：Ix0 Ix7是8位并行输入口。该输入口是用8 10K排电阻上拉的，所以当输入口未接外来的状态时计算机读入的Ix0 Ix7是全“1”。对于输入口不需要内存形象字节，因为它随时可以读入。要想知道某一位改变只要使用逻辑“与”语句就可以了。*D03T功率主迥路*D03T变频器驱动电路*D03T波形发生器电路频率合成器的输出方波频率计算：当锁相环锁定时，进入相位检测器A的两个信号：fR=N。其中fR = fOSC/R；式中fOSC是外接石英晶体的频率，R是由RA0、RA1、R2的脚设置的，当它们都是

23、开路时，R=8192。fN是由fin和N决定的，fin是压控振荡器MC14046控制的，VCOUT，fX。N是由CPU板上OX0和OX1位输出控制信号向两个12位二进制数器CD4040送来的串行数，CPU一次送来后就一直保持在CD4040之中，并输出“0”或“1”给MC145151的N0到N13。所以，由于fN = fX/N，所以fX = fOSC/R，所以fX =（N/R）fOSC。在本例中fX=N4194304Hz/8192=N512Hz。上图中fX经过CD4040二进制计数器分频后得到Q1输出FDED = N256Hz。Q5Q12进入多路转换开关CD4051的X0X7，CD4051的开关

24、X输出5X0到X7中某一个接通输出FLX方波，它的频率计算公式如下：FLX = （FX（2的5次方）2的m次方=（512N）32（2的5次方）=（16N）（2的m次方）。上式中m是由CPU板上输出口的位OX4，OX3，OX2来控制，使m变化范围在07，（2的m次方）变化范围是1，2，128。FLX的信号又经过二个CD4013二进制计数器分频后得FOUT1FOUT = FLX4=4N2的m次方（Hz）FOUT1是频率合成电路输出的最终频率，在本仪器中的main（）函数中，设N=2，m=5。FOUT = （42）（2的5次方）= 832=1/4Hz，周期TOUT=4秒。*编码二总线控制PG控制电路

25、*供电电极控制器电路*。D03TRS232,RS485通讯电路*.D03TCPU板中的频率测量和V/F转换器电路 IC1：74HC74（双D触发器）IC：74HC08（4与门）和IC01：W77E58 CPU中的T0，T1和P1.0，P1.1组成了一个频率测量电路，该电路是一个高精度的同步频率测量电路，可以精确到误差小于最低的1（一般的数字电路有最低位1的误差），它的测量原理如下图所示本电路是一个硬件与软件相结合的频率测量电路。参看频率测量硬件电路方框图。CPU内用T0作为对频率脉冲计数的计数器，它的输入脉冲是外来的被测频率。用T1作为测量频率的闸门开启时间的定时器，它的输入脉冲是晶振分频后的

26、标准频率脉冲，用软件可以设置T1的定时时间长度。先对它设一个初始值，然后启动T1，让晶振驱动它做加法计数，在初始值的基础上假如脉冲使计数值溢出（即计到16位数字FFFFH）这时会向CPU 申请中断，CPU 响应中断后会自动转到中断服务函数中来。在中断服务函数中对定时器重新设为初值，T0定时器开始下一次定时，每次定时器溢出耗时50ms左右。如果让它申请中断20次，就可以得到50ms201s的定时时间。用这个一秒钟的定时作为外闸门开启的时间，用软件控制P1.1口作为闸门（1）“开”控制信号，用P1.0作为闸门（1）“关”控制信号。在闸门开的一秒钟内T1计数器来计数外频率信号，T1初始值设为“0”，

27、在一秒钟结束时闸门关闭，此时计数停止，保存下来的计数值1秒就得到了频率值 x/s 。 控制闸门的时序是：P1.1输出开启闸门（2）的脉冲，闸门（2）开启后使与门（2）打开，用外来Fxin信号Fxin的第一个脉冲去打开闸门（1），闸门（1）打开后Q2输出“1”去开启与门（1），与门（1）开启后外来脉冲Fxin使T1计数器开始计数。这样开门与计数是同时开始的，这种测频方法称为“同步测频”，可以减少一个脉冲的误差。*D03T发送机高压AB供电输出电流测量电路 IC11：LM331 是一片V/F转换器。它的功能是可以把输入的0 10V的电压量转换成0Hz 10000Hz的脉冲信号。本仪器中用它与频率测

28、试电路相结合做成一个直流电压转为数字量的模数转换器，它的优点是抗脉冲干扰性能强，转换的精度高（1/10000），成本价比一般的专用A/D转换器低。缺点是转换的速度慢。精确度是用闸门的时间延长来实现的，在使用一秒钟闸门时分辨率是10伏/1万，即1mV分辨率。如果用0.1闸门，分辨率还是1mV，但最大电压只能是1伏，所以精确度误差为1/1000，在要求低的情况下可以用更短的闸门，精确度就更低。本仪器中该电路用在高压隔离的AB电流测量中，它的工作原理在下文中介绍。*D03T发送机机内控制电源 ICX：MAX487是一片RS485二总线多机半双工异步串行通讯的接口芯片。它的功能是把单片机W77E58中

29、的第二个串行口SBU1的0 5V的TXD1信号转换成差动的A，B信号输出，又会把来自A，B输入的差动串行信号转换成单端的0 5V信号送给SBU1的RXD1。在AB总线上使用差动信号传送的距离和速度都可以提高，因此在 用9600波特率的传输速度下，通讯距离可以达到1000米。这样就能使野外一条测线上的多个从机与主机实现半双工双向通讯，通讯线只需要二根（用双绞线或双芯屏蔽线）。在半双工通讯中要用P1.4口来控制MAX487处于发送数据或者接收数据状态，状态转换是由通讯软件协议控制的。 IC85：MAX202是一片专用的RS232通讯接口片，它是一片全双工通讯的双机通讯线，可以实现仪器与PC机通讯。

30、通讯时需三根线，一根是发送，一根是接收，一根是公共地线。信号是对地而言的单端信号，这条通讯线上“0”状态是（10V 12V），“1”状态是（10V 12V）。MAX202芯片的功能就是把RS232线上来的10V或10V信号转换成计算机接受的5V和0V信号。5V信号逻辑表示“1”，0V信号逻辑表示“0”分别送到单片机W77E58的SBU串行口的RXD和TXD脚上。MAX202是使用5V电源工作的，10V和10V是通过MAX202内部的DC/DC变换器转换得到的。有了10V和10V的电源就可以把0 5V信号到10V 10V信号之间进行电平转换了。需要说明的是RS232为什么要把信号转成10V 10

31、V？这是为了提高抗干扰性，通讯中使用的电压越高，抗电磁干扰性能越强。但可惜的是RS232的信号不是差动的，是对地的单端信号。因此抗干扰性能不及RS485，通讯距离一般要在10米以内，只能在室内使用。如果要想实现长线通讯，还需要加MODEM。另外它只能实现双机一对一的通讯，不能实现多机通讯。波形发生器的技术要求：（1）频率变化范围在1/16Hz 8KHz之间，频率稳定性和精确度在1/10万。（2）波形生成两种，第一种是正负波， 用于做频率域激电或低频直流电阻率测量。第二种是正负脉冲，用于做时间域的激发极化法测量。（3）波形发生器的关键技术要求：由于大功率IGBT组成的桥式逆变器要求在换向时有一个4个管子都不通的死区时间，用来保护全桥逆变器不被换向瞬间的尖峰电流损坏。这是因为在换向时要关断原来导通的管子，同时开通原来关断的管子。如果这两个动作同时进行，被关断的管子需要一定的延时时间（一般在1s 5s）。这样就有可能在某一瞬间上下两个管子同时处于导通状态,这样就会造成一个直流高压电源被两只管子短路的瞬间。虽然时间较短，在工作电压较低时管子还能经受得住（但浪费能源）。在工作电压较高时这种瞬间桥路内部短路会烧毁大功率晶体管，为了防止这种事情发生要采取以下