地震動數據采集系統(tǒng)研究

閆逢春

（中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051）

0 引言

地震動，又稱為地震地面運動，是震源釋放出來的地震波引起的地表附近土層的振動[1]。研究地震動無論是在國民經濟建設領域還是軍事領域都有很高的應用價值。在國民經濟領域可用于地下礦山開采的安全評估、地下爆炸成腔的數值研究和地下工程的壓密研究，可以節(jié)省國家大量的人力和物力；在軍事領域可用于對敵方車輛、人員進行實時、準確的監(jiān)測，可掌握敵方的可靠火力部署，掌握主動權。地震動數據采集系統(tǒng)通過測試不同距離的質點震動加速度、到達和持續(xù)時間及衰減規(guī)律，作為判斷爆心位置、評價炸彈殺傷力的有效手段。

1 系統(tǒng)總體組成與工作原理

1.1 測試原理

在爆破震動測試中，計算爆心位置和評價爆炸效果是人們最為關心的問題，通過不同埋深、位置的傳感器測得質點速度、加速度、應變或應力波形、震動到達時間等數據，通過上傳數據至數據處理中心，就能在PC機軟件平臺上實現波形的實時顯示和數據的存儲及處理[2]。

1.2 系統(tǒng)結構選擇

為了能實時顯示爆心位置和評價爆炸效果，需要將震動傳感器陣列獲取的信號快速上傳到PC機中進行實時處理，而實際環(huán)境中場地復雜，不便于傳統(tǒng)的有線電測法布置設備。因此系統(tǒng)要求具有快速的采集和傳輸速度和具備良好的抗干擾能力。最后考慮系統(tǒng)集成的要求，盡量采用模塊化、小型化、低功耗的設計方式。

1.3 系統(tǒng)組成

本文所實現的地震動數據采集如圖1所示，它主要由以下八個部分組成：地震動傳感器（陣列）、信號調理電路、A/D轉換模塊、CPLD[3]邏輯電路、單片機、無線通信模塊、GPS接收機、PC機虛擬儀器平臺。系統(tǒng)利用ATmega162作為主控制器，CPLD用于產生控制時序，二者相結合協調進行數據的采集與傳輸控制。圖1給出系統(tǒng)的總體設計方案框圖。

圖1 系統(tǒng)總體設計方案框圖

2 模塊設計工作原理

2.1 采集模塊

地震動傳感器（陣列）：本系統(tǒng)在測量端使用低頻拾振器拾取振動信號，并用模數轉換器實現振動參數的模數轉換[4]，可以對多達八通道的地震動信號進行數據采集。工作時，可以根據具體需要來分布八個通道的地震動傳感器，可以將其獨立地離散分布，這樣，八個通道便獨立工作，每個通道負責監(jiān)控一個地點；本系統(tǒng)應用的A/D芯片是MAX1308[5]，該芯片具有八通道可編程配置，可接受數字輸入分別激活每一路通道。

2.2 控制模塊

控制模塊采用單片機Atmega162和Xilinx公司的CoolRunnerII系列的CPLD一一XC2C256相結合的方式進行設計，在CPLD內主要設計了譯碼控制電路和時間同步授時電路兩部分，譯碼控制電路負責控制無線通信模塊的選通與工作狀態(tài)的選擇，時間同步授時電路通過解碼秒級UTC[6]時間信息產生時間同步基準信號，確保系統(tǒng)的各個傳感器的時間能統(tǒng)一到參考的標準時間上。

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊選用挪威Nordic公司的NRF905無線通信單元，工作于433/868/915MHz頻段，內置SPI總線接口和可編程選擇的8/16位CRC校驗，數據傳輸穩(wěn)定，1.9-3.6V的工作電壓，低功耗，待機模式電流消耗僅為2.5μA，發(fā)射功耗11mA-30mA，接收功耗10mA，在l0dbm發(fā)射功率條件下，配置外置鞭狀天線有效通信距離為300m左右。

2.4 GPS接收機

GPS接收機采用瑞士u-blox公司的RCB-4H，以及ANN-MS有源GPS接收天線。利用GPS接收機，可以接收到GPS發(fā)布的導航授時信息并產生精確的1PPS[7]信號傳給同步系統(tǒng)實現時間同步。

2.5 PC機虛擬儀器

PC機作為人機接口，主要任務是通過系統(tǒng)操控軟件發(fā)送測試命令和接收測試數據，并將所有測試節(jié)點的數據進行實時顯示、存儲與處理。

2.6 電源模塊

電源模塊主要由供電電池、電池電量檢測單元和可控電源單元組成，電池電量檢測單元主要通過對供電電池的輸出電壓進行取樣，以獲取電池的實時電量信息，并反饋給數據控制中心，以保證系統(tǒng)能正常工作。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)操控軟件是由具有完善串口數據接收和發(fā)送功能的VisualC++通信控件Mscomm[8]編制，主要分為三個組成部分：參數配置命令界面、控制命令界面和數據回傳命令界面。

圖2 系統(tǒng)軟件設計方案框圖

參數配置命令主要是對數據采集模塊中采樣頻率、內觸發(fā)值、采樣總長度的設置，控制命令界面主要由電源控制管理命令、時間同步命令、時統(tǒng)清零命令、進入睡眠模式命令、數據管理格式化命令等組成。數據回傳命令界面主要由讀電源狀態(tài)命令、讀時統(tǒng)數據命令、讀全部數據命令和數據顯示命令。控制系統(tǒng)電路工作流程如圖3所示，左邊的流程圖a表示主站系統(tǒng)電路串口中斷接收計算機發(fā)送的測試命令，直到接收完測試命令，保存在數組中，并產生一個接收到測試命令標志置為1。右邊的流程圖b表示主站系統(tǒng)電路主程序流程圖，在系統(tǒng)工作開始時，通過初始化設備，配置無線收發(fā)模塊NRF905、啟動并配置GPS接收機模塊，初始化NRF905為接收模式，NRF905一直處在監(jiān)聽外部的無線信號；判斷接收到測試命令標志是否為1，如果為1，再對左邊中斷接收的測試命令一級譯碼，判斷測試命令的功能與類型，如時間同步命令、控制命令、功能模塊的參數配置命令、數據回傳與處理命令等，根據相應的功能與類型打包測試命令并發(fā)送出去；然后主程序進入判斷無線接收標志是否為1，也就是說判斷測試基站是否回傳數據包發(fā)送給PC機，如果為1，表示無線收發(fā)模塊已經接收到測試基站發(fā)送來的數據包，此時無線模塊將數據通過串口傳給PC機進行處理和實時顯示；如果為0，程序返回繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行。

圖3 控制系統(tǒng)電路工作流程圖

4 實際應用及結果分析

該系統(tǒng)應用于地下震動測試系統(tǒng)聯調試驗，能實現分布式測試系統(tǒng)的基本控制、管理、操作等功能。8套裝置分別布置在距爆心0.4米和0.8米處，并且規(guī)律的布置在兩個同心圓上。爆心深度為1.5米，1至4號裝置布置在深度為1米，半徑為0.4米的圓周上，5至8號布置在深度為1.5米，半徑為0.8米的圓周上。PC機控制平臺布置在距爆心50米的掩體內?，F場布設如圖4所示：

圖4 地下爆炸驗證試驗現場布設圖

現場對小劑量炸藥進行爆炸實驗，裝置1測得的數據通過無線模塊NRF905回傳到掩體內的計算機上，經過處理后的裝置1的震動傳感器測得的質點震動速度時間歷史結果如圖5所示：

圖5 爆破震動的實測結果

圖5顯示的曲線完整，說明該測試系統(tǒng)各模塊能夠協同有效的工作，達到了測試系統(tǒng)的總體要求。

5 結論

根據地震動信號的特點，設計了一種具有多點多參數的具有現場處理和無線控制功能的地震動數據采集系統(tǒng)，系統(tǒng)通過AVR單片機與CPLD組合使用，對現場信號進行采集與處理，將測試后的大量數據信息通過無線收發(fā)系統(tǒng)實時地傳到PC機進行處理和顯示，基本上達到了測試系統(tǒng)的要求。

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