专利名称：无线遥测式地震信号采集系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及工程地震数据采集领域，特别涉及一种无线遥测式、便携低功耗、高性能的地震数据采集系统。
背景技术：
作为地震勘探的主要设备，地震信号采集系统即工程地震仪是地震资料野外采集的核心，是能否获取高信噪比、高分辨率、高保真度的原始地震资料的关键。半个世纪以来，随着电子技术、计算机技术、通讯技术及地震勘探技术的飞速发展，地震勘探仪器也在不断发展和完善，尤其是为了适应三维地震勘探、高分辨率地震勘探、多波地震勘探、超多道超高次覆盖等新方法和新发展起来的层序地震学的需要，发展了以数字通讯、遥控遥测、计算机控制处理为基础的新一代分布式遥测工程地震仪。由于其没有数据采集电路与检波器电路之间的大线电缆，而是使用检波点的分支采集站将检波器输出的模拟信号转换成数字信号后再传送至中央控制记录系统，而数字信号传输的抗干扰能力强，，避免了传输模拟信号时大线所固有的道间串音、天电干扰、工频干扰等；同时遥测工程地震仪更具有施工效率高、采样率高、方便增加系统功能、对数据进行预处理压缩了数据量、自动化程度高等优点，加上新一代分布式遥测工程地震仪所具有的去假频性能的提升、记录容量大、软件处理能力越来越强、实时处理能力强、噪声编辑及叠加算法的改进，使得遥测工程地震仪成为在当前地震勘探领域得以大规模应用的主流设备。遥测工程地震仪根据实际情况又分为有线和无线，目前有线的遥测工程地震仪已经成为主流设备被广泛应用，并且在各种勘探领域和工程地质评价领域取得了非常好的效果，然而随着地震勘探技术水平的不断提高，地震勘探环境的越来越恶劣，勘探的整体工程量及应用领域也不断扩大，使得目前主流的有线遥测工程地震仪在某些场合下无法满足勘探需求(1)、由于有线的遥测工程地震仪仍采用电缆传输转换后的数字信号至控制主机， 使得其单次勘探区域面积受到了限制。(2)、主流的遥测工程地震仪控制主机仍是采用比较传统的工控机来设计或者专用的采集车，其功耗和体积均在极大程度上降低了地震勘探的效率。(3)、各分支采集站的同步误差较大，同时不能实现分支采集站的精确定位，为后期地震资料解释带来诸多不便。(4)、由于分支采集站通过与控制主机之间相应的接口来完成信号采集，而控制主机本身的接口是有限的，因此也限制了地震采集道数的扩展。(5)、在诸多如地形起伏比较大的山地和丘陵地带，有线传输的方式从本质上限制相应地震勘探方案的可行性，并且很大程度上降低了工作效率。无线遥测工程地震仪其具有工作效率高、数据传输可靠性高、逻辑更新能力强、数据质量控制能力高、自动程度高等优点，是未来遥测工程地震仪的发展趋势。无线网络传输的数据量及抗干扰能力一直是制约无线遥测工程地震仪发展的两个重要因素，加上分支采集站及控制主机体积和重量的限制，给野外的数据采集工作带来了诸多不便。综合国内外无线遥测工程地震仪的研究现状，主要是在控制主机和野外分支采集站增加一个无线电收发设备，其他部分则与有线系统无异。目前比较成熟的产品是法国krcel公司的fegle-99 及美国i^air- fielid公司的BOX，国内还没有相关产品，同时针对无线网络传输的研究主要集中在射频载波方面，对发射机和接收机部分大都采用独立的单元进行组合设计，其设计重点也集中在射频单元本身的信号调制解调及编码上，从而在很大程度上降低了无线网络的可靠性及传输数据量，也使得无线传输信道选择具有很大的局限性；同时国内外该类工程地震仪的控制主机仍是采用传统的工控机，这也进一步凸显了其携带不便和功耗较大的劣势。而采用当前比较成熟的传输数据量较大距离较远的无线网络电台组建无线传输网络的野外分支采集站在国内外还是空白，同样针对目前运算能力强、体积功耗均较小的ARM 架构的控制主机设计在国内外还未出现，并且在可靠性、传输数据量、便携、采集道限制、兼容多类检波器等方面还有待完善和突破，更为重要的是国内地震勘探仪器厂家目前生产的主流产品仍是较为传统且技术上较为落后的集中式结构工程地震仪，没有研发更高性能和实用性的遥测式工程地震仪，无线遥测式工程地震仪的更是一片空白。

发明内容
本发明的目的是提供一种体积和重量小，功耗低，采集和传输数据量大，抗干扰能力强，可靠性高，便于施工布线的无线遥测式地震信号采集系统。本发明的是这样实现的
本发明无线遥测式地震信号采集系统，包括一个控制主机，一个同步装置和多个分布式设置的分支采集站，
控制主机有ARM处理器与存储器、显示器、键盘和无线网络电台连接，接受同步装置的同步启动指令，收到启动指令后循环向各分支采集站发送配置指令和配置参数，接收和处理分支采集站发来的地震数据；
同步装置由第一微控制器经以太网驱动芯片与无线网络电台接口芯片连接，第一微控制器与脉冲整形芯片连接，脉冲整形芯片与外部触发传感器连接，外部触发传感器感应到信号后，发送一个高频尖脉冲以触发第一微控制器，第一微控制器通过无线网络电台向控制主机和分支采集站发送同步启动指令；
每个分支采集站有多个检波器，每个检波器经串联的可编程增益放大器、抗混叠滤波器、单端转差分芯片、A/D转换器与第二微控制器连接，第二微控制器分别与可编程增益放大器，外部存储器、网卡驱动器连接，网卡驱动器与无线网络电台接口芯片连接，分支采集站接收同步启动指令后启动，接收控制主机发来的数据读取指令，向控制主机发送采集的地震数据。可编程增益放大器由两级放大器PGA205级联组成，放大器的四个控制端器分别与第二微控制器EP2C8Q208I8N相连，抗混叠滤波器为集成块LM4562与电容、电阻组成的四阶有源巴特沃斯低通滤波器，单端转差分芯片为AD8138，A/D转换器为ADS1252，士5V电源与PGA205、LM4562连接，+5V电源通过芯片REF191转换为2. 048V与AD8138连接、通过 REF198转换为4. 096V串联0PA;350与ADS1252连接，储存器为H57V2562GTR — 60C，无线网络电台接口芯片为DM9000AE。第二微控制器与芯片EPCS16SI8N、AS模式接口芯片和芯片EP2C8Q208I8N连接，第二微控制器内部嵌有IP内核，IP内核包括CPU核和内部RAM、外扩Flash、外扩SDRAM驱动
器，A/D转换器驱动器。所述外部触发传感器为高频锤击电子开关，高频锤击电子开关的输出接触发控制器74HC04的两级非门后再接入第一微控制器STM32F103^T6的中断口，第一微控制器内置51 (的Flash和64K的SRAM，以太网驱动芯片为EN(^8J60，无线网络电台接口为 HR911105R145。控制主机的ARM处理器为S3C6410，其通用外设接口与触摸显示屏、256M的RAM、 512M的Flash、USB_HUB、SD卡、定时控制主机的ARM处理器为S3C6410，其通用外设接口与触摸屏、256M的RAM、512M的Flash、USB_HUB、SD卡、定时时钟单元连接。分支采集站，同步装置和控制主机内部有集成电源，并扩展了外部电源接口，集成电源为可充电锂电池，集成电源或外部电源与DC — DC开关电源模块和电源分压器连接， DC — DC开关电源模块WRD12D05 — IOW由9 18V输入转换至士 5V，WRD12S12 — IOW由9 18V 输入转换至+12V，WRD12S05 — IOW由9 18V输入转换至+5V，开关电源的输出均经过π型滤波器，WRD12D05— IOW输出的+5V经稳压芯片LM1085—3. 3V给第二微控制器供电，再将 3. 3V电压经线性稳压芯片LT1117—1. 2V给第二微控制器ID内核供电，WRD12S05—IOW输出经稳压芯片LM1085—3. 3V在同步装置内部给第二微控制器供电，在控制主机内部作为 ARM处理器芯片S3C6410的工作电源，WRD12S12 — IOW输出作为电台工作电源。检波器为单分量动圈式地震传感器或单分量MEMS加速度传感器。系统每个分支采集站接12个检波器。系统由地震检波器、分支采集站、控制主机、无线网络及同步装置构成。整个系统的特殊之处在于分支采集站、控制主机、同步装置之间无需采用电缆相互连接，而是通过无线网络实现三个部分之间的相互通信，同时各部分的供电电源均集成在各单元内部。单个分支采集站连接12道地震检波器，用于感应人工产生的地震信号。分支采集站内部主要包括多路可编程放大电路、抗混叠滤波电路、单端差分转换电路、A/D转换电路、存储电路、以太网驱动电路、FPGA控制电路、集成电源管理电路。其中可编程放大电路采用极低输入偏置放大器对原始地震信号进行放大，并且根据实际情况可以调整其放大倍数；抗混叠滤波电路采用有源滤波器的设计方法主要实现对信号的低通滤波；单端差分转换电路负责将地震信号由前级处理的单端信号转换为后级电路需求的差分信号；A/D转换电路采用M位高分辨率A/D转换器将地震模拟信号转换为数字信号；存储电路部分采用大容量的SDRAM快速存储采集的地震数据；以太网驱动电路则采用百兆网卡芯片实现，并提供RJ45接口以便与外部无线网络电台连接；FPGA控制电路负责驱动控制可编程放大器、A/D转换电路、存储电路、网络接口，其实现多路A/D转换器并行采集功能，并针对每一路采集通道采用双缓存设计结构的存储方式，及时将各道地震数据存储至外部的 SDRAM中，同时FPGA需要嵌入相应软核以便于分支采集站内部集成TCP/IP协议，并结合该协议实现分支采集站与控制主机、同步装置之间的数据传输控制协议；电源管理电路采用内部集成的锂电池通过DC-DC开关电源转换成系统需要的士5V及无线网络电台需要的12V 电源，同时利用比较器分压及相应的状态指示灯实时监控锂电池电量。控制主机部分采用目前主频较高且集成多种通用系统外设的ARM处理器来搭建， 主要是结合ARM处理器的外设接口扩展系统需求的触摸屏、USB接口、SD卡、网络等多种外设，同时需要扩展控制主机硬件平台需要的大容量SRAM及Flash存储器，以便快速存储接收到的地震数据，控制主机部分同样采用内部集成可充电锂电池供电，其供电电压监控部分则是利用了 S3C6410内部集成的A/D转换器定时采集电源电压，并转化为电量信息以图形化显示于系统应用软件的主界面；为满足控制主机的智能化操作需求，控制主机部分加载了 Windows CE操作系统，并在该操作系统下编写相应的上位机应用软件，软件部分集成了利用TCP/IP协议实现的、与分支采集站和同步装置相互协议的传输控制协议，软件主要的功能是将由无线网络读取的地震数据转换为通用的SEG-2和SEG-Y标准地震数据格式进行文件存储，并动态的根据接收的数据显示地震波形，其中也包括了检测网络的连接状态及通信状态的网络测试功能及检查测线中布设的检波器连接状态的检波器测试功能。同步装置部分采用高性能的STM32F103ZET单片机配合网卡芯片以及无线网络电台实现，其主要是接收到外部锤击开关或遥爆装置触发的中断后，立即向控制主机和分支采集站发送一条同步指令，以便同步启动各个分支采集站的数据采集功能以及启动控制主机开始接收地震数据的功能。无线网络采用支持以太网接口的无线网络电台来实现，并根据分支采集站的数量需求组建一对多的星型网络，网络中各个接入点分配不同的IP地址，整个系统之间指令的传送及数据的交换均由组建的无线网络来完成。无线网络电台采用兼容低增益及高增益的天线，以满足系统便携性需求及复杂环境下施工时的绕障碍物能力。其中，所述采集系统采用分布式的设计结构，控制主机利用组建的无线通信网络对各个分支采集站进行控制，以此实现遥测式的数据采集功能；所述分支采集站内部的信号处理模块集成了相互独立且并行执行的12路处理通道，且可编程放大电路、抗混叠滤波电路、单端差分转换电路均采用全模拟的芯片，最大程度上保证地震信号的完整性；所述的 FPGA并行处理部分同时控制12路A/D转换器，并为每一路采集通道分配双缓存，以“乒乓机制”实现对12路信号的严格并行采集；所述采集系统中的分子采集站数量是可以动态扩展的；所述的控制主机主芯片也可以采用除ARM结构之外的其他低功耗高主频的处理器来实现，也可以加载其他支持图形化界面操作的实时性操作系统；所述的分子采集站内部主控芯片也可以采用除FPGA之外的其他支持并行处理的控制器，也可以将每一路采集通道分配一个小型单片机来控制。本发明的工作原理是首先配置控制主机，控制主机配置完成后进入等待同步指令的状态，并通过无线数传送网络向各个分支采集站发送配置指令及配置参数，分支采集站收到配置指令后根据配置参数对内部各个模块进行配置，配置完成后分支采集站同样切换进入等待同步指令状态，同步装置根据外部条件的触发向控制主机及分支采集站发送同步指令，控制主机在收到同步指令后循环向各个分支采集站发送数据读取指令，分支采集站收到同步指令后立即启动内部采集功能，采集完成后向控制主机发送相应的传输数据响应指令。分支采集站整个采集过程如下地震检波器在感应到人工产生的地震信号后，将其转换为电信号，这种原始的地震电信号首先通过指定增益值的放大器进行无失真放大， 进而经过抗混叠滤波滤除信号中包含的高频噪声，再利用单端转差分芯片将单端的地震信号转换为差分信号，送入M位A/D转换进行模数转换，此时需要利用到FPGA内部所分配的双缓存区域，即先将首次转换的数据存储缓存1，当下一次信号转换时一方面将数据存入缓存2，一方面将缓存1的数据传送至SDRAM存储，再次进行转换时将数据存入缓存1，同时将缓存2的数据传送至SDRAM，如此循环执行，直至数据采集完成，并且单个分支采集站内部的全部12道均执行同样的过程，由于FPGA的并行处理能力保证了数据存入和读出的操作以及对各个外设的控制是并行执行的，因此所有12道数据的采集和存储是严格并行。所有12道数据采集完成后，进行数据封装并通过无线网络向控制主机进行数据传输。控制主机在收到地震数据首先在集成的应用软件主界面经过绘图算法显示地震波形，并根据实际需求对观察地震波形进行滤波或换道剔道等处理，也可以通过频谱分析查看数据采集的质量，之后是控制主机的格式转换，将地震数据转换为通用的标准地震数据格式进行存储，以便于后期其他反演分析软件的处理。本发明的有益效果是本发明采用分布式的设计结构，并结合无线网络电台组建网络传输网络实现对地震数据的遥测采集。控制主机硬件平台由于采用高性能低功耗的 ARM处理器结合触摸屏搭建，且采用内部集成的可充电锂电池供电，大大减小了工程地震仪控制主机的体积和重量，加载实时的桌面操作系统Windows CE开发相应的应用软件改善了操作的智能化；分支采集站由于利用了单片FPGA同时并行控制12道信号采集，不仅提高了采集性能且，而且高度的集成化也在很大程度上减小了其体积和重量。而整个系统由于减少了传统工程地震仪的大量用于数据传输的延长线和同步信号传输线，转而采用无线通信的方式，进一步提高了整个系统的便携性，而且也大大提升了工程勘探的施工效率和各种复杂场合下的施工能力。因此整个系统具有便携、低功耗、高性能、能克服各种复杂场合下的施工限制及高施工效率的特点。


图1为本发明系统结构框图。图2为分支采集站内部框图。图3为分支采集站单道信号采集板原理框图。图4分支采集站主控板FPGA扩展SDRAM、以太网接口及下载调试接口原理框图； 图5为分支采集站主控FPGA内核资源分布框图6为分支采集站供电电源分配方案框图； 图7为分支采集站供电电路原理框图； 图8为控制主机内部框图； 图9为控制主机供电电源分配方案框图； 图10为控制主机供电电路原理框图； 图11为同步装置系统原理框图。
具体实施例方式
为了使本发明更容易被理解，下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明。参阅图1，一种无线遥测式地震信号采集系统，由地震检波器、分支采集站、控制主机、无线网络及同步装置组成，以控制主机为采集系统的控制核心，同步装置6用于在产生人工震源的同时向控制主机和分支采集站传送同步信号，工程地震信号依次传递于地震检波器3、并行传输线缆4、分支采集站1、无线网络电台2、控制主机5。控制主机5动态调整采集系统和分支采集站中各单元的参数，对所采集的数据进行相应的预处理及其地震波形的实时显示，并将采集的数据转换成通用的地震数据格式进行存储。参阅图2，作为地震信号采集的关键部分，分支采集站在收到同步装置的同步信号后，启动系统的信号采集功能，整个过程如下以并行方式连接的12道地震检波器拾取到地震信号后，由传输地震模拟信号的并行线缆传输至两级可编程放大器PGA205进行放大，地震信号经放大达后，需要进行相应的抗混叠滤波，主要是利用放大器及电容电阻网络设计有源低通滤波器，滤除高于二分之一 A/D转换器采样频率的高频成分，保证采集的地震信号不会出现假频，同时由于滤波器部分采用放大器来实现，而放大器自身具有高输入阻抗低输出阻抗的特点，因此在此部分对采集电路中的模拟电路和数字电路起到相互隔离的作用，保证后级的数字信号不会对前级的模拟电路产生影响；由于地震信号在经过滤波后仍是单端信号，而A/D的信号输入部分为差分输入，因此必须将单端地震信号转换为A/ D转换器需求的差分信号，并由M位A/D转换器将地震信号进行模数转换，进而存入FPGA 所分配的与其对应的双缓存区域，并通过FPGA存入相应SDRAM存储空间，整个采集过程完成后利用FPGA控制以太网接口将数据经无线网络电台传送至控制主机，其中用于拾取地震信号的地震检波器可以采用类似重庆地质仪器厂生产的Γ ΟΟΗζ水平或垂直单端输出地震检波器，每个检波器2根传输线，12道采用并行连接方式经共计M根传输线传输至分支采集站的采集电路，当然如果采用MEMS型的加速度传感器必须对电路做相应改动，如 Modell221，由于其输出信号是差分信号，因此所用放大器也必须是差分放大器，而如果采用的传感器灵敏度足够高也可以不经过放大器直接与后级的A/D转换器相连。参阅图3，前端的可编程放大器需要采用低输入偏置电压且多种增益可调的放大器实现，为保证更大的增益范围，此处采用两级PGA205放大器级联的方式来实现，其中各道两级PGA205的四个控制端口分别与主控FPGA芯片EP2C8Q208I8N的74 77端口相连， 由于PGA205的单级可以实现1、2、4、8倍四档放大功能，因此两级PGA205级联可以实现7个档位的放大功能，即从1 64倍以2倍步进方式递加，并且可以拾取到最低ΙΟμν的信号； 抗混叠滤波器采用具有极低噪声与失真度的LM4562结合电容电阻网络组成四阶有源巴特沃斯低通滤波器，通常情况下，系统A/D转换器的采样频率设置为4kHz，因此此处将滤波器的通带截止频率设置在2kHz以下，并且采用巴特沃斯型的设计方式，进一步利于专用的滤波器设计软件(如FilterLab)设置电容电阻参数，以有效滤除有效信号中假频成分；单端转差分芯片采用低失真的差分放大器AD8138来实现，主要是将AD8138四个反馈端的反馈电阻设置为相同的参数值，将放大器配置为射极跟随器的形式，保证原始信号在没有被放大或衰减的情况下通过该部分，其参考电压必须设置为A/D转换器参考电压的1/2大小，保证转换后的信号幅度不会超过A/D的最大采集信号幅度，由于A/D转换器部分采用的参考电压为4. 096V,因此该部分的参考电压为2. 048V，其直接采用线性稳压芯片REF192将5V 转换至2. 048V实现。参考图3，A/D转换器部分由于要求采样率是可调的，且必须满足高分辨率的要求，因此电路中采用了 M位高分辨率、最大采样率为40kHz的ADS1252进行设计，其采样率的调整主要是通过调整控制其输入时钟来实现，这种功能可以充分利用FPGA芯片EP2C8Q208I8N内部锁相环单元产生的高精度时钟信号来驱动，整个电路中占用了 3个 EP2C8Q208I8N端口来驱动12路ADS1252，即每个端口同时驱动4路ADS1252，以图中的第一道为例，ADS1252的时钟输入端由EP2C8Q208I8N的第137个端口产生的分频时钟驱动，并通过调整该端口的输出时钟频率来调整ADS1252的采样率，此外EP2C8Q208I8N通过第27及第35端口与ADS1252之间相互通信，用于读取ADS1252转换的数据，其他通道与第一通道的操作相同。参考图4，由于是对地震信号进行连续的数据采集，通常情况下在将A/D转换的采样率设为4kHz时，采样点数为2048个，而由于采用的是M位A/D转换器，因此单道的数据量在故字节，以常规的48道工程地震仪计算，共计^SK字节的地震数据，当然还需要加上
9程序运行时占用的内存空间，并且当采样率样率或者采样点数发生调整的情况下，每道的数据量也会随之变化，EP2C8Q208I8N内部的存储空间无法满足系统的存储要求，因此需要扩展外部存储器以满足数据存储要求，系统中采用了主频最高可达166MHz的高速SDRAM芯片H57V2562GTR-60C来实现这一功能，其容量为256Mb，充分满足了系统的存储空间要求， H57V2562GTR-60C总的存储空间分为4个物理块，每个块为16MX 16bit，即其采用了 16位数据线，13位地址线，2位的物理块选择控制线，分别由EP2C8Q208I8N对应的首标示为SDR_ 的IO端口驱动控制，其底层的驱动采用自定义编写并嵌入EP2C8Q208I8N的IP内核来完成。参考图4，数据采集并暂存到外扩的SDRAM后，下一步工作就是传送至控制主机， 由于分支采集站采集的地震数据是以二进制形式暂存在SDRAM存储器的，而针对地震数据来说，需要将其进行拼接和转换并存储为标准格式的文件，因此分支采集站需要将所采集和暂存的地震数据传输至控制主机进行相应处理及存储格式变换，由于工程地震采集的数据量较大，因此必须同时考虑数据传输的速度和可靠性，传统方式均是采用有线方式，但这种方式需要连接较多的传输线缆，极为不方便，并且会大大降低野外工作的效率，因此本发明采用了北京格网通信技术有线公司推出的速度最高可达20Mbps的无线网络电台 AirMesh 900来组建星型数据传输网络，其工作在902 928MHz ISM频段，传输距离最大可达15公里，且支持OFDM编码调制方式及无线接收分集功能，完全兼容100Base-T以太网接口及动态IP或静态IP分配，这为分支采集站的开发提供了很好的驱动接口，分支采集站为最大程度上驱动无线网络电台及完成数据从SDRAM到电台的过渡，电路中采用了最大支持传输速度为IOOMbps的DM9000AE以太网接口芯片实现，其内部带有16K字节SRAM用作接收发送的FIFO缓存，支持8/16bit两种主机工作模式，通过HP认证的AUTO-Mdix (支持直接互连自动翻转)功能，支持TCP/IP加速(IPV4 check sum offload)减轻CPU负担，提高整机效能，IOns的I/O读写时间，并且支持IEEE颁布的802. 3以太网传输协议，这保证了数据传输网络的可靠性和稳定性，诸多特点不仅满足无线网络电台的驱动要求，同时也充分满足了传输地震数据的速度要求，当然为了与控制主机进行正常通信，还需要结合以太网通信时的TCP/IP协议形成自组网内部通信专用的通信协议，保证传输数据的可读性。参考图4，分支采集站内部的FPGA芯片EP2C8Q208I8N要加载相应的执行代码，就需要有对应的程序调试及下载接口，因此系统引出了 EP2C8Q208I8N硬件所集成的JTAG程序调试及下载接口，然而由于FPGA内部无法保存系统执行的程序代码，即系统掉电后其内部所保存的一切数据将丢失，因此需要扩展相应的存储单元来保存FPGA相应的代码，同时综合考虑编译后执行代码所需要的存储空间，本发明采用Altera公司专门为其FPGA芯片配备的16Mbit串行配置芯片EPCS16SI8N用于保存系统执行的代码程序，即EP2C8Q208I8N 所需要运行的程序首先由JTAG接口进行初步调试，调整完成后通过AS模式下载接口下载至EPCS16SI8N，代码执行时EP2C8Q208I8N先读入EPCS16SI8N所保存的代码程序，进而加载至自身的RAM执行，并且系统每次掉电重新启动或复位后采集板会自动加载此部分程序。参阅图5，由于FPGA需要作为控制器集成多种功能，同时需要兼容多路并行采集和存储功能以及方便FPGA应用程序的编写，因此其内部有必要嵌入IP软核，软核部分包括了开发平台Quartus子模块SOCBui 1 der所集成的CPU核及内部RAM、外扩Flash、外扩SDRAM 驱动、USB转JTAG输出打印，而在保证严格并行采集存储的情况下，需要将分支采集站所用的12路A/D转换器驱动集成到嵌入的软核中，以便在OTOS开发平台编写的应用程序中对多路A/D进行操作时，能够严格并行执行；由于每一路A/D需要连续采集一定长度的数据， 且单次采集后需要及时将数据采集的数据暂存至外扩的SDRAM存储器中，如果直接存储则会开销较多的时间，从而导致A/D的连续采集过程中发生时间上的延时，由于这种时间延时是不确定的，所以会进一步导致12路A/D无法严格并行执行，为解决这一问题，本发明采用了双缓存的存储模式，并且将该部分的功能集成到软核中，以保证对12路双缓存操作也是严格并行执行的，此部分充分利用FPGA的FIFO (先进先出)存储器的设计结构，即为每一路A/D采集分配2个FIFO的存储空间，单个FIFO单元的数据位宽为8位，深度为2个字， 保证其可以存储单次A/D采集所需要的3个字节空间，整个存储过程如下A/D转换器完成单次转换后将数据存储至与其对应的缓存1，在进行一次转换时一方面将数据存储至与之对应的缓存2，另一方面将缓存1的数据读出存至外扩的SDRAM中，继续转换时将数据再次暂存至缓存1，并将缓存2的数据读出存至外扩SDRAM中，如此循环操作直至整个采集过程完成，由于数据存至缓存1和将数据从缓存2读出存至外扩SDRAM在FPGA内部是两个相互独立过程，并且是并行执行的，因此不会中断A/D的连续采集过程。
参阅图6及图7，高质量的供电电源对分支采集站的采集效果及整个系统的稳定性是至关重要的，由于分支采集站需要多组电源，因此需要多种组合方案的电源输出， 本发明为了保证系统的便携性以及可循环使用性能，采用了内部集成可充电锂电池的供电方式或外部电源两种方案搭配宽压输出的DC-DC开关电源模块组合实现，集成电源进一步提高其便携性，外部电源则作为可选的备用电源，其中可充电锂电池方案将四节单节为3. 6V/2. 6Ah串联，即14. 4VA. 6Ah为一组，进一步采用10组上述的锂电池组组合为14. 4V/26Ah的电池组，保证足够的供电电量，外部电源可以采用12V/60Ah蓄电池或者AC-DC开关电源，具体的内部电源分配如下利用双路输出的DC-DC开关电源模块 WRD12D05-10W将电压转换为士5V，作为采集板中信号调理电路的供电电源；利用DC-DC开关电源模块WRD12S12-10W将电压转换为12V，作为无线网络电台的供电电源；进一步采用线性稳压芯片LM1085-3. 3V将+5V电压转换至+3. 3V作为FPGA工作电源，将+3. 3V电压经线性稳压芯片LT1117-1. 2转换至+1. 2V作为FPGA软核工作电源；另外，由于分支采集站主控板的ADS1252工作时需要+4. 096V的参考电压，因此此处采用了高精度的REF198将 +5V电源经线性稳压至+4. 096V作为A/D转换器的参考电压，同时由于REF198需要同时驱动12路ADS1252并行工作，为保证足够的驱动能力，本发明将参考电源部分采用放大器 0PA350搭建射极跟随器来增加REF198的驱动能力，同样分支采集站信号处理板上的单端转差分芯片AD8138需要+2. 048V的参考电源，此处利用高精度的REF191将+5V的电压转换至+2. 048V;此外，电路中由于采用了 DC-DC开关电源，所以会存在较大的纹波，而系统对士5V的电源质量要求较高，因此需要士5V的电源输出端加入相应的π型滤波器，以降低电源纹波，同时为了进一步提供系统电源质量及对地耦合性，需要在接近IC电源附近接入了 IOOyF和0. IyF的电容抑制来自地线的高频干扰，保证极低的噪声和温漂。针对电压的实时监控部分利用集成两组比较器的LM393将监控参考电压与电源的分压进行比较，利用电阻对锂电池电源进行分压作为电量监控比较器比较的同向输入电压，并设置LM393的反向比较电压为2. 5V，两组比较器的输出分别连接发光二极管，电源分压高压参考电压时绿色发光二极管启动，表示电压正常，反之，红色发光二极管启动，表示欠压。同时为了避免电源故障导致后级电路烧毁，电池的供电输入端加入了自恢复保险丝，保证电源出现故障时自动切断供电电路。参阅图8，为了进一步提高系统的便携性和综合性能，控制主机部分采用了基于 ARMll内核的S3C6410 ARM处理器嵌入硬实时操作系统Windows CE实现。S3C6410的主频最高可达667MHz，充分满足了作为工程地震仪控制主机的运算要求，同时提供一套完整的通用系统外设，包括IXD接口、4通道DMA、兼容SD卡主接口协议、旧8、3 1、1化、说肌及130 个通用IO和M个外部中断请求端口等，而且内核部分采用0. 13ΜΠ1的CMOS标准宏单元和存储器单元，这些指标不仅使得结合ARM芯片开发的系统节省了大量用来扩展外围设备的空间，从根本上缩小了设备的体积，同时也大大的降低了整个系统的功耗。控制主机部分结合S3C6410的通用外设接口扩展了 10寸触摸屏、256M的RAM、512M的Flash、USB_HUB、SD 卡接口、鼠标键盘接口、实时时钟单元。其中10寸触摸显示屏用于实现系统的各种操作功能及实时显示采集的地震波形；256M的RAM作为系统的运行空间及处理数据的暂存空间； 512M的Flash用于存储操作系统及地震数据文件；USB_HUB可以作为其他USB外设的通用接口 ；SD卡接口方便地震数据文件的拷贝和转移；鼠标键盘接口方便控制主机的操作；实时时钟用于显示系统的确切日期和时间信息。另外，控制主机部分为了实时监控电源电压， 将供电电源分压后接入S3C6410内置的A/D转换器进行采集，并进行必要的电量刻度显示在操作系统的界面上。控制主机另外一个重要功能是以太网通信接口的集成，以便通过无线网络电台与分支采集站及同步装置之间进行通信，针对以太网通信部分仍采用DM9000AE 作为驱动芯片，并外接RJ45接口实现控制主机对无线网络电台的操作。此部分为了增强系统的稳定性，我们利用飞凌嵌入式有限公司生产的0K6410B型ARMll核心板结合系统需求进行扩展来搭建控制主机。控制主机为满足智能化需求需要加载Windows CE操作系统，因此需要定制操作系统的内核服务以及集成必要的外部接口底层驱动，本发明定制的内核部分主要包括 Core OS 下的二维绘图机显示组件.NET Compact Framework 2.0、DirectDraw，文件操作组件 File Cache Manager、RAM and ROM File System，注册表保存功能 Hive-based Registry组件，VC基础类库组件MFC支持、网络通讯TCP/IP V6组件、支持USB热插拔的组件 USB HID Keyboard and Mouse、USB Storage Class Driver，中文输入法组件 SimSun & NSimSun (Subset 2_50)及 GB18030 Data Converter，最后需要加入 Device Driver 节点部分的SD Bus Driver及SD Memory两个驱动组件以保证控制主机支持SD卡设备的相关操作，便于地震数据的跨平台转移。参阅图9及图10，与分支采集站类似，控制主机部分也需要多组供电电源，同样为了提高控制主机的便携性，仍采用内置可充电锂电池及扩展外部电源接口两种方案，通过DC-DC开关电源模块WRD12S05-10W转换至+5V作为触摸屏供电电源，经开关电源模块 WRD12S12-10W转换至12V作为无线网络电台工作电源，将+5V经线性稳压芯片LM1085-3. 3 转换至+3. 3V作为ARM核心板工作电源，为了保证供电电源输出较低的纹波，在+5V的电源输出端加入相应的η型滤波器以滤除高频纹波干扰，同样由于需要对控制主机的电源电量进行实时监控，此处将锂电池电源或者外部电源经过合理的分压后接入ARM的核心板内置A/D，采集后进行电量转换显示在控制主机集成的应用软件界面上。此外，与分支采集站类似，需要保证控制主机的电源出现故障时，不会烧毁后级电路，在电池供电输入端加入了自恢复保险丝。参阅图11，系统中的同步装置用于启动各个分支采集站同步采集功能。其前端主要是在外部的高频锤击电子开关在感应到足够强烈的振动后，发送一个高频尖脉冲以触发控制器的外部中断功能，由于是高频尖脉冲，所以不易被主控制器外部中断输入端口拾取到，本发明通过将电子开关的输出端接入74HC04的两级非门后再接入主控制器的中断口， 由于74HC04内部采用施密特触发器的设计结构，施密特触发器最重要的特点是能够把这种尖脉冲信号整形成边沿陡峭的矩形脉冲，另外施密特触发器只有当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态才会发生变化，这种特性保证了高频锤击开关的误操作或干扰不会的触发控制器的中断功能，另外，74HC04的输出端口必须接入上拉电阻，以保证其能够输入给控制器中断口适合的电平脉冲，同时为了提高电路的抗干扰性能，需要将74HC04内部其他4个未用的非门输入端上拉至高电平。同步装置的主控制器在响应外部中断后需要通过无线网络电台向各个分支采集站及控制主机发送一帧用于标示同步采集功能的数据包，整个过程完成后恢复中断功能以响应下次中断，如此循环来实现各个分支采集站同步连续采集的功能。同步装置内部主要采用高性能微控制器 STM32F103ZET6配合以太网驱动芯片EN(^8J60及无线网络电台实现，STM32F103ZET6内置 512K的Flash及64K的SRAM，保证了足够的程序和数据存储空间，其最高可达72MHz的主频使得其能够驱动高速的外设，这也为其控制ENa8J60提供了基础，ENa8J60采用速度最高可IOMbps的SPI总线接口驱动，这一速度完全满足作为同步装置驱动无线网络电台的要求，且控制和驱动较为简便，其支持自动极性检测和校正的IOBase-T端口，通过RJ45接口可以直接与无线网络电台相连，另外其内置8K的发送/接收数据包双端口 SRAM为同步指令的及时发送提供了很好的缓存空间。STM32F103^T6通过第40 43端口的SPI总线来驱动控制EN(^8J60，并通过HR911105R145的RJ45接口与无线网络电台连接。参考图10，考虑到同步装置的便携性，其供电部分采用内部集成的可充电锂电池， 与控制主机的电源方案相类似，同样分别经过DC-DC开关电源模块WRD12S05-10W转换至 +5V作为后级电源的输入，即将+5V经线性稳压芯片LM1085-3. 3转换至+3. 3V，如果采用锂电池LM1085-3. 3直接转换至3. 3V，即使是两组可充电锂电池串联也是7. 2V的标称电压，转至3. 3V的压差为3. 9V，这种方式就大大降低了电源的工作效率，而采用开关电源先转至5V 再转至3. 3V可以很大程度上提高电源的工作效率，同样经开关电源模块WRD12S12-10W转换至12V作为无线网络电台工作电源，其滤除纹波的π型滤波器及保险部分与控制主机供电方案相同，另外，同步装置电源电压的监控部分与分子采集站相同。
权利要求
1.无线遥测式地震信号采集系统，其特征在于包括一个控制主机，一个同步装置和多个分布式设置的分支采集站；控制主机有ARM处理器与存储器、显示器、键盘和无线网络电台连接，接受同步装置的同步启动指令，收到启动指令后循环向各分支采集站发送配置指令和配置参数，接收和处理分支采集站发来的地震数据；同步装置由第一微控制器经以太网驱动芯片与无线网络电台接口芯片连接，第一微控制器与脉冲整形芯片连接，脉冲整形芯片与外部触发传感器连接，外部触发传感器感应到信号后，发送一个高频尖脉冲以触发第一微控制器，第一微控制器通过无线网络电台向控制主机和分支采集站发送同步启动指令；每个分支采集站有多个检波器，每个检波器经串联的可编程增益放大器、抗混叠滤波器、单端转差分芯片、A/D转换器与第二微控制器连接，第二微控制器分别与可编程增益放大器，外部存储器、网卡驱动器连接，网卡驱动器与无线网络电台接口芯片连接，分支采集站接收同步启动指令后启动，接收控制主机发来的数据读取指令，向控制主机发送采集的地震数据。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于可编程增益放大器由两级放大器PGA205 级联组成，放大器的四个控制端器分别与第二微控制器EP2C8Q208I8N相连，抗混叠滤波器为集成块LM4562与电容、电阻组成的四阶有源巴特沃斯低通滤波器，单端转差分芯片为 AD8138，A/D转换器为ADS1252，士 5V电源与PGA205、LM4562连接，+5V电源通过芯片REF191 转换为2. 048V与AD8138连接、通过REF198转换为4. 096V串联0PA;350与ADS1252连接， 储存器为H57V2562GTR — 60C，无线网络电台接口芯片为DM9000AE。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于第二微控制器与芯片EPCS16SI8N、AS模式接口芯片和芯片EP2C8Q208I8N连接，第二微控制器内部嵌有IP内核，IP内核包括CPU核和内部RAM、外扩Flash、外扩SDRAM驱动器，A/D转换器驱动器。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述外部触发传感器为高频锤击电子开关，高频锤击电子开关的输出接触发控制器74HC04的两级非门后再接入第一微控制器 STM32F103ZET6的中断口，第一微控制器内置511的Flash和64K的SRAM，以太网驱动芯片为EN(^8J60，无线网络电台接口为HR911105R145。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于控制主机的ARM处理器为S3C6410，其通用外设接口与触摸屏、256M的RAM、512M的Flash、USB_HUB、SD卡、定时时钟单元连接。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于分支采集站，同步装置和控制主机内部有集成电源，并扩展了外部电源接口，集成电源为可充电锂电池，集成电源或外部电源与DC— DC开关电源模块和电源分压器连接，DC—DC开关电源模块WRD12D05 — IOW由9 18V输入转换至士 5V，WRD12S12 — IOW由9 18V输入转换至+12V，WRD12S05 — IOW由9 18V输入转换至 +5V，开关电源的输出均经过π型滤波器，WRD12D05 — IOW输出的+5V经稳压芯片LM1085— 3. 3V给第二微控制器供电，再将3. 3V电压经线性稳压芯片LT1117—1. 2V给第二微控制器 ID内核供电，WRD12S05 — IOW输出经稳压芯片LM1085— 3. 3V在同步装置内部给第二微控制器供电，在控制主机内部作为ARM处理器芯片S3C6410的工作电源，WRD12S12 — IOW输出作为电台工作电源。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于检波器为单分量动圈式地震传感器或单分量MEMS加速度传感器。
8.根据权利要求7所述的系统，每个分支采集站接12个检波器。
全文摘要
本发明无线遥测式地震信号采集系统，解决已有系统体积大，功耗高，抗干扰差，传输数据量小的问题。包括一个控制主机，一个同步装置和多个分布式设置的分支采集站，控制主机接受同步装置的同步启动指令，收到启动指令后循环向各分支采集站发送配置指令和配置参数，接收和处理分支采集站发来的地震数据，同步装置向控制主机和分支采集站发送同步启动指令，分支采集站接收同步启动指令后启动，接收控制主机发来的数据读取指令，向控制主机发送采集的地震数据，分支采集站，同步装置和控制主机内部有集成电源。
文档编号G01V1/22GK102565850SQ20121000001
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月1日 优先权日2012年1月1日
发明者刘勇, 刘明哲, 庹先国, 李怀良, 杜勇, 沈统, 阳林锋 申请人:成都理工大学