一種新型分量式鉆孔應(yīng)變儀數(shù)據(jù)采集單元的設(shè)計及應(yīng)用1

李 濤 陳 征 吳立恒

（中國地震局地殼應(yīng)力研究所，地殼動力學(xué)重點實驗室，北京100085）

引言

RZB系列分量式鉆孔應(yīng)變系統(tǒng)主要包括：井下測量探頭、信號測量主機(jī)、數(shù)據(jù)記錄儀、供電單元4個部分。自上世紀(jì)70年代研制至今（歐陽祖熙等，2004；邱澤華等，2004），經(jīng)過多次測試與改進(jìn)，目前已逐步投入到中國鉆孔應(yīng)變觀測臺網(wǎng)的觀測中，并獲取了大量、連續(xù)的地殼應(yīng)力應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)，為地震預(yù)報、地球動力學(xué)研究積累了豐富的觀測資料。隨著電子測量技術(shù)的不斷進(jìn)步，新的RZB型分量式鉆孔應(yīng)變儀已完成了測量傳感器的數(shù)字化設(shè)計以及測量單元的井下集成，實現(xiàn)了數(shù)字化的測量探頭。本文基于嵌入式工業(yè)控制核心板EM9260為主控平臺，完成了一套新的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主控單元設(shè)計，實現(xiàn)了新型分量式鉆孔應(yīng)變儀數(shù)據(jù)的采集、存儲、傳輸以及遠(yuǎn)程監(jiān)控；設(shè)計了基于24位高精度ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）板，可實現(xiàn)多通道模擬信號的高精度采集。軟件采用 WinCE作為系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺，構(gòu)建了基于C/S結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，完成了Web server、ftp server以及Socket server設(shè)計，可實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程信息共享以及設(shè)備的遠(yuǎn)程維護(hù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計根據(jù)新的RZB型分量式鉆孔應(yīng)變觀測探頭的信號特點，采用分立式模塊化軟硬件設(shè)計，分別完成了數(shù)字總線信號和多通道高精度模擬信號采集與轉(zhuǎn)換、存儲與傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其主要包括采集模塊、主控模塊以及電源模塊三大部分。

1.1 硬件平臺設(shè)計

為了簡化系統(tǒng)設(shè)計，降低開發(fā)成本，設(shè)計中采用了基于32位的ARM的核心模塊EM9260（http：//www. emtronix. com/download/EM9260 data. Pdf，2009）為基礎(chǔ)，完成主控模塊硬件平臺的設(shè)計與開發(fā)。該核心模塊是一款面向工業(yè)自動化領(lǐng)域的高性價比嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊，其內(nèi)核CPU采用工業(yè)級品質(zhì)的AT91SAM9260，模塊已經(jīng)預(yù)裝正版WinCE實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，自帶10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)卡、USB接口、SD卡接口、精簡ISA總線接口以及5個標(biāo)準(zhǔn)UART串口。該模塊不斷接口豐富，其5V/150mA的供電參數(shù)也是其它工控模塊無法比擬的。目前，新的RZB型分量式鉆孔應(yīng)變觀測探頭采用RS485總線作為數(shù)據(jù)的傳輸與控制。本設(shè)計基于核心模塊的UART串口完成RS485總線接口，實現(xiàn)應(yīng)變探頭總線信號的采集與控制。

在模擬信號采集單元部分，單獨設(shè)計了基于24位高精度ADC芯片的多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換單元。使用高性能多路復(fù)用器芯片實現(xiàn)多通道信號切換，完成多通道信號模數(shù)轉(zhuǎn)換。中央控制器（MCU）采用STC系列1T高速單片機(jī)STC12C5410AD（http：//www. mcu-memory.com/data sheet/stc/STC-AD-PDF/STC12C5410AD. pdf，2006），完成對ADC芯片的控制，以及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的計算與傳輸。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用了Analog Devices公司的超低噪聲∑-△ADC芯片 AD7190（http：//www. analog. com/static/imported-files/zh/data sheets/AD 7190.pdf，2009），該芯片可廣泛應(yīng)用于電子稱、應(yīng)變計傳感器、壓力測量、溫度測量、醫(yī)療以及科學(xué)研究儀器中。它除了具有其它高分辨率ADC性能參數(shù)外，在增益為1（G=1）的情況下，可達(dá)22.5位無噪聲分辨率，完全符合設(shè)計中的分辨率需求。圖2為AD采集板原理框圖。

圖2 AD采集板原理框圖Fig. 2 Schematic diagram of the AD board

為了實現(xiàn)單端正負(fù)信號的采集轉(zhuǎn)換，設(shè)計中采用了隔離電源設(shè)計。高精度AD板采用單獨的供電單元，與整個供電系統(tǒng)完全隔離。除了在電源端放置相應(yīng)的旁路電源外，還在模擬供電電源電路上增加了π型電源濾波器，并使用了鉭電容和陶瓷電容結(jié)合的方式作為模擬電源去耦電容。另外，在ADC芯片以及多路復(fù)用器的數(shù)字控制信號線上還增加了合適的小電阻，用以降低數(shù)字電路對模擬電路的干擾，并在模擬輸入端增加了RC低通濾波器，可降低輸入端高頻噪聲。

1.2 應(yīng)用程序設(shè)計

應(yīng)用程序設(shè)計主要包括AD板的數(shù)據(jù)采集與通信程序設(shè)計以及主控單元應(yīng)用程序設(shè)計兩部分。AD采集板的控制芯片為基于 51系列的 STC12C54xx系列芯片，程控軟件開發(fā)平臺采用Keil C51開發(fā)環(huán)境。程序主要包括AD芯片控制、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)傳輸程序三個部分。程序流程如圖3所示。

主控單元是基于安裝正版WinCE系統(tǒng)的工控核心模塊的硬件平臺，支持Embedded Visual C++(eVC)開發(fā)環(huán)境（汪冰，2005）。主控單元程控軟件主要包括：數(shù)據(jù)采集、格式化存儲與傳輸、人機(jī)交換、Socket服務(wù)器、Web服務(wù)器等軟件模塊。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖3 AD轉(zhuǎn)換軟件流程框圖Fig. 3 Flowchart of the AD board

圖4 主控單元應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)框圖Fig. 4 Structure diagram of the main control units and application programs

本程序采用多線程技術(shù)完成數(shù)據(jù)采集、存儲等功能，利用 HTML與 vbScript語言結(jié)合COM組件，實現(xiàn)Web服務(wù)器，完成遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，采用C/S結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)Socket服務(wù)器，完成數(shù)據(jù)傳輸與控制功能。

2 主要參數(shù)測試及應(yīng)用

2.1 實驗室參數(shù)測試

作者對所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集器樣機(jī)的分辨率、線性度等主要參數(shù)進(jìn)行了實驗室測試。在開展分辨率測試時，采用10uV的步長完成了輸入范圍內(nèi)信號采集分辨率測試，由于篇幅所限，圖5只給出了模擬通道第3道在3個電壓輸入?yún)^(qū)間的分辨率測試曲線圖（采集頻率為1Hz），其中，橫坐標(biāo)為信號輸入，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)換輸出，單位均為V。從實際測試曲線結(jié)果可以看出，AD轉(zhuǎn)換采集的最小分辨率低于10uV。

圖5 AD轉(zhuǎn)換分辨率測試結(jié)果Fig. 5 The test results of AD conversion resolution

在開展線性度測試時，采用了步長為0.1V，完成了在輸入范圍內(nèi)信號采集線性度測試。圖6給出了8個模擬通道的線性度測試曲線，其中，橫坐標(biāo)為信號輸入，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)換輸出，單位均為V。從圖6可以看出，在輸入范圍內(nèi)，AD采集單元8個輸入通道的線擬合標(biāo)準(zhǔn)差（SD值）均小于0.002，具有非常好的滿量程線性度。

圖6 AD轉(zhuǎn)換線性度測試結(jié)果Fig. 6 The test results of AD conversion linearity

經(jīng)過實驗室測試，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要參數(shù)達(dá)到了如下預(yù)期指標(biāo)：

（1）模擬信號采集通道：8個；

（2）模擬信號輸入范圍：-2.5V—+2.5V；

（3）AD板實際轉(zhuǎn)換頻率：1Hz；

（4）模擬信號輸入阻抗：＞10MΩ；

（5）有效分辨率：＜10uV；

（6）帶RS485接口，可完成總線數(shù)據(jù)采集；

（7）帶以太網(wǎng)口，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收集與監(jiān)控；

（8）功耗：＜2.5W

2.2 實際應(yīng)用結(jié)果

作者將設(shè)計的數(shù)據(jù)采集器應(yīng)用于中國南北帶RZB分量式鉆孔應(yīng)變觀測臺網(wǎng)，安裝到四川省西昌宏模臺開展實際運行試驗。經(jīng)過1年多的試驗運行，曾經(jīng)出現(xiàn)操作系統(tǒng)啟動失敗的情況，后檢查發(fā)現(xiàn)，是由于WinCE系統(tǒng)在對FAT文件讀寫操作中存在不足而導(dǎo)致，這是由WinCE系統(tǒng)本身驅(qū)動不足造成的。在應(yīng)用程序中修改了WinCE下采集數(shù)據(jù)的存儲方式，基本上可解決該問題。圖7給出了西昌宏模臺實際觀測長周期分鐘數(shù)據(jù)，從中可以看出，記錄到了清晰的固體潮汐。圖8給出了西昌宏模臺秒數(shù)據(jù)記錄到的2013年4月20日8時02分，四川省雅安市蘆山縣境內(nèi)發(fā)生的7.0級地震的同震應(yīng)變地震波。

圖7 四川省西昌宏模臺鉆孔應(yīng)變觀測記錄曲線實例Fig. 7 Borehole strain recorded at Hongmo station in Sichuan

圖8 四川省西昌宏模臺記錄到的四川省蘆山縣7.0級地震的4分量應(yīng)變地震波Fig. 8 Strain seismic wave plot of MS7.0 earthquake in Lushan, Sichuan

3 結(jié)論

經(jīng)過實驗室測試以及實際臺站運行結(jié)果可以看出，本設(shè)計研制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分辨率高、可靠性好、功耗低，可同時采集多通道、高精度數(shù)字總線數(shù)據(jù)及模擬信號，同時能記錄到清晰的應(yīng)變固體潮汐和應(yīng)變地震波，其軟硬件接口以及性能指標(biāo)符合新RZB型分量式鉆孔應(yīng)變觀測系統(tǒng)的需求。其數(shù)據(jù)存儲格式以及傳輸方式也符合地震前兆規(guī)范?；具_(dá)到了設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)，可廣泛應(yīng)用于新型鉆孔應(yīng)變觀測系統(tǒng)。

歐陽祖熙，張宗潤，舒桂班，2004. 中國西部鉆孔應(yīng)變儀臺網(wǎng)工作回顧與前瞻．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，23（23）：4058—4063.

邱澤華，謝富仁，蘇愷之等，2004. 發(fā)展鉆孔應(yīng)變觀測的戰(zhàn)略構(gòu)想. 國際地震動態(tài)，（1）：7—14．

汪冰，李存斌，陳鵬等，2005．EVC高級編程及其應(yīng)用開發(fā). 北京：中國水利水電出版社.