無線遙測式地震信號採集系統的製作方法

2023-09-16 23:40:05 1

專利名稱：無線遙測式地震信號採集系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及工程地震數據採集領域，特別涉及一種無線遙測式、便攜低功耗、高性能的地震數據採集系統。
背景技術：
作為地震勘探的主要設備，地震信號採集系統即工程地震儀是地震資料野外採集的核心，是能否獲取高信噪比、高解析度、高保真度的原始地震資料的關鍵。半個世紀以來，隨著電子技術、計算機技術、通訊技術及地震勘探技術的飛速發展，地震勘探儀器也在不斷發展和完善，尤其是為了適應三維地震勘探、高解析度地震勘探、多波地震勘探、超多道超高次覆蓋等新方法和新發展起來的層序地震學的需要，發展了以數字通訊、遙控遙測、計算機控制處理為基礎的新一代分布式遙測工程地震儀。由於其沒有數據採集電路與檢波器電路之間的大線電纜，而是使用檢波點的分支採集站將檢波器輸出的模擬信號轉換成數位訊號後再傳送至中央控制記錄系統，而數位訊號傳輸的抗幹擾能力強，，避免了傳輸模擬信號時大線所固有的道間串音、天電幹擾、工頻幹擾等；同時遙測工程地震儀更具有施工效率高、採樣率高、方便增加系統功能、對數據進行預處理壓縮了數據量、自動化程度高等優點，加上新一代分布式遙測工程地震儀所具有的去假頻性能的提升、記錄容量大、軟體處理能力越來越強、實時處理能力強、噪聲編輯及疊加算法的改進，使得遙測工程地震儀成為在當前地震勘探領域得以大規模應用的主流設備。遙測工程地震儀根據實際情況又分為有線和無線，目前有線的遙測工程地震儀已經成為主流設備被廣泛應用，並且在各種勘探領域和工程地質評價領域取得了非常好的效果，然而隨著地震勘探技術水平的不斷提高，地震勘探環境的越來越惡劣，勘探的整體工程量及應用領域也不斷擴大，使得目前主流的有線遙測工程地震儀在某些場合下無法滿足勘探需求(1)、由於有線的遙測工程地震儀仍採用電纜傳輸轉換後的數位訊號至控制主機， 使得其單次勘探區域面積受到了限制。(2)、主流的遙測工程地震儀控制主機仍是採用比較傳統的工控機來設計或者專用的採集車，其功耗和體積均在極大程度上降低了地震勘探的效率。(3)、各分支採集站的同步誤差較大，同時不能實現分支採集站的精確定位，為後期地震資料解釋帶來諸多不便。(4)、由於分支採集站通過與控制主機之間相應的接口來完成信號採集，而控制主機本身的接口是有限的，因此也限制了地震採集道數的擴展。(5)、在諸多如地形起伏比較大的山地和丘陵地帶，有線傳輸的方式從本質上限制相應地震勘探方案的可行性，並且很大程度上降低了工作效率。無線遙測工程地震儀其具有工作效率高、數據傳輸可靠性高、邏輯更新能力強、數據質量控制能力高、自動程度高等優點，是未來遙測工程地震儀的發展趨勢。無線網絡傳輸的數據量及抗幹擾能力一直是制約無線遙測工程地震儀發展的兩個重要因素，加上分支採集站及控制主機體積和重量的限制，給野外的數據採集工作帶來了諸多不便。綜合國內外無線遙測工程地震儀的研究現狀，主要是在控制主機和野外分支採集站增加一個無線電收發設備，其他部分則與有線系統無異。目前比較成熟的產品是法國krcel公司的fegle-99 及美國i^air- fielid公司的BOX，國內還沒有相關產品，同時針對無線網絡傳輸的研究主要集中在射頻載波方面，對發射機和接收機部分大都採用獨立的單元進行組合設計，其設計重點也集中在射頻單元本身的信號調製解調及編碼上，從而在很大程度上降低了無線網絡的可靠性及傳輸數據量，也使得無線傳輸信道選擇具有很大的局限性；同時國內外該類工程地震儀的控制主機仍是採用傳統的工控機，這也進一步凸顯了其攜帶不便和功耗較大的劣勢。而採用當前比較成熟的傳輸數據量較大距離較遠的無線網絡電臺組建無線傳輸網絡的野外分支採集站在國內外還是空白，同樣針對目前運算能力強、體積功耗均較小的ARM 架構的控制主機設計在國內外還未出現，並且在可靠性、傳輸數據量、便攜、採集道限制、兼容多類檢波器等方面還有待完善和突破，更為重要的是國內地震勘探儀器廠家目前生產的主流產品仍是較為傳統且技術上較為落後的集中式結構工程地震儀，沒有研發更高性能和實用性的遙測式工程地震儀，無線遙測式工程地震儀的更是一片空白。

發明內容
本發明的目的是提供一種體積和重量小，功耗低，採集和傳輸數據量大，抗幹擾能力強，可靠性高，便於施工布線的無線遙測式地震信號採集系統。本發明的是這樣實現的
本發明無線遙測式地震信號採集系統，包括一個控制主機，一個同步裝置和多個分布式設置的分支採集站，
控制主機有ARM處理器與存儲器、顯示器、鍵盤和無線網絡電臺連接，接受同步裝置的同步啟動指令，收到啟動指令後循環向各分支採集站發送配置指令和配置參數，接收和處理分支採集站發來的地震數據；
同步裝置由第一微控制器經乙太網驅動晶片與無線網絡電臺接口晶片連接，第一微控制器與脈衝整形晶片連接，脈衝整形晶片與外部觸發傳感器連接，外部觸發傳感器感應到信號後，發送一個高頻尖脈衝以觸發第一微控制器，第一微控制器通過無線網絡電臺向控制主機和分支採集站發送同步啟動指令；
每個分支採集站有多個檢波器，每個檢波器經串聯的可編程增益放大器、抗混疊濾波器、單端轉差分晶片、A/D轉換器與第二微控制器連接，第二微控制器分別與可編程增益放大器，外部存儲器、網卡驅動器連接，網卡驅動器與無線網絡電臺接口晶片連接，分支採集站接收同步啟動指令後啟動，接收控制主機發來的數據讀取指令，向控制主機發送採集的地震數據。可編程增益放大器由兩級放大器PGA205級聯組成，放大器的四個控制端器分別與第二微控制器EP2C8Q208I8N相連，抗混疊濾波器為集成塊LM4562與電容、電阻組成的四階有源巴特沃斯低通濾波器，單端轉差分晶片為AD8138，A/D轉換器為ADS1252，士5V電源與PGA205、LM4562連接，+5V電源通過晶片REF191轉換為2. 048V與AD8138連接、通過 REF198轉換為4. 096V串聯0PA;350與ADS1252連接，儲存器為H57V2562GTR — 60C，無線網絡電臺接口晶片為DM9000AE。第二微控制器與晶片EPCS16SI8N、AS模式接口晶片和晶片EP2C8Q208I8N連接，第二微控制器內部嵌有IP內核，IP內核包括CPU核和內部RAM、外擴Flash、外擴SDRAM驅動
器，A/D轉換器驅動器。所述外部觸發傳感器為高頻錘擊電子開關，高頻錘擊電子開關的輸出接觸發控制器74HC04的兩級非門後再接入第一微控制器STM32F103^T6的中斷口，第一微控制器內置51 (的Flash和64K的SRAM，乙太網驅動晶片為EN(^8J60，無線網絡電臺接口為 HR911105R145。控制主機的ARM處理器為S3C6410，其通用外設接口與觸摸顯示屏、256M的RAM、 512M的Flash、USB_HUB、SD卡、定時控制主機的ARM處理器為S3C6410，其通用外設接口與觸控螢幕、256M的RAM、512M的Flash、USB_HUB、SD卡、定時時鐘單元連接。分支採集站，同步裝置和控制主機內部有集成電源，並擴展了外部電源接口，集成電源為可充電鋰電池，集成電源或外部電源與DC — DC開關電源模塊和電源分壓器連接， DC — DC開關電源模塊WRD12D05 — IOW由9 18V輸入轉換至士 5V，WRD12S12 — IOW由9 18V 輸入轉換至+12V，WRD12S05 — IOW由9 18V輸入轉換至+5V，開關電源的輸出均經過π型濾波器，WRD12D05— IOW輸出的+5V經穩壓晶片LM1085—3. 3V給第二微控制器供電，再將 3. 3V電壓經線性穩壓晶片LT1117—1. 2V給第二微控制器ID內核供電，WRD12S05—IOW輸出經穩壓晶片LM1085—3. 3V在同步裝置內部給第二微控制器供電，在控制主機內部作為 ARM處理器晶片S3C6410的工作電源，WRD12S12 — IOW輸出作為電臺工作電源。檢波器為單分量動圈式地震傳感器或單分量MEMS加速度傳感器。系統每個分支採集站接12個檢波器。系統由地震檢波器、分支採集站、控制主機、無線網絡及同步裝置構成。整個系統的特殊之處在於分支採集站、控制主機、同步裝置之間無需採用電纜相互連接，而是通過無線網絡實現三個部分之間的相互通信，同時各部分的供電電源均集成在各單元內部。單個分支採集站連接12道地震檢波器，用於感應人工產生的地震信號。分支採集站內部主要包括多路可編程放大電路、抗混疊濾波電路、單端差分轉換電路、A/D轉換電路、存儲電路、乙太網驅動電路、FPGA控制電路、集成電源管理電路。其中可編程放大電路採用極低輸入偏置放大器對原始地震信號進行放大，並且根據實際情況可以調整其放大倍數；抗混疊濾波電路採用有源濾波器的設計方法主要實現對信號的低通濾波；單端差分轉換電路負責將地震信號由前級處理的單端信號轉換為後級電路需求的差分信號；A/D轉換電路採用M位高解析度A/D轉換器將地震模擬信號轉換為數位訊號；存儲電路部分採用大容量的SDRAM快速存儲採集的地震數據；乙太網驅動電路則採用百兆網卡晶片實現，並提供RJ45接口以便與外部無線網絡電臺連接；FPGA控制電路負責驅動控制可編程放大器、A/D轉換電路、存儲電路、網絡接口，其實現多路A/D轉換器並行採集功能，並針對每一路採集通道採用雙緩存設計結構的存儲方式，及時將各道地震數據存儲至外部的 SDRAM中，同時FPGA需要嵌入相應軟核以便於分支採集站內部集成TCP/IP協議，並結合該協議實現分支採集站與控制主機、同步裝置之間的數據傳輸控制協議；電源管理電路採用內部集成的鋰電池通過DC-DC開關電源轉換成系統需要的士5V及無線網絡電臺需要的12V 電源，同時利用比較器分壓及相應的狀態指示燈實時監控鋰電池電量。控制主機部分採用目前主頻較高且集成多種通用系統外設的ARM處理器來搭建， 主要是結合ARM處理器的外設接口擴展系統需求的觸控螢幕、USB接口、SD卡、網絡等多種外設，同時需要擴展控制主機硬體平臺需要的大容量SRAM及Flash存儲器，以便快速存儲接收到的地震數據，控制主機部分同樣採用內部集成可充電鋰電池供電，其供電電壓監控部分則是利用了 S3C6410內部集成的A/D轉換器定時採集電源電壓，並轉化為電量信息以圖形化顯示於系統應用軟體的主界面；為滿足控制主機的智能化操作需求，控制主機部分加載了 Windows CE作業系統，並在該作業系統下編寫相應的上位機應用軟體，軟體部分集成了利用TCP/IP協議實現的、與分支採集站和同步裝置相互協議的傳輸控制協議，軟體主要的功能是將由無線網絡讀取的地震數據轉換為通用的SEG-2和SEG-Y標準地震數據格式進行文件存儲，並動態的根據接收的數據顯示地震波形，其中也包括了檢測網絡的連接狀態及通信狀態的網絡測試功能及檢查測線中布設的檢波器連接狀態的檢波器測試功能。同步裝置部分採用高性能的STM32F103ZET單片機配合網卡晶片以及無線網絡電臺實現，其主要是接收到外部錘擊開關或遙爆裝置觸發的中斷後，立即向控制主機和分支採集站發送一條同步指令，以便同步啟動各個分支採集站的數據採集功能以及啟動控制主機開始接收地震數據的功能。無線網絡採用支持乙太網接口的無線網絡電臺來實現，並根據分支採集站的數量需求組建一對多的星型網絡，網絡中各個接入點分配不同的IP位址，整個系統之間指令的傳送及數據的交換均由組建的無線網絡來完成。無線網絡電臺採用兼容低增益及高增益的天線，以滿足系統便攜性需求及複雜環境下施工時的繞障礙物能力。其中，所述採集系統採用分布式的設計結構，控制主機利用組建的無線通信網絡對各個分支採集站進行控制，以此實現遙測式的數據採集功能；所述分支採集站內部的信號處理模塊集成了相互獨立且並行執行的12路處理通道，且可編程放大電路、抗混疊濾波電路、單端差分轉換電路均採用全模擬的晶片，最大程度上保證地震信號的完整性；所述的 FPGA並行處理部分同時控制12路A/D轉換器，並為每一路採集通道分配雙緩存，以「桌球機制」實現對12路信號的嚴格並行採集；所述採集系統中的分子採集站數量是可以動態擴展的；所述的控制主機主晶片也可以採用除ARM結構之外的其他低功耗高主頻的處理器來實現，也可以加載其他支持圖形化界面操作的實時性作業系統；所述的分子採集站內部主控晶片也可以採用除FPGA之外的其他支持並行處理的控制器，也可以將每一路採集通道分配一個小型單片機來控制。本發明的工作原理是首先配置控制主機，控制主機配置完成後進入等待同步指令的狀態，並通過無線數傳送網絡向各個分支採集站發送配置指令及配置參數，分支採集站收到配置指令後根據配置參數對內部各個模塊進行配置，配置完成後分支採集站同樣切換進入等待同步指令狀態，同步裝置根據外部條件的觸發向控制主機及分支採集站發送同步指令，控制主機在收到同步指令後循環向各個分支採集站發送數據讀取指令，分支採集站收到同步指令後立即啟動內部採集功能，採集完成後向控制主機發送相應的傳輸數據響應指令。分支採集站整個採集過程如下地震檢波器在感應到人工產生的地震信號後，將其轉換為電信號，這種原始的地震電信號首先通過指定增益值的放大器進行無失真放大， 進而經過抗混疊濾波濾除信號中包含的高頻噪聲，再利用單端轉差分晶片將單端的地震信號轉換為差分信號，送入M位A/D轉換進行模數轉換，此時需要利用到FPGA內部所分配的雙緩存區域，即先將首次轉換的數據存儲緩存1，當下一次信號轉換時一方面將數據存入緩存2，一方面將緩存1的數據傳送至SDRAM存儲，再次進行轉換時將數據存入緩存1，同時將緩存2的數據傳送至SDRAM，如此循環執行，直至數據採集完成，並且單個分支採集站內部的全部12道均執行同樣的過程，由於FPGA的並行處理能力保證了數據存入和讀出的操作以及對各個外設的控制是並行執行的，因此所有12道數據的採集和存儲是嚴格並行。所有12道數據採集完成後，進行數據封裝並通過無線網絡向控制主機進行數據傳輸。控制主機在收到地震數據首先在集成的應用軟體主界面經過繪圖算法顯示地震波形，並根據實際需求對觀察地震波形進行濾波或換道剔道等處理，也可以通過頻譜分析查看數據採集的質量，之後是控制主機的格式轉換，將地震數據轉換為通用的標準地震數據格式進行存儲，以便於後期其他反演分析軟體的處理。本發明的有益效果是本發明採用分布式的設計結構，並結合無線網絡電臺組建網絡傳輸網絡實現對地震數據的遙測採集。控制主機硬體平臺由於採用高性能低功耗的 ARM處理器結合觸控螢幕搭建，且採用內部集成的可充電鋰電池供電，大大減小了工程地震儀控制主機的體積和重量，加載實時的桌面作業系統Windows CE開發相應的應用軟體改善了操作的智能化；分支採集站由於利用了單片FPGA同時並行控制12道信號採集，不僅提高了採集性能且，而且高度的集成化也在很大程度上減小了其體積和重量。而整個系統由於減少了傳統工程地震儀的大量用於數據傳輸的延長線和同步信號傳輸線，轉而採用無線通信的方式，進一步提高了整個系統的便攜性，而且也大大提升了工程勘探的施工效率和各種複雜場合下的施工能力。因此整個系統具有便攜、低功耗、高性能、能克服各種複雜場合下的施工限制及高施工效率的特點。


圖1為本發明系統結構框圖。圖2為分支採集站內部框圖。圖3為分支採集站單道信號採集板原理框圖。圖4分支採集站主控板FPGA擴展SDRAM、乙太網接口及下載調試接口原理框圖； 圖5為分支採集站主控FPGA內核資源分布框圖6為分支採集站供電電源分配方案框圖； 圖7為分支採集站供電電路原理框圖； 圖8為控制主機內部框圖； 圖9為控制主機供電電源分配方案框圖； 圖10為控制主機供電電路原理框圖； 圖11為同步裝置系統原理框圖。
具體實施例方式
為了使本發明更容易被理解，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明。參閱圖1，一種無線遙測式地震信號採集系統，由地震檢波器、分支採集站、控制主機、無線網絡及同步裝置組成，以控制主機為採集系統的控制核心，同步裝置6用於在產生人工震源的同時向控制主機和分支採集站傳送同步信號，工程地震信號依次傳遞於地震檢波器3、並行傳輸線纜4、分支採集站1、無線網絡電臺2、控制主機5。控制主機5動態調整採集系統和分支採集站中各單元的參數，對所採集的數據進行相應的預處理及其地震波形的實時顯示，並將採集的數據轉換成通用的地震數據格式進行存儲。參閱圖2，作為地震信號採集的關鍵部分，分支採集站在收到同步裝置的同步信號後，啟動系統的信號採集功能，整個過程如下以並行方式連接的12道地震檢波器拾取到地震信號後，由傳輸地震模擬信號的並行線纜傳輸至兩級可編程放大器PGA205進行放大，地震信號經放大達後，需要進行相應的抗混疊濾波，主要是利用放大器及電容電阻網絡設計有源低通濾波器，濾除高於二分之一 A/D轉換器採樣頻率的高頻成分，保證採集的地震信號不會出現假頻，同時由於濾波器部分採用放大器來實現，而放大器自身具有高輸入阻抗低輸出阻抗的特點，因此在此部分對採集電路中的模擬電路和數字電路起到相互隔離的作用，保證後級的數位訊號不會對前級的模擬電路產生影響；由於地震信號在經過濾波後仍是單端信號，而A/D的信號輸入部分為差分輸入，因此必須將單端地震信號轉換為A/ D轉換器需求的差分信號，並由M位A/D轉換器將地震信號進行模數轉換，進而存入FPGA 所分配的與其對應的雙緩存區域，並通過FPGA存入相應SDRAM存儲空間，整個採集過程完成後利用FPGA控制乙太網接口將數據經無線網絡電臺傳送至控制主機，其中用於拾取地震信號的地震檢波器可以採用類似重慶地質儀器廠生產的Γ ΟΟΗζ水平或垂直單端輸出地震檢波器，每個檢波器2根傳輸線，12道採用並行連接方式經共計M根傳輸線傳輸至分支採集站的採集電路，當然如果採用MEMS型的加速度傳感器必須對電路做相應改動，如 Modell221，由於其輸出信號是差分信號，因此所用放大器也必須是差分放大器，而如果採用的傳感器靈敏度足夠高也可以不經過放大器直接與後級的A/D轉換器相連。參閱圖3，前端的可編程放大器需要採用低輸入偏置電壓且多種增益可調的放大器實現，為保證更大的增益範圍，此處採用兩級PGA205放大器級聯的方式來實現，其中各道兩級PGA205的四個控制埠分別與主控FPGA晶片EP2C8Q208I8N的74 77埠相連， 由於PGA205的單級可以實現1、2、4、8倍四檔放大功能，因此兩級PGA205級聯可以實現7個檔位的放大功能，即從1 64倍以2倍步進方式遞加，並且可以拾取到最低ΙΟμν的信號； 抗混疊濾波器採用具有極低噪聲與失真度的LM4562結合電容電阻網絡組成四階有源巴特沃斯低通濾波器，通常情況下，系統A/D轉換器的採樣頻率設置為4kHz，因此此處將濾波器的通帶截止頻率設置在2kHz以下，並且採用巴特沃斯型的設計方式，進一步利於專用的濾波器設計軟體(如FilterLab)設置電容電阻參數，以有效濾除有效信號中假頻成分；單端轉差分晶片採用低失真的差分放大器AD8138來實現，主要是將AD8138四個反饋端的反饋電阻設置為相同的參數值，將放大器配置為射極跟隨器的形式，保證原始信號在沒有被放大或衰減的情況下通過該部分，其參考電壓必須設置為A/D轉換器參考電壓的1/2大小，保證轉換後的信號幅度不會超過A/D的最大採集信號幅度，由於A/D轉換器部分採用的參考電壓為4. 096V,因此該部分的參考電壓為2. 048V，其直接採用線性穩壓晶片REF192將5V 轉換至2. 048V實現。參考圖3，A/D轉換器部分由於要求採樣率是可調的，且必須滿足高解析度的要求，因此電路中採用了 M位高解析度、最大採樣率為40kHz的ADS1252進行設計，其採樣率的調整主要是通過調整控制其輸入時鐘來實現，這種功能可以充分利用FPGA晶片EP2C8Q208I8N內部鎖相環單元產生的高精度時鐘信號來驅動，整個電路中佔用了 3個 EP2C8Q208I8N埠來驅動12路ADS1252，即每個埠同時驅動4路ADS1252，以圖中的第一道為例，ADS1252的時鐘輸入端由EP2C8Q208I8N的第137個埠產生的分頻時鐘驅動，並通過調整該埠的輸出時鐘頻率來調整ADS1252的採樣率，此外EP2C8Q208I8N通過第27及第35埠與ADS1252之間相互通信，用於讀取ADS1252轉換的數據，其他通道與第一通道的操作相同。參考圖4，由於是對地震信號進行連續的數據採集，通常情況下在將A/D轉換的採樣率設為4kHz時，採樣點數為2048個，而由於採用的是M位A/D轉換器，因此單道的數據量在故字節，以常規的48道工程地震儀計算，共計^SK字節的地震數據，當然還需要加上
9程序運行時佔用的內存空間，並且當採樣率樣率或者採樣點數發生調整的情況下，每道的數據量也會隨之變化，EP2C8Q208I8N內部的存儲空間無法滿足系統的存儲要求，因此需要擴展外部存儲器以滿足數據存儲要求，系統中採用了主頻最高可達166MHz的高速SDRAM晶片H57V2562GTR-60C來實現這一功能，其容量為256Mb，充分滿足了系統的存儲空間要求， H57V2562GTR-60C總的存儲空間分為4個物理塊，每個塊為16MX 16bit，即其採用了 16位數據線，13位地址線，2位的物理塊選擇控制線，分別由EP2C8Q208I8N對應的首標示為SDR_ 的IO埠驅動控制，其底層的驅動採用自定義編寫並嵌入EP2C8Q208I8N的IP內核來完成。參考圖4，數據採集並暫存到外擴的SDRAM後，下一步工作就是傳送至控制主機， 由於分支採集站採集的地震數據是以二進位形式暫存在SDRAM存儲器的，而針對地震數據來說，需要將其進行拼接和轉換並存儲為標準格式的文件，因此分支採集站需要將所採集和暫存的地震數據傳輸至控制主機進行相應處理及存儲格式變換，由於工程地震採集的數據量較大，因此必須同時考慮數據傳輸的速度和可靠性，傳統方式均是採用有線方式，但這種方式需要連接較多的傳輸線纜，極為不方便，並且會大大降低野外工作的效率，因此本發明採用了北京格網通信技術有線公司推出的速度最高可達20Mbps的無線網絡電臺 AirMesh 900來組建星型數據傳輸網絡，其工作在902 928MHz ISM頻段，傳輸距離最大可達15公裡，且支持OFDM編碼調製方式及無線接收分集功能，完全兼容100Base-T乙太網接口及動態IP或靜態IP分配，這為分支採集站的開發提供了很好的驅動接口，分支採集站為最大程度上驅動無線網絡電臺及完成數據從SDRAM到電臺的過渡，電路中採用了最大支持傳輸速度為IOOMbps的DM9000AE乙太網接口晶片實現，其內部帶有16K字節SRAM用作接收發送的FIFO緩存，支持8/16bit兩種主機工作模式，通過HP認證的AUTO-Mdix (支持直接互連自動翻轉)功能，支持TCP/IP加速(IPV4 check sum offload)減輕CPU負擔，提高整機效能，IOns的I/O讀寫時間，並且支持IEEE頒布的802. 3乙太網傳輸協議，這保證了數據傳輸網絡的可靠性和穩定性，諸多特點不僅滿足無線網絡電臺的驅動要求，同時也充分滿足了傳輸地震數據的速度要求，當然為了與控制主機進行正常通信，還需要結合乙太網通信時的TCP/IP協議形成自組網內部通信專用的通信協議，保證傳輸數據的可讀性。參考圖4，分支採集站內部的FPGA晶片EP2C8Q208I8N要加載相應的執行代碼，就需要有對應的程序調試及下載接口，因此系統引出了 EP2C8Q208I8N硬體所集成的JTAG程序調試及下載接口，然而由於FPGA內部無法保存系統執行的程序代碼，即系統掉電後其內部所保存的一切數據將丟失，因此需要擴展相應的存儲單元來保存FPGA相應的代碼，同時綜合考慮編譯後執行代碼所需要的存儲空間，本發明採用Altera公司專門為其FPGA晶片配備的16Mbit串行配置晶片EPCS16SI8N用於保存系統執行的代碼程序，即EP2C8Q208I8N 所需要運行的程序首先由JTAG接口進行初步調試，調整完成後通過AS模式下載接口下載至EPCS16SI8N，代碼執行時EP2C8Q208I8N先讀入EPCS16SI8N所保存的代碼程序，進而加載至自身的RAM執行，並且系統每次掉電重新啟動或復位後採集板會自動加載此部分程序。參閱圖5，由於FPGA需要作為控制器集成多種功能，同時需要兼容多路並行採集和存儲功能以及方便FPGA應用程式的編寫，因此其內部有必要嵌入IP軟核，軟核部分包括了開發平臺Quartus子模塊SOCBui 1 der所集成的CPU核及內部RAM、外擴Flash、外擴SDRAM 驅動、USB轉JTAG輸出列印，而在保證嚴格並行採集存儲的情況下，需要將分支採集站所用的12路A/D轉換器驅動集成到嵌入的軟核中，以便在OTOS開發平臺編寫的應用程式中對多路A/D進行操作時，能夠嚴格並行執行；由於每一路A/D需要連續採集一定長度的數據， 且單次採集後需要及時將數據採集的數據暫存至外擴的SDRAM存儲器中，如果直接存儲則會開銷較多的時間，從而導致A/D的連續採集過程中發生時間上的延時，由於這種時間延時是不確定的，所以會進一步導致12路A/D無法嚴格並行執行，為解決這一問題，本發明採用了雙緩存的存儲模式，並且將該部分的功能集成到軟核中，以保證對12路雙緩存操作也是嚴格並行執行的，此部分充分利用FPGA的FIFO (先進先出)存儲器的設計結構，即為每一路A/D採集分配2個FIFO的存儲空間，單個FIFO單元的數據位寬為8位，深度為2個字， 保證其可以存儲單次A/D採集所需要的3個字節空間，整個存儲過程如下A/D轉換器完成單次轉換後將數據存儲至與其對應的緩存1，在進行一次轉換時一方面將數據存儲至與之對應的緩存2，另一方面將緩存1的數據讀出存至外擴的SDRAM中，繼續轉換時將數據再次暫存至緩存1，並將緩存2的數據讀出存至外擴SDRAM中，如此循環操作直至整個採集過程完成，由於數據存至緩存1和將數據從緩存2讀出存至外擴SDRAM在FPGA內部是兩個相互獨立過程，並且是並行執行的，因此不會中斷A/D的連續採集過程。
參閱圖6及圖7，高質量的供電電源對分支採集站的採集效果及整個系統的穩定性是至關重要的，由於分支採集站需要多組電源，因此需要多種組合方案的電源輸出， 本發明為了保證系統的便攜性以及可循環使用性能，採用了內部集成可充電鋰電池的供電方式或外部電源兩種方案搭配寬壓輸出的DC-DC開關電源模塊組合實現，集成電源進一步提高其便攜性，外部電源則作為可選的備用電源，其中可充電鋰電池方案將四節單節為3. 6V/2. 6Ah串聯，即14. 4VA. 6Ah為一組，進一步採用10組上述的鋰電池組組合為14. 4V/26Ah的電池組，保證足夠的供電電量，外部電源可以採用12V/60Ah蓄電池或者AC-DC開關電源，具體的內部電源分配如下利用雙路輸出的DC-DC開關電源模塊 WRD12D05-10W將電壓轉換為士5V，作為採集板中信號調理電路的供電電源；利用DC-DC開關電源模塊WRD12S12-10W將電壓轉換為12V，作為無線網絡電臺的供電電源；進一步採用線性穩壓晶片LM1085-3. 3V將+5V電壓轉換至+3. 3V作為FPGA工作電源，將+3. 3V電壓經線性穩壓晶片LT1117-1. 2轉換至+1. 2V作為FPGA軟核工作電源；另外，由於分支採集站主控板的ADS1252工作時需要+4. 096V的參考電壓，因此此處採用了高精度的REF198將 +5V電源經線性穩壓至+4. 096V作為A/D轉換器的參考電壓，同時由於REF198需要同時驅動12路ADS1252並行工作，為保證足夠的驅動能力，本發明將參考電源部分採用放大器 0PA350搭建射極跟隨器來增加REF198的驅動能力，同樣分支採集站信號處理板上的單端轉差分晶片AD8138需要+2. 048V的參考電源，此處利用高精度的REF191將+5V的電壓轉換至+2. 048V;此外，電路中由於採用了 DC-DC開關電源，所以會存在較大的紋波，而系統對士5V的電源質量要求較高，因此需要士5V的電源輸出端加入相應的π型濾波器，以降低電源紋波，同時為了進一步提供系統電源質量及對地耦合性，需要在接近IC電源附近接入了 IOOyF和0. IyF的電容抑制來自地線的高頻幹擾，保證極低的噪聲和溫漂。針對電壓的實時監控部分利用集成兩組比較器的LM393將監控參考電壓與電源的分壓進行比較，利用電阻對鋰電池電源進行分壓作為電量監控比較器比較的同向輸入電壓，並設置LM393的反向比較電壓為2. 5V，兩組比較器的輸出分別連接發光二極體，電源分壓高壓參考電壓時綠色發光二極體啟動，表示電壓正常，反之，紅色發光二極體啟動，表示欠壓。同時為了避免電源故障導致後級電路燒毀，電池的供電輸入端加入了自恢復保險絲，保證電源出現故障時自動切斷供電電路。參閱圖8，為了進一步提高系統的便攜性和綜合性能，控制主機部分採用了基於 ARMll內核的S3C6410 ARM處理器嵌入硬實時作業系統Windows CE實現。S3C6410的主頻最高可達667MHz，充分滿足了作為工程地震儀控制主機的運算要求，同時提供一套完整的通用系統外設，包括IXD接口、4通道DMA、兼容SD卡主接口協議、舊8、3 1、1化、說肌及130 個通用IO和M個外部中斷請求埠等，而且內核部分採用0. 13ΜΠ1的CMOS標準宏單元和存儲器單元，這些指標不僅使得結合ARM晶片開發的系統節省了大量用來擴展外圍設備的空間，從根本上縮小了設備的體積，同時也大大的降低了整個系統的功耗。控制主機部分結合S3C6410的通用外設接口擴展了 10寸觸控螢幕、256M的RAM、512M的Flash、USB_HUB、SD 卡接口、滑鼠鍵盤接口、實時時鐘單元。其中10寸觸摸顯示屏用於實現系統的各種操作功能及實時顯示採集的地震波形；256M的RAM作為系統的運行空間及處理數據的暫存空間； 512M的Flash用於存儲作業系統及地震數據文件；USB_HUB可以作為其他USB外設的通用接口 ；SD卡接口方便地震數據文件的拷貝和轉移；滑鼠鍵盤接口方便控制主機的操作；實時時鐘用於顯示系統的確切日期和時間信息。另外，控制主機部分為了實時監控電源電壓， 將供電電源分壓後接入S3C6410內置的A/D轉換器進行採集，並進行必要的電量刻度顯示在作業系統的界面上。控制主機另外一個重要功能是乙太網通信接口的集成，以便通過無線網絡電臺與分支採集站及同步裝置之間進行通信，針對乙太網通信部分仍採用DM9000AE 作為驅動晶片，並外接RJ45接口實現控制主機對無線網絡電臺的操作。此部分為了增強系統的穩定性，我們利用飛凌嵌入式有限公司生產的0K6410B型ARMll核心板結合系統需求進行擴展來搭建控制主機。控制主機為滿足智能化需求需要加載Windows CE作業系統，因此需要定製作業系統的內核服務以及集成必要的外部接口底層驅動，本發明定製的內核部分主要包括 Core OS 下的二維繪圖機顯示組件.NET Compact Framework 2.0、DirectDraw，文件操作組件 File Cache Manager、RAM and ROM File System，註冊表保存功能 Hive-based Registry組件，VC基礎類庫組件MFC支持、網絡通訊TCP/IP V6組件、支持USB熱插拔的組件 USB HID Keyboard and Mouse、USB Storage Class Driver，中文輸入法組件 SimSun & NSimSun (Subset 2_50)及 GB18030 Data Converter，最後需要加入 Device Driver 節點部分的SD Bus Driver及SD Memory兩個驅動組件以保證控制主機支持SD卡設備的相關操作，便於地震數據的跨平臺轉移。參閱圖9及圖10，與分支採集站類似，控制主機部分也需要多組供電電源，同樣為了提高控制主機的便攜性，仍採用內置可充電鋰電池及擴展外部電源接口兩種方案，通過DC-DC開關電源模塊WRD12S05-10W轉換至+5V作為觸控螢幕供電電源，經開關電源模塊 WRD12S12-10W轉換至12V作為無線網絡電臺工作電源，將+5V經線性穩壓晶片LM1085-3. 3 轉換至+3. 3V作為ARM核心板工作電源，為了保證供電電源輸出較低的紋波，在+5V的電源輸出端加入相應的η型濾波器以濾除高頻紋波幹擾，同樣由於需要對控制主機的電源電量進行實時監控，此處將鋰電池電源或者外部電源經過合理的分壓後接入ARM的核心板內置A/D，採集後進行電量轉換顯示在控制主機集成的應用軟體界面上。此外，與分支採集站類似，需要保證控制主機的電源出現故障時，不會燒毀後級電路，在電池供電輸入端加入了自恢復保險絲。參閱圖11，系統中的同步裝置用於啟動各個分支採集站同步採集功能。其前端主要是在外部的高頻錘擊電子開關在感應到足夠強烈的振動後，發送一個高頻尖脈衝以觸發控制器的外部中斷功能，由於是高頻尖脈衝，所以不易被主控制器外部中斷輸入埠拾取到，本發明通過將電子開關的輸出端接入74HC04的兩級非門後再接入主控制器的中斷口， 由於74HC04內部採用施密特觸發器的設計結構，施密特觸發器最重要的特點是能夠把這種尖脈衝信號整形成邊沿陡峭的矩形脈衝，另外施密特觸發器只有當輸入電壓從低電平上升到閾值電壓或從高電平下降到閾值電壓時電路的狀態才會發生變化，這種特性保證了高頻錘擊開關的誤操作或幹擾不會的觸發控制器的中斷功能，另外，74HC04的輸出埠必須接入上拉電阻，以保證其能夠輸入給控制器中斷口適合的電平脈衝，同時為了提高電路的抗幹擾性能，需要將74HC04內部其他4個未用的非門輸入端上拉至高電平。同步裝置的主控制器在響應外部中斷後需要通過無線網絡電臺向各個分支採集站及控制主機發送一幀用於標示同步採集功能的數據包，整個過程完成後恢復中斷功能以響應下次中斷，如此循環來實現各個分支採集站同步連續採集的功能。同步裝置內部主要採用高性能微控制器 STM32F103ZET6配合乙太網驅動晶片EN(^8J60及無線網絡電臺實現，STM32F103ZET6內置 512K的Flash及64K的SRAM，保證了足夠的程序和數據存儲空間，其最高可達72MHz的主頻使得其能夠驅動高速的外設，這也為其控制ENa8J60提供了基礎，ENa8J60採用速度最高可IOMbps的SPI總線接口驅動，這一速度完全滿足作為同步裝置驅動無線網絡電臺的要求，且控制和驅動較為簡便，其支持自動極性檢測和校正的IOBase-T埠，通過RJ45接口可以直接與無線網絡電臺相連，另外其內置8K的發送/接收數據包雙埠 SRAM為同步指令的及時發送提供了很好的緩存空間。STM32F103^T6通過第40 43埠的SPI總線來驅動控制EN(^8J60，並通過HR911105R145的RJ45接口與無線網絡電臺連接。參考圖10，考慮到同步裝置的便攜性，其供電部分採用內部集成的可充電鋰電池， 與控制主機的電源方案相類似，同樣分別經過DC-DC開關電源模塊WRD12S05-10W轉換至 +5V作為後級電源的輸入，即將+5V經線性穩壓晶片LM1085-3. 3轉換至+3. 3V，如果採用鋰電池LM1085-3. 3直接轉換至3. 3V，即使是兩組可充電鋰電池串聯也是7. 2V的標稱電壓，轉至3. 3V的壓差為3. 9V，這種方式就大大降低了電源的工作效率，而採用開關電源先轉至5V 再轉至3. 3V可以很大程度上提高電源的工作效率，同樣經開關電源模塊WRD12S12-10W轉換至12V作為無線網絡電臺工作電源，其濾除紋波的π型濾波器及保險部分與控制主機供電方案相同，另外，同步裝置電源電壓的監控部分與分子採集站相同。
權利要求
1.無線遙測式地震信號採集系統，其特徵在於包括一個控制主機，一個同步裝置和多個分布式設置的分支採集站；控制主機有ARM處理器與存儲器、顯示器、鍵盤和無線網絡電臺連接，接受同步裝置的同步啟動指令，收到啟動指令後循環向各分支採集站發送配置指令和配置參數，接收和處理分支採集站發來的地震數據；同步裝置由第一微控制器經乙太網驅動晶片與無線網絡電臺接口晶片連接，第一微控制器與脈衝整形晶片連接，脈衝整形晶片與外部觸發傳感器連接，外部觸發傳感器感應到信號後，發送一個高頻尖脈衝以觸發第一微控制器，第一微控制器通過無線網絡電臺向控制主機和分支採集站發送同步啟動指令；每個分支採集站有多個檢波器，每個檢波器經串聯的可編程增益放大器、抗混疊濾波器、單端轉差分晶片、A/D轉換器與第二微控制器連接，第二微控制器分別與可編程增益放大器，外部存儲器、網卡驅動器連接，網卡驅動器與無線網絡電臺接口晶片連接，分支採集站接收同步啟動指令後啟動，接收控制主機發來的數據讀取指令，向控制主機發送採集的地震數據。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於可編程增益放大器由兩級放大器PGA205 級聯組成，放大器的四個控制端器分別與第二微控制器EP2C8Q208I8N相連，抗混疊濾波器為集成塊LM4562與電容、電阻組成的四階有源巴特沃斯低通濾波器，單端轉差分晶片為 AD8138，A/D轉換器為ADS1252，士 5V電源與PGA205、LM4562連接，+5V電源通過晶片REF191 轉換為2. 048V與AD8138連接、通過REF198轉換為4. 096V串聯0PA;350與ADS1252連接， 儲存器為H57V2562GTR — 60C，無線網絡電臺接口晶片為DM9000AE。
3.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於第二微控制器與晶片EPCS16SI8N、AS模式接口晶片和晶片EP2C8Q208I8N連接，第二微控制器內部嵌有IP內核，IP內核包括CPU核和內部RAM、外擴Flash、外擴SDRAM驅動器，A/D轉換器驅動器。
4.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於所述外部觸發傳感器為高頻錘擊電子開關，高頻錘擊電子開關的輸出接觸發控制器74HC04的兩級非門後再接入第一微控制器 STM32F103ZET6的中斷口，第一微控制器內置511的Flash和64K的SRAM，乙太網驅動晶片為EN(^8J60，無線網絡電臺接口為HR911105R145。
5.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於控制主機的ARM處理器為S3C6410，其通用外設接口與觸控螢幕、256M的RAM、512M的Flash、USB_HUB、SD卡、定時時鐘單元連接。
6.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於分支採集站，同步裝置和控制主機內部有集成電源，並擴展了外部電源接口，集成電源為可充電鋰電池，集成電源或外部電源與DC— DC開關電源模塊和電源分壓器連接，DC—DC開關電源模塊WRD12D05 — IOW由9 18V輸入轉換至士 5V，WRD12S12 — IOW由9 18V輸入轉換至+12V，WRD12S05 — IOW由9 18V輸入轉換至 +5V，開關電源的輸出均經過π型濾波器，WRD12D05 — IOW輸出的+5V經穩壓晶片LM1085— 3. 3V給第二微控制器供電，再將3. 3V電壓經線性穩壓晶片LT1117—1. 2V給第二微控制器 ID內核供電，WRD12S05 — IOW輸出經穩壓晶片LM1085— 3. 3V在同步裝置內部給第二微控制器供電，在控制主機內部作為ARM處理器晶片S3C6410的工作電源，WRD12S12 — IOW輸出作為電臺工作電源。
7.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於檢波器為單分量動圈式地震傳感器或單分量MEMS加速度傳感器。
8.根據權利要求7所述的系統，每個分支採集站接12個檢波器。
全文摘要
本發明無線遙測式地震信號採集系統，解決已有系統體積大，功耗高，抗幹擾差，傳輸數據量小的問題。包括一個控制主機，一個同步裝置和多個分布式設置的分支採集站，控制主機接受同步裝置的同步啟動指令，收到啟動指令後循環向各分支採集站發送配置指令和配置參數，接收和處理分支採集站發來的地震數據，同步裝置向控制主機和分支採集站發送同步啟動指令，分支採集站接收同步啟動指令後啟動，接收控制主機發來的數據讀取指令，向控制主機發送採集的地震數據，分支採集站，同步裝置和控制主機內部有集成電源。
文檔編號G01V1/22GK102565850SQ20121000001
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月1日 優先權日2012年1月1日
發明者劉勇, 劉明哲, 庹先國, 李懷良, 杜勇, 沈統, 陽林鋒 申請人:成都理工大學