地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電磁信號(hào)的采集設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張國(guó)華

（陜西省地震局，陜西 安康 725000）

0 引 言

地震會(huì)給人們的生命帶來(lái)巨大威脅，給社會(huì)帶來(lái)危害，不利于社會(huì)的穩(wěn)定。在地震發(fā)生前如果能得到預(yù)警，將可以為人們爭(zhēng)取更多的時(shí)間離開地震危險(xiǎn)地，挽救眾多生命，極大地降低地震帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]?，F(xiàn)在使用的地震前電磁信號(hào)還不能有效預(yù)測(cè)地震，因?yàn)轭A(yù)測(cè)的可靠性和穩(wěn)定性尚存在很多問(wèn)題，對(duì)所使用的環(huán)境和安裝成本也有很高要求。此外，現(xiàn)在的儀器與數(shù)據(jù)采集部分是分離的，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)不能進(jìn)行快速且遠(yuǎn)距離的傳輸[3]。

1 電磁信號(hào)采集設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案

電磁信號(hào)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)終端進(jìn)行的遠(yuǎn)程升級(jí)部分、對(duì)原始數(shù)據(jù)的調(diào)理部分以及對(duì)遠(yuǎn)程系統(tǒng)參數(shù)的配置部分。在原始數(shù)據(jù)的信號(hào)調(diào)理中，會(huì)將采集的0.1～10 Hz的原始電子信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、反饋以及次級(jí)放大后傳輸給數(shù)據(jù)采集部分。新型的電磁信號(hào)采集系統(tǒng)包括信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和信號(hào)調(diào)理兩部分。信號(hào)采集部分為了能夠采集和傳輸所有頻段電磁信號(hào)中的原始數(shù)據(jù)，利用高精度和速度極快的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以支持近百兆的數(shù)據(jù)利用TCP/IP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中。信號(hào)調(diào)理是通過(guò)濾波放大模擬信號(hào)來(lái)處理靈敏度高的原始信號(hào)。通過(guò)一系列的傳輸和整合，電池信號(hào)采集系統(tǒng)完成對(duì)采集的原始電子數(shù)據(jù)的升級(jí)[4]。

1.1 信號(hào)數(shù)據(jù)的電路調(diào)節(jié)

電磁傳感器采集到大地發(fā)出的電磁信號(hào)時(shí)，需要經(jīng)過(guò)一系列處理，并且通過(guò)AD轉(zhuǎn)換把數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)采集部才能進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)。研究中設(shè)計(jì)的電磁信號(hào)的強(qiáng)度在1～1 000 nT，頻率在0.1 Hz～10 kHz。在對(duì)電磁信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，即使感應(yīng)式傳感器的線圈數(shù)有上萬(wàn)匝且采用電磁頻率很高的傳感器，當(dāng)電磁信號(hào)的頻率為0.5 Hz或者更低的時(shí)候，感應(yīng)線圈磁場(chǎng)所輸出的電壓也很低，易被淹沒(méi)在線圈的噪聲里，因此需要對(duì)其進(jìn)行放大才能進(jìn)行處理。本文設(shè)計(jì)的電磁信號(hào)采取兩種放大模式，第一層次上的放大是為了減小噪音的信號(hào)，第二層次上的放大是為了更好地進(jìn)行下一步的處理。

感應(yīng)式磁傳感器的線圈在振點(diǎn)處有時(shí)會(huì)發(fā)生信號(hào)中斷。為了擴(kuò)大傳感器的采集力度，解決這些突發(fā)問(wèn)題，在傳輸?shù)碾姶判盘?hào)的頻率大于1 Hz時(shí)，傳感器利用反饋的傳輸方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸時(shí)傳感器可以在較寬的范圍和頻率上進(jìn)行曲線傳輸[5]。電子傳感器接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)放大后，需要對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾。根據(jù)設(shè)計(jì)相關(guān)要求，要處理的信號(hào)需在0.1～15 Hz，并對(duì)前端信號(hào)的傳輸加以限制[6]。ADS8681是一個(gè)集成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確調(diào)整所要輸入的范圍，避免電路發(fā)生偏移，從而使傳輸信號(hào)更加穩(wěn)定。

1.2 信號(hào)采集電路

處理器采用SYM32F407，內(nèi)部具有實(shí)用性強(qiáng)的加速器模塊，且包括1 MB的Flash存儲(chǔ)器，192 kB的RAM。處理器的主頻高達(dá)168 MHz，因此處理器的數(shù)據(jù)處理速度很快。SYM32F407處理器包含一個(gè)輸出寄存器和一個(gè)輸入寄存器。數(shù)據(jù)通過(guò)SYM32F407轉(zhuǎn)換后，可以通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳送到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)控制中心。W5300的芯片與SYM32F407之間存在一定的交互，通過(guò)高速以太網(wǎng)通信接口實(shí)現(xiàn)。W5300使用的是兩種常見(jiàn)的供電方式，分別是+3.3 V的電源和+1.8 V的電源。其中，+3.3 V的電源為數(shù)據(jù)處理的接口部位供電，+1.8 V的電源為系統(tǒng)的內(nèi)核供電。該芯片通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理技術(shù)中的管理單元和寄存器的管理單元實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的高速數(shù)據(jù)傳送，從而使地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸量達(dá)到最大，實(shí)時(shí)性更高。網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，SYM32F407先對(duì)W5300進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化。初始化過(guò)程分為socket、connect以及bind共3部分。SYM32F407與地面終端完成連接后，W5300即可與終端數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行連接收發(fā)數(shù)據(jù)。

1.3 自動(dòng)更新程序

地震系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)部所要使用的軟件都可以進(jìn)行更新，且在特定的環(huán)境下需要簡(jiǎn)化和增加系統(tǒng)功能，使系統(tǒng)更加完善。為了使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在可靠性、安全性以及便利性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)成本，自動(dòng)更新機(jī)制的設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。系統(tǒng)具體的工作流程如圖1所示。

在地面終端需要存放兩個(gè)與升級(jí)工作相關(guān)的文件，分別命名為以VersIon.txt結(jié)尾和以app.bin結(jié)尾的文件。在升級(jí)過(guò)程中，VersIon.txt文件的建立是為了監(jiān)控系統(tǒng)軟件的升級(jí)，防止系統(tǒng)在復(fù)位時(shí)反復(fù)進(jìn)行升級(jí)。首先，在地下的連接器上采用電路板上電，或者在系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位時(shí)從系統(tǒng)的地面終端下載VersIon.txt文件，后存放到SYM32F407內(nèi)部的Flash軟件中并進(jìn)行比較。如果流程和內(nèi)容相同，跳過(guò)該升級(jí)流程，執(zhí)行相應(yīng)的應(yīng)用和程序。如果所要升級(jí)的軟件的版本信息不一致，那么表示軟件在升級(jí)過(guò)程中并沒(méi)有按照系統(tǒng)規(guī)定的升級(jí)流程進(jìn)行升級(jí)。其次，網(wǎng)絡(luò)文件的傳輸協(xié)議要通過(guò)VersIon.txt文件從地面終端進(jìn)行下載，從app.bin文件里查找相應(yīng)的程序文件，并且將相應(yīng)的文件存放到Flash地址的應(yīng)用程序中。下載完成后，再次將軟件中的信息放在特定的Flash存儲(chǔ)區(qū)域。最后，打開并且執(zhí)行更新完成后的程序，如果軟件能夠順利打開，則表示已完成系統(tǒng)的升級(jí)。

圖1 自動(dòng)更新機(jī)制框圖

2 功能測(cè)試

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能測(cè)試

從圖2可以看出，在1 Hz～10 kHz范圍內(nèi)，傳輸信號(hào)的頻率響應(yīng)范圍可以覆蓋到平坦區(qū)的100 Hz～4 kHz，進(jìn)一步證明了設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)電路達(dá)到了電磁信號(hào)傳輸規(guī)定的要求。

圖2 電磁探頭的頻響曲線

2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)

在地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，感應(yīng)式的電磁信號(hào)傳感器會(huì)把采集的數(shù)據(jù)信號(hào)，通過(guò)一定的處理和計(jì)算進(jìn)行磁反饋、放大、次級(jí)放大以及濾波處理傳送到數(shù)據(jù)采集部，然后將其發(fā)送到數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程控制中心。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)會(huì)在原始數(shù)據(jù)中加入校驗(yàn)位，從而保證數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

2.3 軟件升級(jí)的測(cè)試結(jié)果

監(jiān)測(cè)設(shè)備在進(jìn)行復(fù)位或者上電時(shí)，從地面終端的一文件里下載Bootloader。下載完成后，下載的內(nèi)容將存放到SYM32F407內(nèi)部的一個(gè)Flash軟件中。然后，把下載好的軟件與version文件里所存儲(chǔ)的軟件信息進(jìn)行比較。如果數(shù)據(jù)和信息都相同，那么升級(jí)流程可以直接跳過(guò)，執(zhí)行下一步相應(yīng)的應(yīng)用程序；如果兩者比較后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息不一致，需執(zhí)行相應(yīng)的升級(jí)程序。完成上述過(guò)程后，網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工具的窗口如果顯示update fireware ok，表明顯示系統(tǒng)在遠(yuǎn)程控制中升級(jí)成功，也證明了系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制升級(jí)設(shè)計(jì)的正確性。

3 結(jié) 論

本次設(shè)計(jì)和討論實(shí)現(xiàn)了對(duì)原始電磁數(shù)據(jù)信號(hào)的設(shè)計(jì)和采集，能夠使地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳遞數(shù)據(jù)和信息，并且在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中保證了傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，一定程度上減少了設(shè)備的運(yùn)維成本，能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的安裝和布置。經(jīng)過(guò)一定的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試證明，感應(yīng)式傳感器在特殊的工作狀態(tài)下具備良好的性能，系統(tǒng)的自動(dòng)升級(jí)功能也能正常進(jìn)行，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，促進(jìn)了地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電磁信號(hào)的采集與實(shí)現(xiàn)。