地震預警數據采集論文范文

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1預警站采集系統硬件設計

1．1采集系統方案采集系統方案如圖2所示，系統由ST32F407單片機加FPGA結構組成，FPGA采用Altera公司的CYCLONEⅣ系列芯片EP4CE6E22C8N。單片機作為主控制器，用于控制FPGA采集，數據存儲;外圍電路包含以太網接口，GPS接口，SD卡存儲器以及授時守時電路;FPGA部分用于產生AD同步時鐘，控制六通道AD同步采集，并將采樣值傳入單片機中，外圍電路包含6通道采集板和參考源;單片機與FPGA之間通過SPI接口與地址線A0進行通信。數字補償晶體是整個系統的時鐘源，該晶體的頻率為16．384MHz，準確度為0．5×10－6，溫漂為0．1×10－6。

1．2傳感器選型本系統選用的傳感器為ES－T型三分向力平衡式加速度計，傳感器可以在±0．25gn到±4gn的范圍內選擇設定滿量程，其動態范圍優于155dB，帶寬在DC－200Hz之間。

1．3信號調理與AD采集電路傳感器輸出為差分信號，信號動態范圍為±5V，系統選用的AD芯片輸入信號范圍在±2．5V之間，所以傳感器輸出信號必須經過信號調理后才能進行采集，圖3是其中一個通道的信號調理與AD采集電路，其余通道電路與該圖完全一致。信號調理電路由全差動放大器OPA1632構成，該放大器的電壓噪聲密度為1．3nV/Hz1/2，在100Hz(高鐵地震監測常用采樣率為200sample/s)帶寬范圍內噪聲有效值不超過15nV，滿足地震信號采集要求。圖中R2∶R1、R7∶R9均為2∶1，可將輸入差分信號衰減2倍，實現將傳感器輸出的±5V信號衰減到±2．5V范圍內，滿足ADS1281的輸入電壓范圍，圖中二極管D1與D2是鉗位二極管，將電壓鉗位在±3V左右，保護AD芯片。AD轉換器是一款32bitΔ－Σ高精度模數轉換器ADS1281，內部具有可編程FIR、IIR和SINC濾波器，0．6×10－6線性度，在250sample/s采樣率下其SNR可達130dB，全速采樣模式下功耗僅12mW，非常適用于電池供電的野外作業。通過配置PINMODE引腳，可將ADS1281設置為引腳控制模式(PINMODE=1)和寄存器控制模式(PINMODE=0)，本系統將其配置成寄存器控制模式。系統為實現同步采樣，將六通道ADS1281的低功耗控制PWDN，復位RST，同步SYNC，采樣時鐘CLK，SPI時鐘SCLK，SPI數據輸入DIN引腳分別連在一起，并由FPGA統一控制，達到時鐘同步，統一配置AD的目的，從而實現同步采樣;而ADS1281的數據輸出引腳DOUT分別接在FPGA的6個不同IO口，用于讀取六通道AD的數據。參考源是數據采集系統的關鍵部分，本系統利用DCDC產生－5V電壓，低噪聲LDO電源芯片LT1964產生－2．5V電壓，作為六通道ADS1281的VREFN輸入，LT1964噪聲為30μVRMS(10Hz～100kHz);利用專用精準基準芯片LTC6655－2．5產生+2．5V電壓，作為六通道ADS1281的VREFP輸入，該芯片噪聲0．25×10－6p－p(0．1Hz～10Hz)，溫飄為2×10－6/℃，經過試驗，該方案是取得較好結果。

1．4FPGA采集控制與數據傳輸實現數據采集之前，STM32單片機需要通過FPGA對各通道采集卡(即ADS1281)進行配置;數據采集過程中，FPGA需要對六通道數據讀取、打包并傳入STM32單片機。控制線A0用于選擇上述功能。當A0=0時，將STM32單片機與FPGA之間的SPI接口、FPGA與六通道采集卡之間的SPI接口直接相連，此時由STM32單片機直接完成采集卡配置;當A0=1，FPGA輸出采樣時鐘CLK，六通道采集卡同時啟動采樣。FPGA數據采集與傳輸過程如圖4所示。當六通道ADC數據準備就緒時，ADC_nDRDY信號將同時由高變低，FPGA收到下降沿信號后，將在ADC_SCLK引腳連續產生32個周期的SPI時鐘，ADS1281在時鐘上升沿輸出數據(ADC_DOUT_1至ADC_DOUT_6)，FPGA在時鐘下降沿讀取數據，六通道數據將被緩存在6個32bit寄存器ADC_DA-TA0至ADC_DATA5內;FPGA讀取完六通道32bit數據后，在MCU_DRDY引腳產生一個高脈沖，通知STM32單片機讀取數據，單片機在MCU_DRDY下降沿啟動中斷，并在中斷中完成數據讀取;數據讀取過程中，單片機的SPI時鐘MCU_SCLK連續產生時鐘信號，FPGA在收到時鐘信號時，將數據通過MCU_DIN輸出，時鐘信號共6×32=192個，正好讀完六通道數據。

2預警系統C/S構架軟件設計

2．1客服端LabVIEW編程PC機客服端界面與網絡編程利用LabView軟件實現。LabView是由美國國家儀器(NI)公司研制開發虛擬儀器開發軟件，是一種圖形化編程語言，使用較為方便［6－7］。LabView主界面包含采樣率、量程設置，IP地址，端口，開始采集按鈕，停止采集按鈕和波形界面幾個部分，其中波形界面由WaveChart控件實現，具體實現如下:將下位機上傳的六通道數據綁定為簇，簇輸出接到WaveChart控件的數據輸入端，Wave-Chart控件的圖形顯示方式設置為分格顯示曲線，由于簇輸入是6個數組綁定而成，WaveChart自動將窗口分成6個子窗口，每個數據對應一個窗口;Wave-Chart界面更新模式設置為StripChart，此模式下波形從左至右繪制，達到右邊邊界時，舊數據從左邊溢出，新數據從右邊進入。LabView具有強大的網絡編程功能，本系統客戶端利用了其中的TCP/IP協議模塊，主要涉及到以下幾個函數:TCPOpen(打開)，TCPRead(讀取)，TCPWrite(寫入)，TCPClose(關閉)。客戶端程序工作流程如圖5所示。從圖中可以看出，從開始到結束采集一共用了兩次TCP/IP連接，第1次用于發送采集命令，然后接收、處理、顯示數據，當按下“停止采樣”命令后，首先關閉第1次TCP/IP連接，此時服務器還在繼續采集數據，但不發送，所以還需進行一次TCP/IP連接發送停止采集命令給服務器，服務器收到命令后即可停止采集，并進入低功耗模式。

2．2基于LWIP的服務器程序設計服務器的主控單片機是STM32F407，其內部集成了10/100M以太網MAC，結合PHY芯片DP83848即可完成以太網硬件搭建;以太網軟件部分通過移植LWIP協議棧實現，已有較多文獻或文檔詳細敘述了移植方法與過程，服務器接收命令、啟動采樣和傳輸數據等功能在tcp回調函數中實現。數據采集和傳輸是同時進行的，可在單片機中申請兩個緩存，采用乒乓操作模式工作實現，即:其中一個用于中斷采集數據存儲，緩存滿后，設置數據滿標志，并查詢另一個緩存的數據空標志，若為空，證明數據已經傳輸完成，可新的存儲數據;另一個用于傳輸，傳輸完成后，設置數據空標志，并查詢第1個緩存的數據滿標志，若位滿，證明數據可以傳輸;由于以太網的傳輸速度遠大于數據采集的速度，以太網傳輸完成后會等待另一個緩存存滿，所以整個過程中不會出現采樣數據丟失的情況。

3采集系統性能測試

3．1噪聲測試進行噪聲測試時，將6通道輸入短接，采樣率設置為200sample/s;采集開始后，數據將以文本文檔的形式實時存入SD卡。圖6是由采集的一個通道數據用excel作圖得到(取其中任意2000個點)，從該圖可以看出:該通道采集的輸入短接噪聲峰峰值在±1．5μV范圍內。為進一步對噪聲大小進行量化分析，分別進行了三次噪聲測試，并在excel軟件中利用STDEVA函數對每一次的六通道采集數據做均方差處理，處理結果如表1所示。從表中可以看出:每隔通道的噪聲均方差低于0．5μV，噪聲一致性較好;采集卡輸入信號范圍是±5V，按照ADC的信噪比計算公式可算出采集卡的信噪比優于140dB。

3．2地震信號采集實驗實驗時，把傳感器放置于地面，傳感器差分信號輸出端接入采集卡第1通道，打開監測站電源，在PC機中啟動LabVIEW界面，設定好采樣率、量程、IP地址與端口，點擊“啟動采集”，在距傳感器2m左右用硬物連續敲擊地面，圖7是截取的實時顯示結果圖，從圖7可以看出，第1通道具有典型的地震波形輸出，縱坐標單位為mV，第2通道～第6通道輸出為隨機噪聲，縱坐標單位為μV。

4結束語

本論文通過預警站(服務器)采集系統硬件、軟件設計和客服端軟件設計，實現了基于C/S構架的高鐵地震預警IP數據采集系統。在性能上，系統噪聲均方差低于0．5μV，信噪比優于140dB;在功能上，可實現遠程參數設置、遠程實時數據傳輸并顯示。該系統不僅可以用于高鐵地震預警，還可用于礦山微震監測、金庫震動監測和天然地震等與震動有關的應用領域。

作者：譚超蘇超張海濱單位：三峽大學電氣與新能源學院