一種姿態(tài)自校正無(wú)線網(wǎng)絡(luò)地震傳感器的設(shè)計(jì)

張家田+趙紅偉+嚴(yán)正國(guó)

摘 要： 針對(duì)復(fù)雜的地理環(huán)境中地震數(shù)據(jù)采集多采用分布式無(wú)線采集系統(tǒng)，但是地震傳感器布排的隨機(jī)性和不確定性對(duì)地震波數(shù)據(jù)的采集有很大影響的問(wèn)題。提出一種對(duì)加速度傳感器姿態(tài)自校正的方法，其能夠消除傳感器安裝位置的影響，提高地震數(shù)據(jù)質(zhì)量。以C8051F020主控制器為核心，利用MEMS傳感器模塊采集地震波數(shù)據(jù)，通過(guò)Xbee? Pro無(wú)線射頻模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳播，設(shè)計(jì)一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)地震傳感器系統(tǒng)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)采集并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)校正，對(duì)復(fù)雜環(huán)境下地震波數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 姿態(tài)校正； MEMS傳感器； 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)； 數(shù)據(jù)采集； 地震傳感器

中圖分類號(hào)： TN915?34； TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）08?0137?04

Design of a wireless network seismic sensor with posture self?correction

ZHANG Jiatian， ZHAO Hongwei， YAN Zhengguo

（MOE Key Laboratory of Photo Electricity Gas & Oil Logging and Detecting， Xian Shiyou University， Xian 710065， China）

Abstract： Since the distributed wireless acquisition system is mostly adopted for seismic data acquisition in the complex geographical environment， and the layout randomness and uncertainty of the seismic sensor has great influence on the acquisition of the seismic wave data， a posture self?correction method for the acceleration sensor is proposed to eliminate the influence on the installation position of the sensor， and improve the quality of the seismic data. A wireless network seismic sensor system was designed， which takes C8051F020 master controller as the core， uses the MEMS sensor module to acquire the seismic wave data， and adopts the Xbee?Pro wireless RF module to transmit the wireless data. The result indicates that the system can acquire the wireless data and perform the posture correction for the collected data， and has a wide application value in the seismic wave data collection field in the complex environment.

Keywords： posture correction； MEMS sensor； wireless network； data acquisition； seismic sensor

0 引 言

針對(duì)復(fù)雜環(huán)境，由于其地表地形條件和地下構(gòu)造的復(fù)雜性，以及地理環(huán)境的特殊性，使得地震資料的采集非常困難。隨著地震勘探的對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)的地震勘探設(shè)備已經(jīng)不能滿足地震勘探要求，由此也對(duì)地震勘探技術(shù)和設(shè)備的進(jìn)步與發(fā)展提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1?2]。近年來(lái)，隨著MEMS （Micro?Electro?Mechanical System）傳感技術(shù)、無(wú)線通信、片上集成系統(tǒng)（SoC）和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)著地震勘探技術(shù)向著低功耗、低成本、布排量小、擴(kuò)容性好等方向發(fā)展[3]。MEMS加速度傳感器在低頻響應(yīng)和低噪聲方面等要好于傳統(tǒng)的地震檢波器，但是地震傳感器布排的隨機(jī)性和不確定性對(duì)地震波數(shù)據(jù)的采集有很大的影響，如傳感器埋置位置要求較高、振動(dòng)干擾小等[4]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)地震傳感器的校正大多需要外部?jī)x器輔助，在實(shí)際應(yīng)用中給傳感器的布設(shè)帶來(lái)很多不便。例如國(guó)內(nèi)學(xué)者將加速度傳感器安裝在精密光學(xué)分度頭設(shè)備上，通過(guò)對(duì)比傳感器參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，保持加速度計(jì)的敏感軸與分度頭平行來(lái)降低安裝誤差[5]。還有學(xué)者利用精密直角標(biāo)定架的方法對(duì)加速度傳感器進(jìn)行標(biāo)定[6]。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題提出一種加速度傳感器姿態(tài)自校正的方法，基于加速度傳感器自校正方法設(shè)計(jì)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)地震傳感器最終能夠消除加速度傳感器安裝位置的影響。

1 加速度傳感器姿態(tài)校正方法

目前采用的地震勘探主要手段仍然是基于縱波的傳統(tǒng)地震方法，但是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)地震傳感器在實(shí)際布設(shè)過(guò)程中的隨機(jī)性和不確定性，使得地震波采集到的縱波分量出現(xiàn)偏差。本文提出一種基于測(cè)量縱波的加速度計(jì)姿態(tài)自校正的方法，可以自動(dòng)識(shí)別安裝方向和坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)校正，校正后的加速度傳感器能夠消除傳感器安裝位置的影響。

加速度傳感器姿態(tài)校正具體步驟如下：

（1） 識(shí)別安裝方向，選取豎直坐標(biāo)軸

傳感器坐標(biāo)系模擬圖如圖1所示，當(dāng)?shù)卣饌鞲衅靼惭b位置與重力加速的方向夾角為α?xí)r，重力加速度在x，y，z坐標(biāo)軸產(chǎn)生投影分量，存在關(guān)系如下：

選取夾角最小的坐標(biāo)軸為參考方向，即重力加速度投影最大的軸為參考方向。其中Gx，Gy，Gz分別為靜止時(shí)重力加速度在x，y，z軸上分量的模，G為靜止時(shí)重力加速度值；A為Gx，Gy，Gz最大值所對(duì)應(yīng)的軸向，即選取的參考方向；GA為重力加速度在參考坐標(biāo)軸上分量的模。

（2） 坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)校正

由于靜止和運(yùn)動(dòng)時(shí)參考軸向與重力加速度夾角不變，可以推導(dǎo)出靜止時(shí)和運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度數(shù)值存在相似比例的關(guān)系。

坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)模型如圖2所示，G為靜止時(shí)重力加速度值，GA為重力加速度在參考坐標(biāo)軸上分量的模，g為校正后加速度傳感器運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度值，gA為選取參考坐標(biāo)軸處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的加速度值。其中。

分別測(cè)得加速度計(jì)在參考軸靜止和運(yùn)動(dòng)時(shí)兩種狀態(tài)的值GA和gA。由于不變，可以得出：

由式（2）關(guān)系可以得出校正后加速度傳感器在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的數(shù)值g：

式中，為校正系數(shù)，通過(guò)校正系數(shù)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，校正后的數(shù)值減去重力加速度值就能得到的實(shí)際加速度值如下：

由式（4）就可以實(shí)現(xiàn)加速度傳感器姿態(tài)自校正，進(jìn)而將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于加速度傳感器姿態(tài)自校正方法設(shè)計(jì)了具有姿態(tài)校正功能的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)由無(wú)線地震采集單元和上位機(jī)控制單元組成，上位機(jī)控制單元通過(guò)無(wú)線模塊下發(fā)控制命令和接收無(wú)線地震采集單元上傳的采集數(shù)據(jù)，無(wú)線網(wǎng)地震采集單元主要由電源模塊、MCU主控制器模塊、MEMS傳感器模塊和無(wú)線模塊組成。電源模塊為主控制器和各模塊提供3.3 V直流電壓，無(wú)線模塊負(fù)責(zé)采集單元與上位機(jī)的無(wú)線通信，主控制器模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)處理任務(wù)，MEMS傳感器模塊負(fù)責(zé)采集地震波數(shù)據(jù)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)地震傳感器系統(tǒng)框圖如圖3所示。

2.1 MEMS傳感器模塊

系統(tǒng)采用的MEMS傳感器模塊為ADXL343，ADXL343是一款3軸、數(shù)字輸出、低g加速度計(jì)，具有10～13位高分辨率，測(cè)量范圍有±2g，±4g，±8g或±16g可選擇，具有寬電源電壓特性：2.0～3.6 V，具有高度10 000g的抗沖擊能力，工作溫度范圍為-40～85 ℃。它具有體積小，功耗低等特點(diǎn)，芯片內(nèi)部包含一個(gè)嵌入式存儲(chǔ)器管理系統(tǒng)，采用32位先進(jìn)先出（FIFO）存儲(chǔ)器緩沖器，從而將主控制器功耗降至最低。系統(tǒng)通過(guò)SPI接口方式訪問(wèn)加速度傳感器，數(shù)字輸出的數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼形式。

2.2 主控制器接口電路設(shè)計(jì)

選擇C8051F020單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制芯片。該芯片使用Cygnal的專利CIP?51微控制器內(nèi)核，完全兼容標(biāo)準(zhǔn)8051單片機(jī)指令集，工作溫度范圍大，功耗低，具有多種節(jié)能和停機(jī)方式，并且具有豐富的中斷源，可以外接大量的數(shù)字或模擬外設(shè)，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。C8051F020主控制器與外圍接口電路設(shè)計(jì)如圖4所示。主控制器與MEMS傳感器模塊通過(guò)SPI接口方式連接，主控制器與無(wú)線模塊通過(guò)串口方式通信。無(wú)線模塊還支持睡眠工作模式，工作模式的選擇通過(guò)主控制器對(duì)模塊的SLEEP_RQ引腳進(jìn)行控制。

2.3 無(wú)線模塊

系統(tǒng)采用的無(wú)線傳輸方案采用ZigBee技術(shù)，ZigBee技術(shù)是一種近距離、低成本、低功耗、數(shù)據(jù)傳輸安全性高、能自組網(wǎng)的無(wú)線通信技術(shù)[7]。無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)整個(gè)無(wú)線地震傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵組成部分，無(wú)線模塊選用美國(guó)DIGI公司研發(fā)制造的Xbee?Pro無(wú)線射頻傳輸模塊，該模塊具有低功耗、成本低、操作簡(jiǎn)單傳輸可靠、數(shù)據(jù)率低等特點(diǎn)。該芯片的接收靈敏度為-100 dB，供電電壓為2.8～3.4 V，電路設(shè)計(jì)中選用3.3 V供電。

2.4 串口轉(zhuǎn)USB模塊

為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線模塊接收端和上位機(jī)能夠通信功能，選擇接口方便且集成度高的串口轉(zhuǎn)USB接口電路。CP2102芯片能夠?qū)崿F(xiàn)USB端口傳輸端（D-和D+）與無(wú)線模塊串口通信端口（TXD和RXD）之間的數(shù)據(jù)通信。CP2102串口轉(zhuǎn)USB接口電路原理圖如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示，待無(wú)線網(wǎng)絡(luò)地震傳感器野外布排好，系統(tǒng)默認(rèn)為待機(jī)狀態(tài)，上位機(jī)通過(guò)無(wú)線模塊采用廣播方式發(fā)送命令，只有ID號(hào)匹配的傳感器進(jìn)行采集和校正處理命令，地震傳感器等待上傳指令，上傳有效數(shù)據(jù)。

MEMS傳感器采集和自校正程序框圖如圖7所示，首先等待傳感器初始化，讀取傳感器靜止時(shí)3個(gè)軸向的加速度值gx，gy，gz；取gx，gy和gz的絕對(duì)值比較大小，選擇其中最大值的軸向作為參考軸向，然后將最大值作為采集到地震縱波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；傳感器坐標(biāo)軸還具有方向，根據(jù)數(shù)據(jù)的正負(fù)關(guān)系，進(jìn)行方向校正；由傳感器校正方法計(jì)算出校正系數(shù)并保存；讀取傳感器運(yùn)動(dòng)時(shí)的參考軸向數(shù)據(jù)，通過(guò)校正系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)校正換算。

4 實(shí)驗(yàn)分析

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)試后進(jìn)行校正實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中采集靜止時(shí)重力加速度的數(shù)值來(lái)分析校正處理后的結(jié)果，每組數(shù)據(jù)采用取平均值的算法作為本次實(shí)驗(yàn)的采集數(shù)據(jù)。MEMS傳感器數(shù)據(jù)格式為左對(duì)齊，選用±4g測(cè)量范圍，輸出為十六進(jìn)制補(bǔ)碼形式，傳感器分辨率為7.8 mg/LSB。

實(shí)驗(yàn)中將加速度傳感器任意位置擺放，隨機(jī)抽取采集的8組傳感器靜止時(shí)加速度值。傳感器校正后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 采集數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)的平均值為1.051 76 g，接近重力加速度；總體標(biāo)準(zhǔn)偏差的方差為0.000 32，表明數(shù)據(jù)離散度小。所以，地震傳感器自校正算法可以消除加速度傳感器安裝位置的影響。

5 結(jié) 語(yǔ)

為進(jìn)一步提高M(jìn)EMS加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量，必須盡量減小加速度傳感器的測(cè)量誤差，而加速度傳感器安裝誤差對(duì)采集到的數(shù)據(jù)具有很大影響。本文設(shè)計(jì)了具有姿態(tài)自校正功能的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)地震傳感器系統(tǒng)，能夠自動(dòng)識(shí)別安裝方向和對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理，測(cè)量縱波時(shí)能夠消除加速度傳感器安裝位置的影響。系統(tǒng)具有功耗低、成本低、布排方便、擴(kuò)容性好、采集精度高的特點(diǎn)，對(duì)地震勘探領(lǐng)域具有一定的參考價(jià)值。

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