PDS型地震儀自動(dòng)校鐘同步裝置研制
2021-01-07 09:26:18李從慶滕云田王曉美范曉勇湯一翔
大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué) 2021年1期
李從慶 滕云田 王曉美 范曉勇 張 策 湯一翔
1 中國(guó)地震局地球物理研究所,北京市民族大學(xué)南路5號(hào),100081 2 中國(guó)地震局地球物理勘探中心,鄭州市文化路75號(hào),450002 3 中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所,北京市安寧莊路1號(hào),100085
人工源地震方法探測(cè)地殼上地幔結(jié)構(gòu)是了解地球內(nèi)部礦藏資源、認(rèn)識(shí)地球內(nèi)部孕震構(gòu)造和地球動(dòng)力演化過(guò)程的重要途徑。人工源地震測(cè)深利用人工爆破激發(fā)彈性波，通過(guò)地表布設(shè)的地震儀接收來(lái)自地下深部界面的地震波，根據(jù)地震波的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征對(duì)觀測(cè)的地震記錄進(jìn)行分析計(jì)算，從而獲取特定區(qū)域的地殼上地幔結(jié)構(gòu)[1-2]。自20世紀(jì)50年代末以來(lái)，中國(guó)地震局地球物理勘探中心累計(jì)完成深地震測(cè)深剖面近4萬(wàn)km，為地震活動(dòng)區(qū)深部構(gòu)造及其細(xì)結(jié)構(gòu)、大震孕育環(huán)境、發(fā)展構(gòu)造的深部特征研究，地殼和上地慢結(jié)構(gòu)與地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究，火山深部結(jié)構(gòu)探測(cè)研究，油氣生成的深部構(gòu)造環(huán)境研究取得了高質(zhì)量的觀測(cè)數(shù)據(jù)[3]。PDS型地震儀由中國(guó)地震局地球物理勘探中心自主研制，是面向人工地震測(cè)深野外數(shù)據(jù)觀測(cè)的儀器裝備，已累計(jì)生產(chǎn)1 300 臺(tái)套，在歷年來(lái)的野外探測(cè)項(xiàng)目中采集了大量高質(zhì)量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，為防震減災(zāi)事業(yè)作出重要貢獻(xiàn)[4]。近年來(lái)，隨著地球深部探測(cè)研究和地震波理論方法的不斷發(fā)展，也急需將PDS型地震儀應(yīng)用于諸如超密集臺(tái)陣噪聲成像研究、氣槍源人工地震密集臺(tái)陣觀測(cè)等項(xiàng)目的野外數(shù)據(jù)采集工作[5-6]。由于在上述項(xiàng)目的野外數(shù)據(jù)采集中需要采用連續(xù)記錄采集模式，且記錄一般長(zhǎng)達(dá)1～2 個(gè)月，但PDS型地震儀不具備內(nèi)置GNSS實(shí)時(shí)校鐘同步功能，如果在連續(xù)采集模式下工作1～2月的話，其內(nèi)部晶振時(shí)鐘的時(shí)間累積誤差將達(dá)到不可接受的程度。本文研制開發(fā)一種與PDS型地震儀協(xié)同工作的即插即用式自動(dòng)監(jiān)控與校鐘同步裝置，可解決在諸如超密集臺(tái)陣噪聲成像和氣槍源人工地震臺(tái)陣觀測(cè)野外數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中PDS型地震儀在連續(xù)記錄模式下內(nèi)部時(shí)鐘漂移的問(wèn)題，從而保證PDS 型地震儀采集的數(shù)據(jù)資料滿足超密集臺(tái)陣噪聲成像和氣槍源人工地震資料處理對(duì)野外數(shù)據(jù)采集時(shí)間精度的要求。
1 硬件設(shè)計(jì)
PDS型地震儀是一種便攜式一體化數(shù)字地震儀，可通過(guò)端蓋上的航空連接器與PC機(jī)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、參數(shù)設(shè)置以及狀態(tài)查看的操作。本文研制的自動(dòng)校鐘同步裝置僅需插入PDS 型地震儀端蓋上航空連接器插座即可自動(dòng)運(yùn)行。自動(dòng)校鐘同步裝置的硬件設(shè)計(jì)框圖及與PDS型地震儀的電氣連接示意圖如圖1所示。自動(dòng)校鐘同步裝置硬件設(shè)計(jì)由Apollo2超低功耗微處理器[7]、GNSS OEM模塊、GNSS全向螺旋天線、RS-232串口轉(zhuǎn)換芯片、藍(lán)牙通信模塊以及磁控邏輯電路等構(gòu)成。
圖1 自動(dòng)校鐘同步裝置硬件框圖及與PDS型地震儀的電氣連接示意圖Fig.1 Block diagram of time synchronization and automatic control device
1.1 Apollo2微處理器
PDS型地震儀自動(dòng)校鐘同步裝置采用Ambiq Micro公司超低功耗、高性能Apollo2微控制器，內(nèi)置ARM-Cortex-M4核處理器、硬件浮點(diǎn)處理單元和存儲(chǔ)訪問(wèn)保護(hù)邏輯單元，支持32路休眠喚醒中斷，1MB片上Flash代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，超低功耗高速14 bit ADC，電壓比較器和溫度傳感器，6路I2C/SPI主控制器具備128 B Bi-FIFO，2路全雙工UART通信接口。在Active Mode運(yùn)行方式下，Apollo2內(nèi)核工作主頻高達(dá)48 mHz，其sleep mode和deep sleep mod低功耗運(yùn)行模式可更進(jìn)一步降低系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗，工作電源1.755～3.630 V。本設(shè)計(jì)中Apollo2微控制器采用3.3 V電源系統(tǒng)，為確保微處理器內(nèi)核與片上邏輯電路單元可靠上電復(fù)位，nRST 管腳需要4.7 kΩ電阻上拉至系統(tǒng)電源，同時(shí)使用1 nF 膽電容下拉至GND。自動(dòng)校鐘同步裝置以Apollo2 微處理器為核心，控制和處理與PDS 型地震儀的UART 通信命令交互、GNSS 報(bào)文解碼與校鐘同步邏輯、磁控邏輯、藍(lán)牙通信以及LED 狀態(tài)指示等。自動(dòng)校鐘同步裝置Apollo2微控制器硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示。
圖2 Apollo2微控制器硬件電路Fig.2 Schematic diagram of Apollo2 microcontroller
1.2 GNSSS OEM模塊及全向螺旋天線
自動(dòng)校鐘同步裝置通過(guò)接收GNSS 模塊輸出的報(bào)文信息對(duì)PDS 型地震儀進(jìn)行時(shí)間同步與校準(zhǔn)。PDS型地震儀內(nèi)置一個(gè)高精度溫補(bǔ)晶振(TCXO)驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器為地震數(shù)據(jù)采集提供時(shí)間基準(zhǔn),但PDS型地震儀在野外長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)模式下，溫補(bǔ)晶振由于溫度漂移導(dǎo)致的時(shí)間誤差將累積達(dá)數(shù)百ms量級(jí)，嚴(yán)重影響后續(xù)資料處理解釋的精度。該自動(dòng)校鐘同步裝置在插入PDS型地震儀端蓋航空連接器后可與地震儀一同埋置于觀測(cè)點(diǎn)位，實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)不間斷校鐘同步，從而保證數(shù)據(jù)采集精度。自動(dòng)校鐘同步裝置設(shè)計(jì)采用uBlox Max-M8 OEM模塊，靈敏度達(dá)-167dBm，支持接收GPS、Galileo、GLONASS 和BDS四種GNSS系統(tǒng)的導(dǎo)航報(bào)文信息，特別是在野外偏遠(yuǎn)和信號(hào)微弱地區(qū)能確保報(bào)文信息的有效輸出[8]。Max-M8報(bào)文輸出支持DDC和UART接口。本設(shè)計(jì)使用UART通信接口，GP22_RxD用于接收微處理器的初始化配置信息，GP23_TxD用于向微處理器發(fā)送GNSS報(bào)文數(shù)據(jù)幀。在TIMEPULSE信號(hào)上升沿以觸發(fā)Apollo2微控制器中斷的方式完成對(duì)PDS型地震儀內(nèi)部溫補(bǔ)晶振(TCXO)軟件時(shí)鐘的校準(zhǔn)同步。
自動(dòng)校鐘裝置需要與PDS 型地震儀一同埋置于觀測(cè)點(diǎn)位，由于GNSS 電磁信號(hào)在穿越覆蓋土層時(shí)衰減嚴(yán)重，本設(shè)計(jì)采用超高靈敏度GNSS全向螺旋天線[9]，利用LNA濾波器有效消除GSM 和ISM 頻段干擾，平衡式設(shè)計(jì)排除地平面的共模噪聲，可靠保障GNSS信號(hào)的有效接收，從而保障自動(dòng)校鐘裝置對(duì)PDS型地震儀的時(shí)間同步校準(zhǔn)服務(wù)。GNSS全向螺旋天線的輻射方向如圖3所示。
圖3 全向天線輻射方向圖(dBic)Fig.3 Radiation pattern(dBic)
1.3 藍(lán)牙無(wú)線通信
PDS型地震儀在諸如地震背景噪聲超密集臺(tái)陣、氣槍源密集臺(tái)陣野外數(shù)據(jù)采集工作中需要采用連續(xù)觀測(cè)記錄的模式采集數(shù)據(jù)1～2月之久，為了方便野外人員對(duì)地震儀工作狀態(tài)開展巡檢巡查，自動(dòng)校鐘裝置設(shè)計(jì)了藍(lán)牙無(wú)線通信功能，野外工作人員可通過(guò)手機(jī)應(yīng)用軟件便捷地獲取地震儀的工作狀態(tài)和參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)查看波形顯示，一旦發(fā)現(xiàn)有故障可以盡快處置，防止地震數(shù)據(jù)損失。如果需要，也可以對(duì)地震儀修改工作參數(shù)設(shè)置，保證儀器處于最佳數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。本設(shè)計(jì)采用日本Taiyo Yuden公司的EYSHSNZW超小尺寸、超低功耗Bluetooth 5.0模塊，支持2 Mbps通信模式[10]。Apollo2 微控制器通過(guò)SPI接口與藍(lán)牙通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，而手機(jī)應(yīng)用程序發(fā)出的操作命令通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)給Apollo2微控制器，微處理器將請(qǐng)求的狀態(tài)參數(shù)準(zhǔn)備好之后再返回手機(jī)應(yīng)用程序，從而實(shí)現(xiàn)野外操作人員對(duì)PDS型地震儀的操控功能。圖4所示為藍(lán)牙通信模塊電路。
圖4 藍(lán)牙通信模塊電路Fig.4 BLE module cricuit
2 固件程序設(shè)計(jì)
自動(dòng)校鐘同步裝置固件程序分為Apollo2 微處理器固件程序和nRF52382 藍(lán)牙通信固件程序兩個(gè)部分，Apollo2 微處理器面向PDS型地震儀主要完成GNSS報(bào)文信息解碼、同步信息提取、同步邏輯控制、同步反饋狀態(tài)處理等，而nRF52382藍(lán)牙通信固件程序主要通過(guò)BLE 5.0 通信協(xié)議棧完成PDS型地震儀與手機(jī)Android APP 的無(wú)線鏈接通信功能。
2.1 Apollo2微處理器固件程序
Apollo2微處理器固件程序上電運(yùn)行后，首先通過(guò)UART接口完成對(duì)GNSS模塊Max-M8工作參數(shù)的初始化，然后開始處理GNSS模塊以NEMA-0381幀格式輸出的星歷報(bào)文數(shù)據(jù)并提取GNSS時(shí)間服務(wù)信息和經(jīng)緯度數(shù)據(jù)[11]。在TIMEPULSE脈沖信號(hào)上升沿，Apollo2微控制器向PDS 型地震儀發(fā)出校鐘同步控制命令序列以及更新經(jīng)緯度坐標(biāo)信息。GNSS報(bào)文以ASCⅡ碼形式輸出，報(bào)文起始標(biāo)識(shí)為美元符號(hào)“$”,隨后依次為“
自動(dòng)校鐘同步裝置插入PDS型地震儀即可上電自動(dòng)運(yùn)行，在硬件上電復(fù)位后，Apollo2微控制器的固件程序首先要完成2路UART接口和SPI Master 接口的硬件初始化，以及GNSS接收機(jī)模塊的一些軟件初始化工作。隨后，固件程序以中斷方式接收?qǐng)?bào)文信息并利用GPRMC語(yǔ)句判斷當(dāng)前GNSS定位信息是否有效。如果定位有效，則分別解析GPGGA語(yǔ)句和GPRMC語(yǔ)句，提取經(jīng)緯度、高程、日期和時(shí)間信息，經(jīng)時(shí)區(qū)校正后在TIMEPULSE信號(hào)上升沿時(shí)刻完成對(duì)PDS型地震儀的時(shí)間校準(zhǔn)同步。如果磁控邏輯觸發(fā)電平有效，Apollo2微控制器還將運(yùn)行面向藍(lán)牙無(wú)線通信模塊微控制器nRF52382的固件代碼，并通過(guò)SPI接口實(shí)現(xiàn)命令和數(shù)據(jù)的交互，否則直接進(jìn)入休眠，最大限度降低自動(dòng)校鐘同步裝置的靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。待定時(shí)中斷觸發(fā)后，Apollo2微控制器重新喚醒開始新一輪的循環(huán)工作。Apollo2 微處理器固件程序的主體流程如圖5所示。
圖5 Apollo2固件程序流程Fig.5 Flow chart of Apollo2 MCU firmware
2.2 nRF52382藍(lán)牙通信固件程序
自動(dòng)校鐘同步裝置內(nèi)置BLE 5.0藍(lán)牙通信功能可實(shí)現(xiàn)手機(jī)Android應(yīng)用無(wú)線操控PDS型地震儀。為方便實(shí)現(xiàn)BLE 5.0藍(lán)牙通信功能，本設(shè)計(jì)中EYSHSNZWZ藍(lán)牙模塊nRF52382固件程序在Nordic公司S132 Softdevice[12]藍(lán)牙通信協(xié)議基礎(chǔ)上將藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)為一個(gè)SPI Slave設(shè)備。Apollo2微控制器作為SPI Maser設(shè)備與SPI Slave設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)手機(jī)Android APP 對(duì)PDS型地震儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)查詢、實(shí)時(shí)波形回顯以及手動(dòng)校鐘控制等功能。藍(lán)牙模塊nRF52382微控制器固件程序通過(guò)調(diào)用Softdevice提供的nRF API函數(shù)面向Anriond APP實(shí)現(xiàn)應(yīng)用數(shù)據(jù)通信服務(wù)，以及面向Apollo2微控制器的SPI Master控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。
3 樣機(jī)測(cè)試與初步野外實(shí)驗(yàn)
自動(dòng)校鐘同步裝置樣機(jī)研制完成后，首先在室內(nèi)對(duì)其運(yùn)行情況展開測(cè)試，通過(guò)兩臺(tái)一組連續(xù)一周的運(yùn)行比對(duì)觀測(cè)，自動(dòng)校鐘同步裝置運(yùn)行工作穩(wěn)定正常。通過(guò)查看，PDS型地震儀鐘差數(shù)據(jù)記錄均小于1 ms，滿足地震噪聲成像超密集臺(tái)陣野外觀測(cè)的要求。為了進(jìn)一步驗(yàn)證自動(dòng)校鐘同步裝置的性能，2019-05-29～06-12在新密市青屏山超低頻振動(dòng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)開展了PDS型地震儀與國(guó)內(nèi)外幾型地震儀(包括美國(guó)Fairfield公司的Z-land地震儀、GTI公司的Nur-1C地震儀以及國(guó)內(nèi)IES、ESP等地震儀)的比對(duì)實(shí)驗(yàn)。項(xiàng)目組在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)挖掘一個(gè)深約30 cm、面積約1 m2的淺坑，將參與比對(duì)實(shí)驗(yàn)的幾型儀器規(guī)整排列布放于底部基巖上，儀器調(diào)平并設(shè)置統(tǒng)一的工作參數(shù)啟動(dòng)采集，然后沙土回填將儀器掩埋(覆蓋層厚度約5 cm)。為了防止儀器出現(xiàn)故障，特意將每一型地震儀都放置兩臺(tái)同時(shí)參與比對(duì)觀測(cè)。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)各型地震儀讀取的數(shù)據(jù)分析顯示，均工作正常。將Z-land地震儀與插有自動(dòng)校鐘同步裝置的PDS型地震儀數(shù)據(jù)比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)，Z-land地震儀與PDS型地震儀截取相同時(shí)間段的波形記錄完全吻合，證明自動(dòng)校鐘同步裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠且有效(圖6)。
圖6 Z-land地震儀與PDS型地震儀波形對(duì)比Fig.6 Seismic waves comparation between Z-land and PDS seismographs
4 結(jié) 語(yǔ)
本文研制的自動(dòng)校鐘同步裝置是一種與PDS型地震儀協(xié)同工作的即插即用式自動(dòng)監(jiān)控與校鐘同步裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PDS型地震儀在野外數(shù)據(jù)采集中的實(shí)時(shí)時(shí)鐘同步校準(zhǔn)，可消除PDS型地震儀工作在連續(xù)記錄模式下的時(shí)鐘漂移，使得PDS型地震儀可以很好地應(yīng)用于超密集臺(tái)陣噪聲成像和氣槍源人工地震臺(tái)陣觀測(cè)野外數(shù)據(jù)采集。目前，通過(guò)室內(nèi)測(cè)試和野外比對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得了初步結(jié)果，下一步將研究?jī)?yōu)化動(dòng)態(tài)電源管理，增加地震儀的工作電壓監(jiān)測(cè)報(bào)警、儀器狀態(tài)監(jiān)控和校鐘信息日志文件等功能，使得通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通信與手機(jī)Android App 實(shí)現(xiàn)交互操作能力，也將極大方便野外儀器巡檢巡查。
