地震監(jiān)測系統(tǒng)的電磁信號的采集設(shè)計與實現(xiàn)

龐瑞濤，雍珊珊，王新安，金秀如，曾敬武，韓朝相

(北京大學(xué)深圳研究生院 集成微系統(tǒng)科學(xué)工程與應(yīng)用重點實驗室，廣東 深圳 518055)

0 引 言

我國是世界上地震災(zāi)害最嚴重的國家之一，能夠在地震發(fā)生前給出預(yù)警，為人民爭取更多的時間準備并逃離震源發(fā)生地，將極大地降低人民生命及財產(chǎn)的損失。電磁輻射是一種在地震發(fā)生前地下巖石破裂面附近出現(xiàn)以壓電效應(yīng)、電子熱發(fā)射為主的電磁脈沖，其作為一種地震前兆信號用于地震短臨預(yù)報已經(jīng)有較多的觀測和研究基礎(chǔ)[1]。然而電磁輻射在傳播過程中是有損耗的，且頻率越高，損耗越大，因此目前的監(jiān)測頻段以超低頻監(jiān)測為主，極低頻和甚低頻也有所覆蓋。

目前地震前電磁異常雖然存在但還不能有效地進行地震預(yù)測，現(xiàn)有儀器多以高性能和高環(huán)境為要求，在設(shè)備的性能穩(wěn)定性、可靠性和一致性等方面存在問題，對安裝成本和安裝環(huán)境要求非常高。同時，現(xiàn)有儀器多為模擬量輸出，與數(shù)據(jù)采集部分是分離的，不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速全頻帶信號采集和遠距離傳輸?shù)囊?。筆者認為，地震電磁異常沒能被有效利用的原因在于設(shè)備的布設(shè)密度不夠，不能充分排除各地地質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異性帶來的異常差異性，而要進行廣泛的布設(shè)就需要有行之有效的、低成本和易安裝的監(jiān)測設(shè)備給予支持[2]。北京大學(xué)提出的多分量地震監(jiān)測系統(tǒng)AETA由地聲傳感探頭、電磁傳感探頭、數(shù)據(jù)處理終端以及云平臺數(shù)據(jù)存儲和分析系統(tǒng)組成，具有低成本、易安裝、監(jiān)測頻段廣等特性，可支撐大區(qū)域的密集布設(shè)。

基于AETA對電磁前兆異常信號的監(jiān)測需求，文中提出了一種電磁信號的實時采集系統(tǒng)并對其進行設(shè)計和實現(xiàn)。系統(tǒng)包括信號調(diào)理和實時采集兩部分，其中原始信號調(diào)理部分采用各種高性能的微電子器件設(shè)計了放大、濾波電路，獲得了高靈敏度的原始信號。實時采集部分針對原始數(shù)據(jù)量大的特點，基于STM32F407設(shè)計了軟件系統(tǒng)，選擇支持百兆數(shù)據(jù)傳輸?shù)腡CP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，實現(xiàn)了與高速以太網(wǎng)通信接口器件W5300的交互，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和穩(wěn)定性[3-6]。同時設(shè)計了遠程自動更新機制，提高了系統(tǒng)的運維效率[7]，減少了人工成本，使得大面積密集布設(shè)成為可能。最后對該系統(tǒng)進行測試。

1 電磁信號采集系統(tǒng)方案

電磁信號采集系統(tǒng)主要包括原始數(shù)據(jù)信號調(diào)理部分、數(shù)據(jù)采集部分及數(shù)據(jù)中心對地面終端進行的遠程升級和參數(shù)配置部分，其中原始數(shù)據(jù)信號調(diào)理部分將采集到的0.1 Hz～10 kHz的原始電磁信號進行放大、磁反饋電路、濾波、次級放大、A/D轉(zhuǎn)換后傳給數(shù)據(jù)采集部分，數(shù)據(jù)采集部分基于STM32F407與W5300的交互將采集到的數(shù)據(jù)打包發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心再對數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理并遠程實時監(jiān)控設(shè)備情況。通過這幾部分，電磁信號采集系統(tǒng)可實時采集到原始的電磁數(shù)據(jù)并通過遠程得到有效的升級和維護。

1.1 信號調(diào)理電路

由電磁傳感器采集的大地電磁信號，需要經(jīng)過放大、磁反饋電路、濾波、次級放大、A/D轉(zhuǎn)換等處理，才能進行下一步的分析。文中設(shè)計的電磁信號處理電路需要處理的電磁信號強度范圍為1～ 1 000 nT，頻帶為0.1 Hz～10 kHz。即使對采用了高磁導(dǎo)率、擁有上萬匝線圈的感應(yīng)式傳感器，當(dāng)電磁信號頻率為0.5 Hz或者更低時，磁場強度為1 nT時感應(yīng)線圈輸出的電壓也低至微伏級，容易淹沒于噪聲之中，要放大至毫伏級信號才便于處理[8]。因此采用了兩級放大，第一級放大主要是為了提高信噪比，第二級放大是為了方便下一步的處理。

根據(jù)感應(yīng)式磁傳感器線圈的幅頻特性和相頻特性，在諧振點處線圈相位會發(fā)生突變現(xiàn)象。為解決相位突變問題、擴展傳感器采集頻帶，在頻率高于1 Hz時電磁傳感器采用磁反饋方法，這樣傳感器在諧振頻率附近較寬的范圍內(nèi)可以獲得平坦的幅頻特性曲線。

電磁傳感器采集的信號經(jīng)過前級放大后，低頻噪聲及失調(diào)電壓和有效信號仍舊一起輸出，所以在放大電路之后需要加入濾波器濾除。根據(jù)設(shè)計要求，所需要處理的信號頻帶在0.1 Hz～15 kHz范圍內(nèi)，采用未放大的通帶內(nèi)平坦、實現(xiàn)簡單的四階巴特沃斯帶通濾波器對前端信號進行帶寬限制[9]。

A/D采用了高速、18位高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8681。ADS8681是一款基于16位逐次逼近寄存器(SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的集成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，工作吞吐量達1 MSPS。對于每個輸入范圍，均可在指定的數(shù)值范圍內(nèi)精確調(diào)整AFE電路的增益誤差和偏移誤差，從而實時、穩(wěn)定地采集原始電磁信號。

1.2 信號采集電路

1.2.1 采集電路框架

信號采集電路的邏輯框架如圖1所示。

圖1 采集電路框架

處理器采用STM32F407。STM32F407是基于ARM Cortex(tm)-M4內(nèi)核的一款32位閃存微處理器。內(nèi)部具有自適應(yīng)的實時加速器模塊ART，含有1 MB大小的FLASH存儲器，192 KB大小的RAM。其主頻高達168 MHz，使得其處理能力達到210DMIPS，且電流消耗僅為38.6 mA。寄存器方面，STM32F407含有一個輸入和一個輸出寄存器，一個Reset寄存器，一個Lock寄存器和兩個功能選擇寄存器。結(jié)構(gòu)清晰，參數(shù)功能設(shè)置獨立，使用方便。STM32F407控制高速以太網(wǎng)通信接口器件W5300將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議傳輸?shù)竭h程數(shù)據(jù)中心。軟件系統(tǒng)主要實現(xiàn)與W5300芯片的交互設(shè)計以及系統(tǒng)升級機制。下面重點講述STM32F407與W5300芯片的交互設(shè)計部分以及基于Bootloader的升級機制[10-13]。

1.2.2 基于STM32F407與W5300的交互實現(xiàn)

系統(tǒng)采用了一種高速以太網(wǎng)通信接口器件W5300，W5300采用常見的+3.3 V和+1.8 V兩種電源方式供電。其中+1.8 V電源為其內(nèi)核系統(tǒng)供電，+3.3 V電源為接口等部件供電。該芯片內(nèi)部集成了10BaseT/100BaseTX的以太網(wǎng)PHY和基于WIZnet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理技術(shù)進行硬件邏輯化的TCP/IP內(nèi)核，內(nèi)含主機接口管理單元、存儲器管理單元、寄存器管理單元以及介質(zhì)接口管理單元，能夠?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)高速數(shù)據(jù)傳輸，滿足了實時監(jiān)測地震的數(shù)據(jù)傳輸量大的需求。

圖2為STM32F407與W5300芯片之間的交互過程框架。

圖2 STM32F407與W5300交互框架

STM32F407與W5300芯片之間的交互主要包括網(wǎng)絡(luò)初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、中斷處理四個過程。

(1)網(wǎng)絡(luò)初始化：首先由STM32F407對W5300進行網(wǎng)絡(luò)初始化，即初始化socket，bind和connect這三個過程。在完成了與地面終端的連接之后，W5300就可以與終端服務(wù)器進行收發(fā)數(shù)據(jù)。

(2)發(fā)送數(shù)據(jù)：STM32F407首先將數(shù)據(jù)發(fā)送到W5300的發(fā)送緩沖區(qū)，由W5300根據(jù)TCP/IP協(xié)議自動將數(shù)據(jù)發(fā)往遠程終端服務(wù)器。

(3)接收數(shù)據(jù)：遠程終端服務(wù)器往設(shè)備下發(fā)數(shù)據(jù)，W5300首先將數(shù)據(jù)接收到接收緩沖區(qū)，然后STM32F407從接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)。

(4)中斷處理：在W5300連接遠程終端服務(wù)器、STM32F407發(fā)送數(shù)據(jù)到W5300接收緩沖區(qū)以及W5300往遠程終端服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中均可能產(chǎn)生中斷，中斷處理部分根據(jù)中斷類型做出不同的處理。整個系統(tǒng)內(nèi)部有兩個中斷源，分別為兼容TCP和UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)芯片W5300和STM32F407內(nèi)置定時器，前者用于網(wǎng)絡(luò)連接和通信，后者為ADC采集的采樣觸發(fā)器。整個軟件系統(tǒng)主要由這兩個中斷源來控制數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。

1.2.3 基于bootloader的自動更新機制

考慮到系統(tǒng)內(nèi)采集軟件存在更新?lián)Q代的可能，增加系統(tǒng)需求或者簡化系統(tǒng)功能。為了保障系統(tǒng)的便利性、安全性、可靠性，降低設(shè)備維護成本，設(shè)計了基于Bootloader的自動更新機制。

圖3為系統(tǒng)自動更新機制的邏輯框圖。

具體升級流程為：

(1)在地面終端的TFTP Server工作目錄下面需要存放兩個軟件升級工作相關(guān)的文件，文件名分別為stm32f407_earthquake_version.txt和stm32f407_earthquake_app.bin，其中version.txt文件是為了控制系統(tǒng)軟件升級，并防止系統(tǒng)上電或復(fù)位時進行反復(fù)升級而設(shè)立的。

圖3 自動更新機制邏輯框圖

(2)在地下信號采集電路板上電或者系統(tǒng)復(fù)位時，Bootloader作為tftp client從地面終端的tftp server下載stm32f407_earthquake_version.txt文件，然后跟存放于STM32F407內(nèi)部FLASH的當(dāng)前的軟件version信息進行比較，如果相同，則跳過升級流程，執(zhí)行應(yīng)用程序。

(3)如果版本信息不相同，則表示需要進行軟件升級，進入系統(tǒng)軟件升級流程。通過TFTP網(wǎng)絡(luò)文件傳輸協(xié)議，Bootloader作為tftp client從地面終端的tftp server下載stm32f407_earthquake_app.bin應(yīng)用程序文件，并將其燒錄到存放應(yīng)用程序的FLASH地址，燒錄完成后，再將本次軟件的version信息也存放在特定的給version分配的FLASH存儲區(qū)域，最后執(zhí)行新的應(yīng)用程序，升級完成。

2 測試結(jié)果

2.1 性能測試

測試所得到的儀器頻響曲線如圖4所示。由圖4可知，在1 Hz～10 kHz范圍內(nèi)，頻率響應(yīng)平坦區(qū)覆蓋100 Hz～4 kHz范圍。證明所設(shè)計的電路基本達到設(shè)計要求。

圖4 電磁探頭頻響曲線

2.2 功能測試

(1)數(shù)據(jù)采集測試結(jié)果。

感應(yīng)式電磁傳感器將采集到的原始電磁信號進行放大、磁反饋電路、濾波、次級放大、A/D轉(zhuǎn)換后傳給數(shù)據(jù)采集部分，數(shù)據(jù)采集部分基于STM32F407與W5300的交互將采集到的數(shù)據(jù)打包發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)中心，在這個過程中，系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中加入了校驗位，保證了數(shù)據(jù)的正確、穩(wěn)定傳輸。圖5為使用原始數(shù)據(jù)所畫的實時波形圖。

圖5 原始數(shù)據(jù)波形圖

(2)軟件升級測試結(jié)果。

設(shè)備上電或者系統(tǒng)復(fù)位時，Bootloader作為tftpclient從地面終端的tftp server下載stm32f407_earthquake_version.txt文件，然后跟存放于STM32F407內(nèi)部FLASH中當(dāng)前的軟件version信息進行比較，如果相同，則跳過升級流程，執(zhí)行應(yīng)用程序。在版本信息不一樣時，執(zhí)行升級程序。如圖6所示，在版本信息不一樣時，使用tftpd32工具和網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手進行測試。tftpd32工具提示如下：其中請求了兩次下載APP鏡像，第一次是探測APP鏡像是否存在于地面終端的tftp server中，如果tftp server中只有version版本文件而沒有APP鏡像文件，要跳過升級過程；第二次才是真正的下載鏡像文件，并燒錄到STM32F407內(nèi)部FLASH中[14-17]。圖6網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工具中黑框部分顯示：Update fireware ok，表示系統(tǒng)遠程升級成功，也說明了系統(tǒng)遠程升級設(shè)計的正確性[18]。

圖6 系統(tǒng)軟件升級調(diào)試圖

3 結(jié)束語

文中實現(xiàn)了電磁原始信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案設(shè)計，為了使系統(tǒng)能夠?qū)崟r傳輸電磁信號并保障系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性，基于STM32F407設(shè)計了與W5300的交互機制以及自動升級機制，使得遠程維護成為可能，減少了設(shè)備維護成本，也使得大規(guī)模布設(shè)設(shè)備成為可能。測試結(jié)果表明，感應(yīng)式磁傳感器的信號調(diào)理系統(tǒng)具有良好的性能指標，采集電路可實現(xiàn)快速采集和傳輸，自動升級功能均正確實現(xiàn)，為進一步的數(shù)據(jù)分析工作打下了堅實的基礎(chǔ)。

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