陸地聲納無線采集傳輸系統(tǒng)的設計與研究

許亮

摘要：無線傳輸?shù)募夹g已經相當成熟，將無線傳輸?shù)墓δ芗尤氲疥懙芈暭{儀中，可以克服許多在施工過程中遇到的困難，并且能夠降低設備的成本。文章主要研究陸地聲納無線采集傳輸?shù)挠布枨?，并對陸地聲納無線采集傳輸系統(tǒng)進行設計。

關鍵詞：陸地聲納：k60；無線采集傳輸

地震勘探是從勘查石油的需要應運而生的，經過幾十年的發(fā)展技術已經相當成熟。然而在20世紀其運用到淺層探查時卻遇到了諸多困難，為了克服這些困難，陸地聲納法便應運而生。作為一種新的物探方法，經過30多年的發(fā)展，經過大量工程和推廣單位的應用實踐，不斷地改進發(fā)展而變得成熟起來。陸地聲納儀是根據(jù)陸地聲納法而建造的儀器，其經過4代的發(fā)展，儀器具有靈活的軟硬件配置能力，能夠適應復雜的作業(yè)環(huán)境，具有防水、防潮、防塵、抗震等特點。

當前陸地聲納主要使用有線的方案將擊震錘產生的信號、傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸給主機。使用這種有線的方式能夠快速地將數(shù)據(jù)傳輸給主機，并且具有抗干擾能力強、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)安全可靠等特點。然而在某些特殊的施工環(huán)境下會遇到一些困難，例如隧道施工。隧道施工環(huán)境復雜，容易發(fā)生塌方、涌水、涌泥、巖爆等地質災害。隧道地面上到處是施工過程中炮轟產生的小碎石，很鋒利。在這樣的環(huán)境下工作，極易將激震錘和傳感器和PC端的連接線劃破。由于傳感器較小，與傳感器相連部分的線纜較細，容易拉斷，因此，需要有專門的人員托著線纜。在激震錘錘擊激震桿的時候，在一些情況下，有可能錘擊到線纜，將線纜錘斷。這些都是在現(xiàn)場施工時所遇到的一些困難。為了解決這些困難，就需要研究無線采集傳輸?shù)姆桨?，本文就陸地聲納無線采集的關鍵問題進行研究。

1 芯片選取

陸地聲納法的全稱是陸上極小偏移距（震一檢距）超寬頻帶彈性波反射連續(xù)剖面法，其精華在于超寬頻帶的激發(fā)和接收和近于零的極小震一檢距。其接收系統(tǒng)常用于接收IOHz-4kHz寬的頻帶，最高可接收6kHz的地震信號，并且接收系統(tǒng)不放大也不壓制任何頻率的波，因此錘擊震源激發(fā)的子波就可以滿足其需求。根據(jù)奈奎斯特定律可以知道要想通過數(shù)字信號無失真地恢復模擬信號，采樣頻率必須大于等于信號最高頻率的2倍。因此若想無失真地恢復模擬信號，采樣頻率最小必須達到12kHz，為了保證實驗采樣的精度，每個周期至少采集10個樣點，采樣頻率最低為60kHz，采集頻率遠遠超過信號最高頻率的2倍，因此在理論上可以無失真地恢復原始的模擬信號。

本文選擇飛思卡爾公司的MK60DN512ZVLoio微處理器芯片作為主控芯片，該芯片采用ARM中Cort exM4架構，提供了優(yōu)良的性能。K60內核提供了1.25DMIPS/MHz的DSP指令，高達32位的DMA可以盡可能地減小CPU干預。為了減小功耗，K60提供了10種低功耗操作模式通過優(yōu)化外設執(zhí)行和喚醒時間來延長電池壽命。陸地聲納法要求采集三道信號，因此本文選擇ADXL335三分量模擬傳感器，用于傳送激振錘激發(fā)的彈性反射波信號。在實際采集過程中為了保證數(shù)據(jù)的有效性，一般在每道信號上采集5000個點，一種需要15000個點，每個點需要2Byte用于存儲信號，一共至少需要30KB的存儲空間來存儲需要的數(shù)據(jù)。在采集過程中，由于采集的速度非常快，因此需要DMA技術將采集到的數(shù)據(jù)及時保存到內存中，K60支持16通道DMA控制器，支持高達63個請求源，能夠滿足DMA需求。并且K60還提供128KB的RAM，遠遠大于30KB的需求。K60提供可編程延時模塊（PDB），將PDB配置成B2B （Back ToBack）模式，該功能用于實現(xiàn)三道信號同時采集的需求。采集到振動信號數(shù)據(jù)之后需要將數(shù)據(jù)以無線的方式傳輸出去，本文選擇2.4G無線技術來滿足需求，因此選擇nRF24LOI+芯片作為傳輸模塊。通過分析陸地聲納儀有線采集的方案可知，只需要進行兩點之間的數(shù)據(jù)傳輸即可，因此不需要復雜的傳輸協(xié)議就可以滿足傳輸需求。nRF24LOI+芯片提供增強型的Shock Burst模式，在該模式下能夠使雙向鏈接協(xié)議執(zhí)行起來更為容易、有效，并且在發(fā)送方能夠檢測有無數(shù)據(jù)丟失，一旦數(shù)據(jù)丟失，可以通過發(fā)送功能將丟失的數(shù)據(jù)恢復。在增強型的Shock Burst模式下空中傳輸時間很短，可以極大地降低無線傳輸?shù)呐鲎铂F(xiàn)象。nRF24LOI+芯片傳輸協(xié)議簡單，功耗很低，完全滿足設計需求。

2 系統(tǒng)設計

陸地聲納法使用激振錘錘擊激震桿的方式產生震源，為了方便使用者操作，需要盡量減少激震錘與激震桿之間的連線。因此，設計將激震桿和采集設備以及發(fā)送設備放到一個模塊當中，激震錘只起錘擊作用。為了滿足該需求，本文額外需要一個震動傳感器，該傳感器的作用就是當激震錘錘擊激震桿產生振動時，給A/D轉換一個觸發(fā)信號，開始進行轉換。

本文以飛思卡爾的芯片MK60DN512ZVLoio為控制中心，將三分量傳感器和震動傳感器都與其相連，接著再將震動傳感器與激震桿固定在一起。當激震錘擊打激震桿時，產生震源的同時震動傳感器會感應震動產生一個信號，將信號給與A/D轉換器，A/D轉換接收到觸發(fā)信號開始進行A/D轉換并使用DMA技術將采集到的數(shù)據(jù)存儲到內存中，然后使用無線發(fā)射模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)射出去。無線采集模塊的總體設計如圖1所示。

3 芯片配置中的關鍵問題研究

由于陸地聲納法的需要，在進行A/D轉換時需要盡可能快地將模擬信號轉換為數(shù)字信號。A/D轉換主要包括采樣、量化和編碼3個組成部分，采樣（抽樣）是利用采樣脈沖序列p（t）從模擬信號x（t）中抽取一系列離散樣值，使之成為采樣信號x（n△t）（n=O，l，2，…）的過程?！鱰稱為采樣間隔，其倒數(shù)稱l/△t=fs為采樣頻率，采樣頻率的選擇必須符合采樣定理要求。在上述論述中可知，實驗用的采樣頻率遠遠大于信號最大頻率的2倍，符合采樣定理。不同的芯片，ADC采樣轉換的時間依賴不同，k60的采樣轉換的時間主要由采樣時間、MCU總線頻率、轉換模式、高速配置和轉換時間頻率決定。本文可以根據(jù)以下公式進行計算：

Conversion Time=SFCAdder+AverageNum×（BCT+LSTAdder+HSCADDER）

其中，SFCAdder是單端或者第一次持續(xù)轉換的時間。

AverageNum是均值因子（1，4，8，16，32）。

BCT是基本轉換時間。

LSTAdder是長采樣額外時間。

HSCADDER是高速轉換額外時間。

k60芯片的總線時鐘頻率最高為50MHZ，將AD設置成16位采集模式，輸入時鐘設置成總線時鐘，分配比率為8，硬件平均因子設置為l，禁用硬件均值功能，設置為短時采樣。通過以上配置根據(jù)公式可以計算出最短采樣時間為0.7us，能夠滿足需求。

為了滿足陸地聲納信號的三道連續(xù)采集，需要利用k60芯片的PDB模塊的B2B模式?？删幊萄訒r模塊（PDB）可以為內部或外部觸發(fā)源提供可控制的延時，可以為ADC的硬件觸發(fā)輸入或為DAC的產生提供可編程的間隔。這樣就可以為ADC轉換和DAC輸出的完成提供精確的時間。PDB模塊有多達8路的可配置PDB通道，每一個PDB通道對應一個ADC，每一個觸發(fā)傳輸對應一個ADC硬件觸發(fā)。本文需要將PDB模塊配置成B2B（Back to Back）模式，此時，ADC轉換完成之后會立即觸發(fā)下一個PDB通道，于是PDB通道會產生一個預觸發(fā)信號并產生通道觸發(fā)輸出，以便啟動下一個ADC轉換。采用PDB模塊能夠滿足連續(xù)采集三道信號的需求，并使采集結果變得準確，使軟件編程變得簡潔。

4 結語

通過研究陸地聲納有線采集的工作方式，選取本文所需要的硬件設備以便滿足需求。通過對陸地聲納無線采集傳輸系統(tǒng)的研究，不僅能解決實際施工中所遇到的問題，還可以簡化設備，節(jié)約成本。endprint