專利名稱：一種可尋址智能電極電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于勘探地球物理儀器領(lǐng)域，涉及分布式控制的電極電路，適合于 高密度或多通道電法儀器的多電極自動切換的應用場合，具體涉及一種可尋址 智能電極電路。
背景技術(shù)：
高密度電法儀自20世紀80年代誕生以來，它們已廣泛應用于用堤壩隱患探 測、礦產(chǎn)資源勘察、巖溶勘探和考古等方面。高密度電法的原理和常規(guī)電法完 全一樣，都是以地層和巖礦石的導電性差異為基礎(chǔ)。相對于常規(guī)電法而言，它 具有許多優(yōu)點電極布設(shè)一次完成，可減少因電極設(shè)置引起的故障和干擾；進 行多種電極排列方式的掃描測量，可獲得豐富的地質(zhì)信息；數(shù)據(jù)采集自動化， 可減少人為失誤，大大提高工作效率等。
各種高密度電法儀均包括主機和電極轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中電極轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是儀器 設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。電極轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要分為三類，包括機械式電極轉(zhuǎn)換、電子式 電極轉(zhuǎn)換和分布式電極轉(zhuǎn)換。第一種僅用于早期的高密度電法儀器中，目前已 經(jīng)淘汰。電子式電極轉(zhuǎn)換通過主機控制電極轉(zhuǎn)換箱，電極轉(zhuǎn)換箱的接線端與所 控制的電極一一對應，由電極轉(zhuǎn)換箱實現(xiàn)電極的轉(zhuǎn)換，因此電極轉(zhuǎn)換箱與電極 之間均有獨立的導線相連，相連導線數(shù)目不小于電極的數(shù)目，在電極數(shù)目較少
(一般小于40)的情況下，通過多芯電纜能很好的實現(xiàn)連接。但電極的增多， 要求電纜的芯數(shù)增加，從而會使多芯電纜過于笨重，這一矛盾限制了儀器本身 的發(fā)展。采用分布式電極轉(zhuǎn)換的高密度電法儀是這類儀器發(fā)展的方向，其最大 特點是隨著電極數(shù)目的增多，連接電極與主機的電纜芯數(shù)無需增多，這樣為主 機對更多電極(多達數(shù)百根)的控制提供可能。目前已有的一種分布式并行智 能電極(授權(quán)號CN 1266487C)，與主機通信采用RS-485協(xié)議，主機向所有智能電極廣播，智能電極接受指令，進入各自的工作狀態(tài)。但每一個智能電極 均由一個獨立單片機系統(tǒng)組成，包括AT89C51單片機、采樣保持電路、A/D轉(zhuǎn) 換器及輔助電路組成，因此增加一個智能電極就必須增加一個完整單片機系統(tǒng)。 為了簡化系統(tǒng)，采用擴展工作電極的方式來設(shè)計，即一個智能電極對應多個工 作電極，從而工作在同一個智能電極下的工作電極可共用一個單片機系統(tǒng)。這 種分布式智能電極的主要問題是盡管采用一個智能電極對應多個電極的控制 方式，但不能從根本上解決多單片機系統(tǒng)的問題，造成系統(tǒng)復雜、穩(wěn)定性差、 功耗高等問題；同時帶來另一個問題是這種儀器進行野外工作時，布線麻煩， 首先要敷設(shè)一條智能電極與主機相連的電纜，另外工作電極與主機之間需采用 長短不一的導線相連，工作效率就會因此降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有高密度電法儀電極轉(zhuǎn)換電路的不足，提出一種可 尋址智能電極電路，該電極電路的每一個電極具有唯一的地址碼，主機根據(jù)地 址碼對電極中的可尋址芯片進行直接控制，可尋址芯片根據(jù)主機的指令發(fā)出計 數(shù)信號，在計數(shù)器和模擬開關(guān)的協(xié)同工作下實現(xiàn)對相應繼電器的控制，實現(xiàn)電 極的自動轉(zhuǎn)換。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為
一種可尋址智能電極電路，其特征在于，包括可編址開關(guān)、計數(shù)轉(zhuǎn)換電路、 多選一模擬開關(guān)和多個繼電器；所述的可編址開關(guān)的輸入端接外部主控電路的 控制端；所述的可編址開關(guān)的輸出端接計數(shù)轉(zhuǎn)換電路的脈沖輸入端；所述的計 數(shù)轉(zhuǎn)換電路的信號輸出端接多選一模擬開關(guān)的信號輸入端；所述的多選一模擬 開關(guān)的多個輸出端口分別與多個繼電器連接；多個所述繼電器的觸點對的一端 均連接電極輸出引線，多個所述繼電器的觸點對的另一端分別與多個電極選擇 端相接。
根據(jù)需要，所述的選擇端可以是4、 6、 8或12，或者更多，根據(jù)實際需要 而定。
所述的可編址開關(guān)為DS2405芯片，所述的計數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用可編程計數(shù)器 4526;所述的多選一模擬開關(guān)采用4051芯片；繼電器為4個，所述的電極選擇端分別為N、 M、 B和A; DS2405芯片的PIO端接可編程計數(shù)器4526的CLK 端，可編程計數(shù)器4526的信號輸出端Q2、 Ql和Q0端分別與4051芯片的信號 輸入端C、 B和A端連接；4051芯片的信號輸出端中的4個分別通過三極管與 4個繼電器的線圈串接；4個繼電器的觸點對的一個觸點均連接電極輸出引線， 4個繼電器的觸點對的另一個觸點分別與電極選擇端N、 M、 B和A相接。
本發(fā)明的有益效果如下
目前大量應用于工程實踐的傳統(tǒng)的高密度電法儀仍采用電纜芯數(shù)不小于一 次敷設(shè)電極數(shù)，電極的轉(zhuǎn)換集中控制的工作方式，電極數(shù)一般為60根，至多為 一百多根，這類儀器電極連接相對固定，無法擴展，而且儀器笨重。新型的分 布式電極轉(zhuǎn)換高密度儀在電極轉(zhuǎn)換方面均有較大改進，使電纜芯數(shù)大幅減少， 儀器相對輕便，但大多在電極設(shè)計方面復雜，尤其是電極上帶有微處理器的儀 器，不但增大了儀器的體積和功耗，而且儀器的制造成本也大大增加。采用本 發(fā)明設(shè)計的高密度電法儀，不僅使電纜的芯數(shù)大為減少，電極數(shù)可以任意擴充， 野外工作效率大大提高，而且智能電極本身的電路很精簡，使得儀器的穩(wěn)定性 得到提高，同時功耗小，更適于野外作業(yè)。
另外，本發(fā)明還具有以下特點
(1) 利用DS2405的64位地址碼作為智能電極的唯一識別碼。智能電極接 入系統(tǒng)(參見圖3)后，運行系統(tǒng)監(jiān)控程序，通過人機交互的方式對智能電極重 新編號。每一個智能連接在系統(tǒng)總線上的位置決定智能電極的編號，離主機最 近的智能電極編號為l，下一個為2，依此類推，最后一個電極的編號與電極總 數(shù)相等。將智能電極編號結(jié)果保存在系統(tǒng)存儲器中。如果系統(tǒng)總線上的沒有新 的智能電極接入或者沒有智能電極從系統(tǒng)總線上移除，其編號關(guān)系直接從存儲 器中調(diào)出供程序使用，不必重新編號；反之，就必須重新編號。因此，系統(tǒng)總 線上智能電極數(shù)目可任意增減，每次增減后只需對系統(tǒng)總線的智能電極重新編 號，增加了系統(tǒng)的靈活性。
(2) 電極的是由DS2405的PIO端通過兩次為一組的狀態(tài)改變，產(chǎn)生脈沖 信號作為可編程遞減計數(shù)器的輸入端，選用計數(shù)器保存PIO端的脈沖數(shù)是本發(fā) 明的巧妙之處。(3)可編程計數(shù)器的重置初值的外圍電路，使計數(shù)器的計數(shù)范圍與實際需 要相吻合；同樣模擬開關(guān)與前后級電路連接設(shè)計達到較優(yōu)化的狀態(tài)，使各級電 路間傳遞的邏輯值無須轉(zhuǎn)換。
本電極電路能實現(xiàn)在多個電極同時工作在一個系統(tǒng)中的情況下通過對其唯 一地址的訪問而使其互不干擾，且電路精簡，功耗低(由于只需要一個CPU對 所有的電極電路模塊進行控制)。因此，本發(fā)明具有高效、輕便、可擴展性好的 特點。


圖l為本發(fā)明的原理框圖2為實施例1的電路原理圖。
圖3為智能電極與系統(tǒng)主機連接的原理框圖
具體實施例方式
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
實施例l:參見圖1和圖2，該發(fā)明涉及的智能電極電路的外部接口為一根 8芯電纜，分別與A、 B、 M、 N、電源(Vcc)、地(GND)、控制線和復位線的 引出端相連，主機發(fā)出的所有命令均有控制線接收。電極的內(nèi)部電路按功能劃分 為三個部分可尋址部分(1)，計數(shù)轉(zhuǎn)換部分(2)，電極導通部分(3)。
可尋址部分(1)由可編址開關(guān)DS2405和上拉電阻(SR4)組成，其中上 拉電阻阻值選用51KQ 。 DS2405采用l-Wire協(xié)議與主機通信，l-Wire協(xié)議是 Maxim全資子公司Dallas公司的一種專有技術(shù)，采用該技術(shù)的芯片其中一個引 腳(控制線)兼有電源、通信和控制的功能，這樣就大大的簡化了系統(tǒng)的設(shè)計。 l-Wire通信協(xié)議包括3種基本信號復位/應答脈沖、寫0/1時隙和讀0/1時隙， 這些基本信號通過與主機相連的引腳上出現(xiàn)的高低電平的時長來識別。由基本 信號即可形成DS2405的指令系統(tǒng)，每條指令的長度均為8位，每片DS2405內(nèi) 部有一個64位的非易失性地址碼，且全球唯一。采用DS2405的指令系統(tǒng)就可 以訪問DS2405的地址。在本發(fā)明中使用的DS2405指令系統(tǒng)的三條關(guān)鍵指令是RR (33H)、 SR (FOH)及MR (55H)。 RR指令讀取DS2405的地址碼，SR 指令讀取當前與主機通信的DS2405的引腳PIO的狀態(tài)，MR指令改變當前與主 機通信的DS2405的引腳PIO的狀態(tài)，即若原狀態(tài)為"0"，則MR指令執(zhí)行后， 引腳PIO的狀態(tài)為"1"，反之亦然。在實際系統(tǒng)設(shè)計中，將DS2405本身的64 地址碼映射到從編號為1開始的地址碼表，最大編號即為要設(shè)計的高密度電法 系統(tǒng)控制的最大電極數(shù)目，這樣減少電極地址編碼的長度，同時將無規(guī)則的地 址碼統(tǒng)一編號后便于主機對電極的控制。由上可知，主機可以根據(jù)需要改變?nèi)?意一片DS2405芯片的引腳PIO的狀態(tài)，引腳PIO的狀態(tài)直接傳到下一級電路。 計數(shù)轉(zhuǎn)換(2)部分由可編程計數(shù)器(US1)、模擬開關(guān)(US2)及相應的外 圍電路組成。可編程計數(shù)器為4526，弓l腳12 ("0")與引腳3 (PE)相連，引 腳13 (CF)接高電平，引腳IO (MR)與二極管(4148)、電阻(SRR)、電容
(CS1)及電阻(SRR1)組成的電路相連，為計數(shù)芯片(4526)實現(xiàn)計數(shù)(US1) 復位。引腳6 (CLK)為計數(shù)脈沖輸入端，與前級電路的PIO端相連。引腳4
(INH接地)。引腳5 (P0)、引腳ll (Pl)、引腳14 (P2)、引腳2 (P3)為并 行置入端口，根據(jù)各端口電平?jīng)Q定計數(shù)器重新置入的初值，首先對計數(shù)初值進 行初始化，在線路板焊接時，SR3A、 SR1A位置處分別焊接阻值為10KQ的上 拉電阻，SR0、 SR2處用導線短接，SR2A、 SR0A及SR1、 SR3處不焯接。這 樣并行置入端口 (P3、 P2、 Pl、 P0)的狀態(tài)為010這是一個初始化的例子， 在重置初值狀態(tài)下引腳15 (Q2)、引腳9 (Ql)、引腳7 (Q0)輸出端口輸出的 狀態(tài)為(101)，在重置計數(shù)器的初值時Q2、 Ql、 Q0的狀態(tài)和P2、 Pl、 P0三 位嚴格對應，在非重置狀態(tài)下Q2，Q1，Q0計CLK引腳的脈沖數(shù)，即在非重置初 值狀態(tài)下輸出端口 (Q2、 Ql、 Q0)的值由引腳6 (CLK)端輸入的脈沖個數(shù)決 定。弓瞎6 (CLK)接收上級電路PIO端的信號，PIO改變兩次即為CLK的一 個計數(shù)脈沖。計數(shù)器4526為遞減計數(shù)器，每次計數(shù)前由外部復位信號對引腳10
(MR)復位，計數(shù)器的輸出端(Q2、 Ql、 Q0)輸出初值即為101。然后引腳6
(CLK)收到l個計數(shù)脈沖計數(shù)器減"l"，輸出值即為100，弓l腳6 (CLK)收 到2個計數(shù)脈沖輸出值為011，……，依此類推，收到5個計數(shù)脈沖計數(shù)器輸 出端(Q2、 Ql、 Q0)輸出值為001,若繼續(xù)收到計數(shù)脈沖，計數(shù)器4526的引 腳12發(fā)出信號，使計數(shù)器回到重置狀態(tài)，輸出端(Q2、 Ql、 Q0)輸出值為101。因此，計數(shù)轉(zhuǎn)換電路可以依據(jù)上述規(guī)律循環(huán)工作。計數(shù)器最終的輸入狀態(tài)為101、 100、 011、 010、 ooi五種狀態(tài)。
模擬開關(guān)(US2)采用"八選一"的4051芯片，輸入端為引腳9 (C)、引 腳10 (B)、引腳ll (A),接收計數(shù)器(US1)的五種輸出狀態(tài)中的某一種狀態(tài)， 模擬開關(guān)將根據(jù)輸出的狀態(tài)在引腳14 (Xl)、引腳15 (X2)、引腳12 (X3)、引 腳1 (X4)和引腳5(X5)的其中一個引腳上輸出高電平。當輸入端的引腳9(C)、 引腳IO (B)、引腳ll (A)為101時，引腳5 (X5)輸出高電平；當輸入端為 100時，弓|腳1 (X4)輸出高電平；當輸入端為011時，弓l腳12 (X3)輸出高 電平；當輸入端為010時，引腳15 (X2)輸出高電平；當輸入端為001時，引 腳14 (XI)輸出高電平。而引腳5 (X5)懸空對下一級電路電極導通部分(3) 為無效狀態(tài)，其余四個引腳的信息作為下一級電路的輸入，弓I腳5(X5)輸出高 電平時，引腳14 (Xl)、引腳15 (X2)、引腳12 (X3)、弓l腳l (X4)均輸出低 電平，即表示外部輸入引線(A、 B、 M、 N)與DL線均沒有連接。
電極導通部分(3)由四個結(jié)構(gòu)和功能均相同的單元電路(KA、 KB、 KM、 KN)組成。每個單元電路由一個三極管(卯14)、 一個繼電器(4148)組成， 輸入由上一級電路計數(shù)轉(zhuǎn)換部分(2)的四種輸出端及整個模塊的外部輸入引線 (A、 B、 M、 N)提供，單元電路的共同輸出端為電極的一條輸出引線(DL)。 上一級電路的輸出端信號(X4、 X3、 X2、 XI)僅有一個為高電平(或者均為低 電平)，與這個高電平信號輸出端相連的單元電路(KA、 KB、 KM、 KN)的三 極管基極為高電平，作為開關(guān)的三極管導通，與該三極管相連的繼電器導通， 從而完成外部輸入引線(A、 B、 M、 N)其中的一個端口與電極輸出引線(DL) 連通。
以上所述就是一個完整的智能電極的內(nèi)部電路(參見圖1，虛線框內(nèi)即為內(nèi) 部電路結(jié)構(gòu)，虛線框外為智能電極的外部引線端)。 一個系統(tǒng)中可包含多達幾百 個這種智能電極(參見圖3)。
智能電極應用系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)參見圖3，通常由系統(tǒng)主機(l)、系統(tǒng)總線(2) 和多個智能電極(3)、連接智能電極和大地的銅棒(4)組成，其中智能電極(3) 就是本發(fā)明的核心內(nèi)容。所有智能電極的外部引線端A、 B、 M、 N、控制線、 復位線、VCC、 GND分別與系統(tǒng)總線(2)的對應位固定連接，弓l線端DL與連接大地的銅棒也是固定連接。本發(fā)明的最終目的是在系統(tǒng)監(jiān)程序的控制下自 動選中四個智能電極(其余未被選中的為"空閑"狀態(tài))，這四個選中的智能電 極中，每個智能電極的A、 B、 M、 N引線端在程序控制下有且只有一端與該智 能電極的DL端是導通的，而所有智能電極(包括未選中的電極)的DL端始終 是通過銅棒與大地導通，因而被選中的智能電極的A、 B、 M、 N引線端有且只 有一個與大地是導通的。當某個智能電極的A或B引線端與DL相連，則該智 能電極此時作為供電電極使用；若是M或N引線端與DL相連，則此時該智能 電極作為測量電極使用。未被選中的智能電極的A、 B、 M、 N均不與該智能電 極的DL相連，此時該智能電極處于"空閑"狀態(tài)。因此，系統(tǒng)中所有的智能電 極在任意時刻在程序控制下自動處于供電電極、測量電極、"空閑"三種狀態(tài)中 的其中一種，從而就完成了電極的自動轉(zhuǎn)換。
權(quán)利要求
1.一種可尋址智能電極電路，其特征在于，包括可編址開關(guān)、計數(shù)轉(zhuǎn)換電路、多選一模擬開關(guān)和多個繼電器；所述的可編址開關(guān)的輸入端接外部主控電路的控制端；所述的可編址開關(guān)的輸出端接計數(shù)轉(zhuǎn)換電路的脈沖輸入端；所述的計數(shù)轉(zhuǎn)換電路的信號輸出端接多選一模擬開關(guān)的信號輸入端；所述的多選一模擬開關(guān)的多個輸出端口分別與多個繼電器連接；多個所述繼電器的觸點對的一端均連接電極輸出引線，多個所述繼電器的觸點對的另一端分別與多個電極選擇端相接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的可尋址智能電極電路，其特征在于，所述的可編址開 關(guān)為DS2405芯片，所述的計數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用可編程計數(shù)器4526;所述的多 選一模擬開關(guān)采用4051芯片；繼電器為4個，所述的電極選擇端分別為N、 M、 B和A; DS2405芯片的PIO端接可編程計數(shù)器4526的CLK端，可編 程計數(shù)器4526的信號輸出端Q2、 Ql和QO端分別與4051芯片的信號輸入 端C、 B和A端連接；4051芯片的信號輸出端中的4個分別通過三極管與4 個繼電器的線圈串接；4個繼電器的觸點對的一個觸點均連接電極輸出引線， 4個繼電器的觸點對的另一個觸點分別與電極選擇端N、 M、 B和A相接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可尋址智能電極電路，包括可編址開關(guān)、計數(shù)轉(zhuǎn)換電路、多選一模擬開關(guān)和多個繼電器；所述的可編址開關(guān)的輸入端接外部主控電路的控制端；所述的可編址開關(guān)的輸出端接計數(shù)轉(zhuǎn)換電路的脈沖輸入端；所述的計數(shù)轉(zhuǎn)換電路的信號輸出端接多選一模擬開關(guān)的信號輸入端；所述的多選一模擬開關(guān)的多個輸出端口分別與多個繼電器連接；多個所述繼電器的觸點對的一端均連接電極輸出引線，多個所述繼電器的觸點對的另一端分別與多個選擇端相接。本電極電路能實現(xiàn)在多個電極同時工作在一個系統(tǒng)中的情況下通過對其唯一地址的訪問而使其互不干擾，且電路精簡，功耗低。因此，本發(fā)明具有高效、輕便、可擴展性好的特點。
文檔編號G01V3/00GK101526625SQ200910043240
公開日2009年9月9日 申請日期2009年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月28日
發(fā)明者李陸一, 柳建新, 肖建平, 陳萍鋒 申請人:中南大學