井下磁力计数据采集系统的研制

　　地震观测是地球科学研究和地震监测与预报研究的基础，地磁观测是地震观测的重要组成部分。中国已经建成了分布较广、观测手段较为完备的数字化地 面观测台网。但地面观测易受交通、工业等人为噪音影响，使微小地震和来自地下微弱的地球物理信息混杂在高噪音背景下无法辨认和识别[1-2]。而井下观测 则可以极大地减小地面噪音干扰的影响，提高观测的信噪比[1-2]。因此，20 世纪90 年代以来，随着世界科学技术的进步，深井地球物理综合观测在世界发达国家迅速得到发展[1-2]。

　　由于深井观测仪器要固定在井底，即使仪器发生故障也不能从井下取出来。因此深井观测仪器不同于一般仪器，要充分保证仪器几乎不发生任何故障 [1-2]。仪器所有的功能操作也只能在地面远程控制[3]。本文针对井下仪器的高可靠性和高精度实时观测及需要远程监控要求，以MSP430F1611 单片机为主控制器设计了井下磁力计传感器单元的数据采集、控制和实时传输系统，对AD 采集的高分辨率和高实时性、背景磁场的自动补偿控制方案的设计，以及和其它传感器单元共用RS-422 总线与上位机进行数据通信的可靠性协议解析等问题进行了讨论和分析，介绍了监控软件的功能设计，最后给出了磁力计整体单元的测试和应用结果。

　　1 井下磁力计数据采集系统

　　1. 1 系统设计

　　井下集成综合观测系统是在一口深井中自上而下分别布置着宽频带地震计、温度计、倾斜计、应变计、地磁计等，各传感器探头实现观测数据数字化，地面主机用RS-422 总线与各传感器进行实时数据通讯，如图1 所示。

　　井下磁力计位于井下集成综合观测系统的最下端，用以探测微弱的地磁变化信号及为井下集成综合观测系统下井安装时提供安装方向指导。它主要由传感 器探头、模拟信号调理电路以及采集数字电路三部分组成。其采集、控制部分由控制单元、实时时钟、三分量的地磁信号AD 模数转换单元、作为地磁场背景场补偿的三通道DA 数模转换单元、温度/倾角测量单元、RS - 422 通讯单元等组成，如图2所示。

　　系统采用MSP430F1611 作为磁力计控制、采集和数据通信的控制处理单元。MSP430 是TI 公司的16 位RISC 混合信号处理器，它具有集成度高、处理能力强、片上外围设备丰富、在线调试、超低功耗及内置看门狗等特性[4]，能适应井下综合观测系统对单机的功耗、体 积和实时采集、通信的要求。在井下综合观测集成系统中，由地面主机向各传感器发出命令进行控制。按协议要求，采集时，主机以1 min的时间间隔轮流向各传感器发出实时数据传输命令，传感器收到发给自己的传输命令后，解析出命令中的时间参数，并在1 s 内把主机所请求的该时间内采集的数据按要求发送到RS-422 总线。为了防止各传感器的时钟不能完全同步以及其它原因带来的处理时间差异，要求各传感器探头能保存当前时刻之前采集的5 min 的数据。由于磁力计是秒采样，每次采集有9 个字节( 水平分量、竖直分量以及磁偏角分量，每分量24 位3 字节) ，加上时间、温度、倾斜角、背景磁场补偿值以及协议开销等，每分钟的实时数据量为600 字节左右，所以至少要有3 kB 左右的数据存储缓冲区。MSP430F1611 集成了10 kB的片上SRAM 以及48 kB 的程序存储空间[3]，能够满足井下磁力计较大容量的存储空间要求，因此不用片外扩展Flash 程序存储器和数据存储器，简化了整机硬件电路设计和软件设计，节省了电路板空间，提高了系统稳定性，也降低了系统功耗。