畢業(yè)設(shè)計26成都理工大學(xué)工程地震儀數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的研制

成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） I 工程地震儀 數(shù)據(jù)采集 與 傳輸系統(tǒng)的研制 作者 姓名 :王洪輝 專業(yè) :信息工程 (電子方向 )2003050107 指導(dǎo)教師 :羅運(yùn)先 摘 要 地震勘探儀器是集傳感技術(shù)、電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、通訊技術(shù)等為一體的綜合系統(tǒng)。 工程 地震勘探 主要用于解決 礦山、鐵路 、建筑 等各種工 程地質(zhì)問題。隨著工程勘探的不斷深入， 勘探環(huán)境日益復(fù)雜，由此帶來數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐栴}。論文針對數(shù)據(jù)采集和傳輸環(huán)節(jié)相關(guān)技術(shù) 進(jìn)行研究，其主要內(nèi)容包括： (1) 分析目前工程地震儀存在的問題和不足，提出研究方向和思路 ； (2) 數(shù)據(jù) 采集 部分采用 24位 A/D轉(zhuǎn)換器， 設(shè)計 了 其 外圍接口電路 ； (3) 采用 nRF無線收發(fā)集成芯片設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸單元， 實(shí)現(xiàn)工程地震數(shù)據(jù)的無線傳輸 ； (4) 完成了工程地震數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)調(diào)試 。 上述研究成果，對于 便攜式工程地震儀的研制打下堅實(shí)基礎(chǔ)。 一些技術(shù)還可應(yīng)用于其他信號采集和信號處理領(lǐng)域。 關(guān)鍵詞 ： 工程地震 儀 ， 數(shù)據(jù)采集， 數(shù)據(jù)傳輸 ， 便攜式 。 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） II Development of the Data Acquisition & Transmission System of the Engineering Seismograph Abstract： The seismic exploration instrument is a system including sensor technology, electronic technology, computer technology, data transmission, communication technology. The engineering seismic survey is mainly aimed to solve the engineering geological problem such as mine, railway and architecture. As the advance of engineering seismic survey, the circumstance of the exploration is more and more complex. The problem is that there is a great amount of data which needs to be acquired and transferred. The research is on the interrelated technology concerned with data acquisition and transmission. The main contents are as followings. (1) The problem and lack of the engineering seismic instrument at present are analyzed and research ways are put forward; (2) The signal sampling element adopts the 24bits analog to digital converter and the peripheral interface circuit is designed; (3) The data transmission element adopts the nRF single chip transceiver and realizes the wireless transmission of the engineering seismic data; (4) The debugging of the engineering seismic data gathering and transfer system has completed. The above research achievements have established the basis of the portable engineering seismic instrument and some of the above research could be applied not only in engineering seismic exploration but also in related signal exploration and communication area. Keywords: Engineering seismic instrument， Signal acquisition, Signal transmission, Portable.成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 目 錄 第 1 章 引 言 . 1 1.1 課題研究意義 . 1 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 . 2 1.3 儀器功能特點(diǎn) . 3 1.4 研究內(nèi)容及方法 . 4 1.4.1 目 前工程地震儀存在的問題 . 4 1.4.2 本論文研究內(nèi)容及方法 . 4 1.5 論文結(jié)構(gòu)安排 . 4 第 2 章 系統(tǒng)方案設(shè)計 . 6 2.1 系統(tǒng)總體方案 . 6 2.2 地震檢波器簡介 . 7 2.2.1 動圈式地震檢波器 . 7 2.2.2 壓電式檢波器 . 7 2.2.3 渦流地震檢波器 . 7 2.3 數(shù)據(jù)采集方案 . 8 2.4 數(shù)據(jù)傳輸方案 . 9 第 3 章 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計 . 10 3.1 - 模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù) . 10 3.1.1 過采樣技術(shù) . 10 3.1.2 數(shù)字濾波及采樣抽取技術(shù) . 12 3.1.3 轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)概述 . 12 3.2 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADS1271 簡介 . 14 3.2.1 ADS1271 特點(diǎn)與工作方式 . 14 3.2.2 ADS1271 數(shù)據(jù)輸出模式 . 16 3.3 A/D 采集硬件電路設(shè)計 . 18 3.3.1 單元硬件方框圖 . 18 3.3.2 參考基準(zhǔn)電壓設(shè)計 . 19 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 3.3.3 輸入信號調(diào)理電路設(shè)計 . 19 3.3.4 系統(tǒng)時鐘設(shè)計 . 20 第 4 章 無線數(shù)據(jù)傳輸單元設(shè)計 . 21 4.1 傳輸方式比較 . 21 4.1.1 現(xiàn)有傳輸方式概述 . 21 4.1.2 無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶岢?. 22 4.2 nRF 系列芯片簡介 . 22 4.2.1 nRF 芯片技術(shù)特點(diǎn) . 22 4.2.2 基于 nRF 系列芯片的實(shí)驗(yàn)性能比較 . 23 4.2.3 nRF905 電路結(jié)構(gòu)與工作原理 . 23 4.3 無線數(shù)據(jù)傳輸硬件電路設(shè)計 . 25 第 5 章 軟件設(shè)計實(shí)現(xiàn) . 26 5.1 軟件開發(fā)環(huán)境 AVR Studio . 26 5.2 AVR Studio 開發(fā)流程 . 26 5.3 ADS1271 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計 . 30 5.4 nRF905 無線傳輸軟件設(shè)計 . 31 第 6 章 實(shí)際測試 . 36 6.1 ADS1271 數(shù)據(jù)采集測試 . 36 6.2 nRF905 數(shù)據(jù)傳輸測試 . 37 6.3 時鐘同步測試 . 40 結(jié) 論 . 41 致 謝 . 42 參考文獻(xiàn) . 43 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第 1 章 前 言 1.1 課題 研究意義 地震勘探是地球物理勘探中重要的方法之一，與其他物探方法相比，其優(yōu)點(diǎn)是精度高、分辨率高、穿透深度大，對有彈性差異的成層性好的地質(zhì)體特別有效，因而廣泛應(yīng)用于石油、 天 然氣、煤田、鹽巖礦床的勘探， 并 取得了極大的成效 ；其次在尋找地 下 水資源、建設(shè)大型建筑物、水壩、公路鐵路、港口等 工 程勘 測和地殼探測中也起重要作用 7。在地震勘探中，根據(jù)探測對象和應(yīng)用目的的 不 同，分為淺層地震勘探和中、深層地震勘探。淺層地震勘探常被用于進(jìn)行 “水、 工 、環(huán) ”(水文、 工 程與環(huán)境 )地質(zhì)調(diào) 查 ，而主要用于解決諸如 工 程地質(zhì)填圖、建筑、水利、電力、礦山、鐵路、公路、橋梁、港口、機(jī)場等各種 工 程地質(zhì)問題，因此被稱為 工 程地震勘探 2。 地震勘探最早出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 20 年代，當(dāng)時利用 折射 波法找到了大量淺的鹽丘， 從 30 年代起， 折射波法和反射波法應(yīng)用于找煤和尋找石油、天然氣 ； 二戰(zhàn)后，隨著工程建設(shè)項(xiàng)目的大量興起，地震勘探在土木工程、礦山 工程、交通工程以及其他工程地質(zhì)中得到應(yīng)用和發(fā)展 。 70 年代后期，淺層地震勘探已廣泛應(yīng)用于水利工程建設(shè)、工業(yè)建設(shè)、道路建設(shè)和民用建設(shè)等各個部門 13。 80 年代以來，我國民用建筑事業(yè)得到了飛速發(fā)展 2。高層建筑、高速公路、地下鐵道以及橋梁、機(jī)場、水壩、核電站等種類繁多的高標(biāo)準(zhǔn)工程建設(shè)項(xiàng)目日益增多。正是由于這些工程建設(shè)的需要，淺層地震方法技術(shù)得到了迅速發(fā)展。出現(xiàn)了許多新的勘探技術(shù)和方法 。例如： 縱橫波速測試技術(shù) (PS 波測井 )，而波頻譜法(瑞雷波勘探 )，地震波 CT 技術(shù)，樁基測試技術(shù)，垂直地震剖而法，微動觀測等。這 類方法 由 淺震勘探發(fā)展而來， 不 要求更多道數(shù)。淺震勘探折射波法、反射波法、透過波法常用通道數(shù)為 24、 48、 96 道勘探。而淺震的這些新方法新技術(shù)所需道數(shù)通常為 1(樁基測試 )， 3(縱橫波速測量，地脈動觀測 )， 6-12(瑞雷波勘探 )。這就為更少道數(shù)， 更小體積的工 程地震儀提供了發(fā)展空間。 本課題組 針對這種需求提出開發(fā)一種 基于 PC 機(jī)的 工程地震儀系統(tǒng) ，實(shí)現(xiàn)淺層地震波的大動態(tài)范圍、高精度采集 、 顯示 、 存儲 和處理 。 力求在技術(shù)指標(biāo)上相成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 對國內(nèi)目前水平有一個較大的提高，基本上達(dá)到國際研究水平。該課題的實(shí)現(xiàn)勢必 對 我國 淺層地震勘探的發(fā)展產(chǎn) 生積極 影響，對于推動相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步帶來積極意義 。 1.2 國內(nèi)外 發(fā)展現(xiàn)狀 地震勘探儀器發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)有五六十年的歷史，經(jīng)歷了五代的變化。它們依次是：模擬光點(diǎn)記錄地震儀、模擬磁帶記錄地震儀、數(shù)字磁帶地震儀、早期遙測地震儀、 24 位遙測地震儀，現(xiàn)在已開始進(jìn)入全數(shù)字遙測地震儀時代 1 58 11。 國際上對地震勘測儀器的研究主要集中在多道，高精度，高速等幾個方面。在多道方面由于采用遙測技術(shù)，其測試通道大大提高，目前已經(jīng)達(dá)到 4096 道的水平，正向萬道的目標(biāo)邁進(jìn)。在精度方面受限于電子技術(shù)，還是停留在 24bit 的水平上，但是其系統(tǒng)分辨率有較大的提高。在高速采集領(lǐng)域，已經(jīng)達(dá)到 10us 的采樣速度。國內(nèi)除了遙測系統(tǒng)有較大的差距外，其余部分也基本與國際水平同步。 目前，國內(nèi)外各個探區(qū)都以 24 位 ADC 儀器作為絕對主體 。 生產(chǎn)儀器的廠家主要有：法國的 SER-CEI 公司、美國的 I/0(Input/Output)公司、加拿大的 Geo-X公司；另外還有美國的 Seismic Instrument、 FAIRFIEI D、 GEOM ETRICS、 TERRAI OC、日本的 JGI 和 OYO 公司 、 英國的 VERBITCH 以及德國的 DMT 等公 司 。由于制造工藝好、采用技術(shù)先進(jìn)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)、穩(wěn)定性和可靠性得到了很大的提高；瞬時動態(tài)范圍達(dá)到 120dB，等效輸入噪聲在 l ms 采樣和 0dB 增益時小于 1600 nVRMS。 畸變指標(biāo)達(dá)到 0.0001 0.003 。 系統(tǒng)規(guī)模 (如道能力 )和軟 /硬件功能更為強(qiáng)大，而體積更小、使用更為方便 。 目前，國內(nèi)外地震勘探領(lǐng)域使用的儀器幾乎由 Sercel、 I/O 和 GE0X 三家大公司所壟斷 24 27。 使用的工程地震儀主要有美國 Geometries 公司的 RS 和風(fēng)系列地震儀 ， 德國Sumit 公司 DMT 地震儀，以及國內(nèi)重慶地質(zhì)儀 器廠、西安地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的地震儀，水電科研所的 SWS 系列面波儀和 Geopen 公司的地震儀。 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 表 1-1 各代地震勘探儀器數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)對比 地震儀器時代 地震儀器名稱 核心技術(shù)與器件 傳感器（檢波器）信號輸出 小線信號傳輸 大線信號傳輸 主機(jī)系統(tǒng)記錄 第一代 模擬光點(diǎn)記錄地震儀儀 電子管、分立元器件、全模擬信號并行傳輸 模擬輸出 模擬傳輸 模擬傳輸 模擬記錄 第二代 模擬磁帶記錄 地震儀 電子管、分立元器件、全模擬信號并行傳輸 模擬輸出 模擬傳輸 模擬傳輸 模擬記錄 第三代 數(shù)字磁帶記錄 地震儀 集成電路邏輯控制技術(shù)模擬傳輸，數(shù)字記錄 模擬輸出 模擬傳輸 模擬傳輸 數(shù)字記錄 第四代 早期遙測地震儀 分布式結(jié)構(gòu)，微型機(jī)控制技術(shù) 模擬輸出 模擬傳輸 數(shù)字傳輸 數(shù)字記錄 第五代 24 位遙測地震儀 24 位技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)遙測技術(shù) 模擬輸出 模擬傳輸 數(shù)字傳輸 數(shù)字記錄 第六代 全數(shù)字遙測地震儀 MEMS 技術(shù)，全數(shù)字傳輸與記錄 數(shù)字輸出 數(shù)字傳輸 數(shù)字傳輸 數(shù)字記錄 1.3 儀器 功能 特點(diǎn) 工程地震儀，即淺層地震儀 ，又稱為 彈性波測量儀。淺層地震勘探具有工作面積小，勘探深度淺 (數(shù)百米 )，探測對象規(guī)模小及淺部 各種干擾因素復(fù)雜等特點(diǎn)。因此，對儀器設(shè)備各方面都提出了相應(yīng)的要求 : 具有高放大倍數(shù)的性能； 具有大動態(tài)范圍； 具有合適的頻帶寬度； 具有較高的分辨率； 具有較高的信噪比； 具有信號增強(qiáng)的功能； 具有輕便、工作效率高的優(yōu)點(diǎn)。 本 儀器主要完成數(shù)據(jù)采集、簡單處理、存儲功能，要求在保持參數(shù)盡可能高的情況 下， 盡可能提高儀器的集成度，提高處理速度，降低重量，以適應(yīng)野外小成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 規(guī)模場合現(xiàn)場應(yīng)用。主要針對淺層地震勘探方法中的新方法、新技術(shù) 如： 面 波勘探，樁基完整性檢測，常時微動觀測，地震映像法勘探，振動監(jiān)測，彈性波 CT層析成像，在 工 程勘察中的應(yīng)用。 1.4 研究 內(nèi)容 及方法 1.4.1 目前工程地震儀存在的問題 國內(nèi)采集系統(tǒng)雖然都采用的是 24bit 的 ADC，但是在輸出結(jié)果上有較大的誤差，數(shù)據(jù)雜散范圍為 500 600 個 LSB（最低有效位），這嚴(yán)重降低了系統(tǒng)的分辨率。 國內(nèi)對遙測系統(tǒng)也進(jìn)行了一定的研究，但是多數(shù)是基于 GPS 進(jìn)行時間同步，而且沒有成功的儀器推出。 GPS 的時間同步精度理論上優(yōu)于 1us，但是 GPS接受機(jī)成本太高，并且實(shí)際同步精度也不能滿足系統(tǒng)的要求。 1.4.2 本論文研究內(nèi)容及方法 由上，本論文提出了針對淺層地震勘探，進(jìn) 行了新方法、新技術(shù)的研究， 主要 對以上兩個問題進(jìn)行技術(shù) 研究 ： 采用先進(jìn)的技術(shù)和完整的系統(tǒng)噪聲控制，提高系統(tǒng)的 有效 分辨率，把系統(tǒng)噪聲控制在 400 個 LSB 以內(nèi)。 采用 nRF 系列芯片進(jìn)行近距離（ 200 米內(nèi)）無線數(shù)據(jù)傳輸，采用主機(jī)和從機(jī)相結(jié)合的模式提高系統(tǒng)無線時鐘同步的精度，使其能達(dá)到 0.5us 的同步精度，以滿足地震儀采集系統(tǒng)的要求。 針對以上兩點(diǎn)，主要完成以下內(nèi)容的設(shè)計開發(fā)： 基于 ATmega32L 的 ADC 控制器的設(shè)計和 開發(fā) ； 基于 ATmega32L 的 nRF905 無線數(shù)據(jù)傳輸單元的設(shè)計和 開發(fā) ； ADC 前端信號調(diào)理電 路的設(shè)計和 開發(fā) ； ADC 基準(zhǔn)參考電壓源的設(shè)計和 開發(fā) ； 系統(tǒng)時鐘的設(shè)計和開發(fā)； 數(shù)據(jù)采集、 無線數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn) 調(diào)試 ； 系統(tǒng)時鐘同步研究 。 1.5 論文結(jié)構(gòu)安排 本文主要分為 6 章進(jìn)行敘述： 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 第一章，引言。主要針對課題的研究意義、國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀進(jìn)行對比， 對國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了綜合論述， 提出了課題研究的內(nèi)容 、研究方法 ，以及 預(yù)期的成果。 第二章， 系統(tǒng)方案設(shè)計。 主要對課題的總體設(shè)計方案進(jìn)行了整體論述 ， 補(bǔ)充論述了地震檢波器的相關(guān)知識，提出了論文研究的 內(nèi)容，即地震數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計方案。 第三章，數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計。 主 要針對數(shù)據(jù)采集部分進(jìn)行了詳細(xì)論述， 簡要介紹了 模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù) 基本知識，說明了論文采用的 ADS1271 芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作方式， 重點(diǎn) 對 ADC 采集的硬件電路設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)論述 ，闡明了 其 設(shè)計思想 。 第四章， 無線數(shù)據(jù)傳輸單元設(shè)計。 對地震數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行了比較，提出了無線傳輸?shù)谋匾浴Ｕ撐倪x用了 nRF 系列芯片實(shí)現(xiàn)無線傳輸，對其進(jìn)行了詳細(xì)的說明， 并 設(shè)計了無線傳輸模塊的硬件電路。 第五章， 軟件設(shè)計實(shí)現(xiàn)。 簡要介紹了軟件開發(fā)環(huán)境 AVR Studio 的開發(fā)流程，針對數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行了模塊化的軟件設(shè)計實(shí)現(xiàn)，論文說明了關(guān)鍵 代碼的含義。 第六章， 實(shí)際測試。主要對論文研究的地震數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行了實(shí)際測試， 得出了 測試結(jié)果圖 ， 對后續(xù)工作提出了改進(jìn)性意見。 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 第 2 章 系統(tǒng)方案設(shè)計 2.1 系統(tǒng)總體 方案 根據(jù)本課題的實(shí)際要求，查閱了大量相關(guān)文獻(xiàn)資料，進(jìn)行了項(xiàng)目的前期調(diào)研工作，對國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和形勢進(jìn)行了必要的分析。最終提出了以MCU 為核心的設(shè)計方案。經(jīng)過論證考查，得出了整體方案可行性的結(jié)論。系統(tǒng)整體硬件原理框圖如圖 2-1 所示。 圖 2-1 系統(tǒng)總體設(shè)計原理框圖 由圖中可以看出，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由 MCU 控制一個 24 位的 ADC 對地震波信號進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字信號通過無線發(fā)射器 NRF-Send 進(jìn)行向主機(jī)部分的無線傳輸。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和本地的無線接收。由圖中知道， MCU 控制無線接收器 NRF-Receive 進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，最后通過 串口 通信接口協(xié)議完成與上位機(jī)的通信，最終的信號處理部分也在上位機(jī) PC 上通過軟件編程實(shí)現(xiàn)。 采用全新的設(shè)計方法全面降低系統(tǒng)的噪聲，同時參考基準(zhǔn)電壓為 ADC 提供高質(zhì)量穩(wěn)定直流參考，共同保證 ADC 的有效分辨率。數(shù)據(jù)傳輸部分采用專用無線數(shù)據(jù)傳輸模塊 nRF 實(shí)現(xiàn)。整個設(shè)計采用微控制器 MCU 作 為系統(tǒng)控制中心，程序開發(fā)主要包括 ADC 芯片的時序控制和數(shù)據(jù)接收、無線通信模塊 nRF 的數(shù)據(jù)收發(fā)控制以及數(shù)據(jù)包的編碼、打包、解碼等。 ADC MCU NRF-Send MCU NRF-Receive PC 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（ Data-Acquisition System） 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（ Data-Transmission System） 系 統(tǒng) 電 源 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 2.2 地震 檢波器 簡介 在介紹數(shù)據(jù)采集方案之前，這里有必要介紹一下地震波信號的拾取關(guān)鍵部分 檢波器。論文對檢波器部分沒有設(shè)計，直接采用了市場現(xiàn)有的成品進(jìn)行利用 ，縮短了開發(fā)周期。 檢波器是安置在地面、水中或井下以拾取地振動 時信號 的地震探測器或接收器，它實(shí)質(zhì)是將機(jī)械振動轉(zhuǎn)換為電信號的一種傳感器?，F(xiàn)代地震檢波器幾乎完全是動圈電磁式（用于陸地工作）和壓電式（用于海洋和沼澤工作）的。這 里簡要介紹接收縱波的垂直檢波器 4。 2.2.1 動圈式地震檢波器 這類檢波器的結(jié)構(gòu)主要包括彈簧、線圈架、線圈、永久磁鐵 ，其機(jī)電轉(zhuǎn)換通過線圈對磁鐵往復(fù)運(yùn)動而實(shí)現(xiàn)。線圈及線樞由一個彈簧系統(tǒng)支撐在永久磁鐵的磁極間隙內(nèi)，組成一個振動系統(tǒng)。當(dāng) 線圈在磁極間隙中運(yùn)動時線圈切割磁力線，同時在線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢，感應(yīng)電勢的大小與線圈切割磁通量的速度成正比。因此，動圈式檢波器也稱為速度檢波器。大地作垂向運(yùn)動時，磁鐵隨之運(yùn)動，但線圈由于慣性而趨于保持固定，使線圈和磁場之間有相對運(yùn)動。對于水平的運(yùn)動，線圈相對于磁鐵是不動的 ，所以，這種檢波器的輸出為零。而對于接收水平振動的橫波檢波器而言，垂直振動的信號輸出為零，其工作原理與垂直檢波器相同 4。 2.2.2 壓電式檢波器 這種檢波器一般用于水下一定深度接收地震波， 它是用壓電晶體或類似的陶瓷活化元件作為壓力傳感元件， 當(dāng)這類物質(zhì)受到物理形變時（如水壓力變化），它們 產(chǎn)生一個與瞬時水壓（和地震信號有關(guān)）成正比的電壓。因此，這種檢波器稱作壓力檢波器或水下檢波器。 還有一種壓力檢波器通常安置在注滿油的塑料軟管內(nèi)，油的作用是將水的壓力變化傳給檢波器內(nèi)的敏感元件。這類檢波器 包在海洋電纜（稱 拖纜）內(nèi) 4。 2.2.3 渦流地震檢波器 這是日本 OYO 公司 1984 年研制成的一種新型檢波器。它是利用慣性部件和固定在機(jī)殼里的永久磁場作相對運(yùn)動產(chǎn)生渦流，渦流又使固定在機(jī)殼里的線圈感應(yīng)出電流的原理而制成。一個固定的圓柱形磁鐵沿中央軸安裝在機(jī)殼內(nèi)，線圈固定地繞在永久磁鐵的外面，非磁性可運(yùn)動的銅制套筒由彈簧懸掛在磁鐵和線圈成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 之間構(gòu)成慣性部件。當(dāng)機(jī)殼被地震振動驅(qū)動時，固定在機(jī)殼里的永久磁鐵和機(jī)殼一起運(yùn)動，但由于彈簧懸掛著的銅制套筒因其慣性而滯后運(yùn)動，于是，永久磁場和銅制套筒之間的相對運(yùn)動在套筒中形成渦流，渦流 的變化率引起變化的此生磁場，變化的磁場在固定的線圈中產(chǎn)生電動勢而輸出電壓 4。 2.3 數(shù)據(jù)采集方案 早期地震儀 (常規(guī)數(shù)字地震儀和遙測地震儀 )采用圖 2-2 所示的結(jié)構(gòu)，主模擬通道由瞬時浮點(diǎn)放大器 (IFPA)加 12 16 位 A/D 轉(zhuǎn)換器組成，通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)分時將各道模擬信號轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)二進(jìn)制數(shù)表示的子樣數(shù)據(jù) 3。通過引進(jìn)瞬時浮點(diǎn)放大器擴(kuò)大了系統(tǒng)的記錄動態(tài)范圍，成功地解決了短字長表示大動態(tài)范圍的技術(shù)問題。但由于多路開關(guān)的速度限制了采樣速率的進(jìn)一步提高，而浮點(diǎn)放大器和多路開關(guān)的引進(jìn)又加大了系統(tǒng)噪聲，使得系統(tǒng)信噪 比難以提高；同時系統(tǒng)復(fù)雜、體積大、阻容元件多都成了這種結(jié)構(gòu)的劣勢 20。 前 放 2前 放 3前 放 n多 路 轉(zhuǎn) 換 開 關(guān)前 放 1瞬 時 浮 點(diǎn) 放 大 器 1 6 位 A / D 轉(zhuǎn) 換 器圖 2-2 早期數(shù)字地震儀數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu) 當(dāng)前 ， 常規(guī)數(shù)字地震儀和遙測地震儀都引進(jìn)了 結(jié)構(gòu)的 24 位 A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)，只保留了前端放大 (有的加入模擬濾波 )和 A/D 兩部分。 24 位 A/D 技術(shù)的引進(jìn)極大地改善了瞬時動態(tài)范圍、信噪比、諧波失真等性能，同時很大程度地降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，使得系統(tǒng)阻容元件減少了 99%7，集成度提高了 99.9%。鑒于這些因素，考慮到提高性能和減小體積，本設(shè)計也 采用這種技術(shù)，芯片選用 美國德州儀器公司（ TI）的 ADS1271，采集模塊結(jié)構(gòu)如圖 2-3。 由地震檢波器出來的信號首先送到 信號調(diào)理電路 進(jìn)行信號的變換， 其調(diào)理電成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 路 主要包括：前置放大器、單轉(zhuǎn)差分信號電路。 ADC 芯片接收來自信號調(diào)理電路輸入的差分信號，在 MCU 的控制下進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。 Vref 電路為其提供參考電壓基準(zhǔn)。 這里，我們將數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)部分分別放到采集和主機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行說明。如圖2-3 中所示，在 MCU 的控制下，無線數(shù)據(jù)發(fā)送器將 ADC 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字碼序列通過頻道進(jìn)行發(fā)送，實(shí)現(xiàn)地震儀 與主機(jī)之間 的無線數(shù)據(jù)傳輸。 地 震檢波器信號調(diào)理電路A D C M C U無線數(shù)據(jù)發(fā)送器V r e f圖 2-3 地震信號采集系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)發(fā)送 2.4 數(shù)據(jù)傳輸方案 圖 2-4 所示為主機(jī)系統(tǒng)部分， 論文主要設(shè)計了無線數(shù)據(jù)接收部分。 MCU 與PC 機(jī)之間的通信接口以及 PC 機(jī)中的地震波顯示界面、處理軟件部分由課題組完成。 無無無無無無無M C U P C無 無 無 無圖 2-4 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)原理框圖 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 第 3 章 數(shù)據(jù)采集單元 設(shè)計 3.1 - 模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù) 傳統(tǒng) A/D 轉(zhuǎn)換器采用 PCM(脈碼調(diào)制 )技術(shù)，利用成百上千 個 高度協(xié)調(diào)組織的比較器組成電路，實(shí)現(xiàn) 模擬信號數(shù)字化。在實(shí)現(xiàn)大于 16 比特的 A/D 時，遇到極大的困難，因其性能難以保證和代價過高以及難以與數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)單片集成，而不適應(yīng) VLSI 技術(shù)的發(fā)展 20。近年來 模數(shù)轉(zhuǎn)換器正以其分辨率高、線性度好、成本低等特點(diǎn)得到越來越廣泛的應(yīng)用，特別是在既有模擬又有數(shù)字的混合信號處理場合更是如此。過采樣 A/D 變換器 由 于采用了過采樣技術(shù)和 調(diào)制技術(shù)，增加了系統(tǒng)中數(shù)字電路的比例，減少了模擬電路的比例， 并且 易于與數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單片集成，因 而能夠以較低的成本 實(shí)現(xiàn)高精度的 A/D 變換器，適應(yīng)了 VLSI 技術(shù)發(fā)展的要求。 過采樣 變換技術(shù)采用了過采樣技術(shù)、 調(diào)制技術(shù)和數(shù)字抽取濾波技術(shù)。過采樣技術(shù)使得量化噪聲功率平均分配到更寬的頻帶范圍中，從而降低了基帶內(nèi)的量化噪聲功率。 ADC 以很低的采樣分辨率 (1 位 )和很高的采樣速率將模擬信號數(shù)字化，通過使用過采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波等方法增加有效分辨率，然后對 ADC 輸出進(jìn)行采樣抽取處理以降低有效采樣速率。 ADC 的電路結(jié)構(gòu)是由非常簡單的模擬電路 (一個比較器、一個開關(guān)、一個或幾個積分器及模擬求和電路 )和十分復(fù)雜的數(shù)字信號處理電路構(gòu)成。 3.1.1 過采樣技術(shù) 模擬信號經(jīng)采 樣后要量化 并 編碼， 由 于 不 能精確地用數(shù)碼來表示信號而產(chǎn)生的誤差可以看作是一種噪聲 20。圖 3-1 示出對連續(xù)信號 x 量化的簡單例子，圖中量化間距 為 2，當(dāng)被量化信號 不 飽和時，即 -6x+6 時，量化誤差是與信號 不相關(guān)的隨機(jī)噪聲，其值在 /2 之間變化， 并 以相同的概率落在 /2 范圍內(nèi)的任何位置。圖 3 2 示出了模擬信號通過低通濾波后，以奈奎斯特頻率 f=1/ 采樣量化的噪聲分布圖，采樣后所有噪聲譜折疊在 0-f s/2 頻帶內(nèi)，呈均勻分布。 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 圖 3-1 連續(xù)信號量化示意圖 模 擬 低 通 濾 波A D C模 擬信 號數(shù) 字信 號f p = f af s量 化噪 聲f a f s / 2 f s圖 3-2 量化噪聲分布圖 過采樣技術(shù) (oversample)就是以高出奈奎斯特頻率 (fs)很多 倍 的方法對模擬信號進(jìn)行采樣量化，設(shè)過采樣頻率為 fos， 稱 OSR=fos/fs 為過采樣率。以頻率Fs=Rfs 對信號進(jìn)行相同比特位數(shù)的采樣量化 (R1)， 由 于量化比特數(shù) m 未變，則量化噪聲功率也 不 變。但這時量化噪聲均勻分布在 O Rfs/2 頻帶內(nèi)，其功率降為原來的 1/R，高于信號頻帶的噪聲可以用低通濾波器濾掉。進(jìn)而達(dá)到了降低量化噪聲，提高有效分辨位的目的。 在采樣值量化時，若采用 m 比特編碼， 易知過采樣之后的噪 聲功率為 N2/R，成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 過采樣系統(tǒng)內(nèi)的最大信噪比為 RmNS lg1076.102.6lg10 (3-1) 由 公式 3-1 可知，采樣頻率每提高一信時，信噪比提高 3dB，換言之，相當(dāng)于量化比特數(shù)提高 0.5 比特。所以，通過提高過采樣率可以提高 A/D 的有效分辨位，但需要通過數(shù)字低通濾波器濾除高頻噪 聲。 3.1.2 數(shù)字濾波及采樣抽取技術(shù) A/D 轉(zhuǎn)換器后端設(shè)有數(shù)字抽取濾波器，具有低通濾波和數(shù)字抽取 (又稱分樣或重采樣 )的雙重功能 20。其功效有三 :一是濾除經(jīng)噪聲整形后的 高頻段噪聲，二是濾除奈奎斯特頻率 (重采樣頻率 )以上的頻率分量，防止由于數(shù)字抽取所產(chǎn)生的混疊失真。三是進(jìn)行數(shù)字抽取和濾波運(yùn)算，減少數(shù)據(jù)率，將 1 位數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為高位數(shù)字信號輸出。 為了保證輸入信號的波形不失真，要求濾波器具有很好的相位特性 :同時為了保證 A/D 轉(zhuǎn)換精度的要求，濾波器還必須有很好的幅度特性。為此， A/D轉(zhuǎn)換器的低通濾波器，一般都選用具有線性相位特性的 FIR 濾波器。降低輸出數(shù)據(jù)速率的方法是通過對每輸出 M 個數(shù)據(jù)抽取 1 個的數(shù)字重采樣 的 方法 來 實(shí)現(xiàn)的，這種方法稱作輸出速率降為 1/M 的采樣抽取 (decimation)。這種采樣抽取方法不會使信號產(chǎn)生任何損失，它實(shí)際上是去除過采樣過程中產(chǎn)生的多余信號的一種方法。數(shù)字抽取濾波器的原理框圖如圖 3-3 所示。 h ( n )濾 波 器 的 單 位脈 沖 響 應(yīng)1 / M數(shù) 字 抽 取y1( n )f s = f o s / Mf o sy ( n )圖 3-3 數(shù)字抽取濾波器結(jié)構(gòu)圖 3.1.3 -轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)概述 轉(zhuǎn)換器擁有非常高的分辨率，可理想的用于轉(zhuǎn)換極寬頻率范圍（從直流到好幾個 MHz）的信號。在 ADC 中，輸入信號先要通過一個調(diào)制器實(shí)現(xiàn)過采樣（ oversample），而后由數(shù)字濾波器所產(chǎn)生的、采樣率較低的高分辨率數(shù)據(jù)流完成濾 波及抽取 (decimate)。 的架構(gòu)模式允許犧牲分辨率來換取速度，或同時 折中 取速度及功耗。正成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 式數(shù)據(jù)率、分辨率、功耗三者之間密切且不間斷的聯(lián)系，使得 轉(zhuǎn)換器格外的靈活。在很多 轉(zhuǎn)換器中，分辨率是可編程設(shè)定的，從而使單個器件能滿足多個不同度量的需求。 轉(zhuǎn)換器對輸入過采樣，因而能在數(shù)字域完成大多數(shù)的反鋸齒濾波?，F(xiàn)代的超大型集成電路設(shè)計技術(shù)已經(jīng)使得復(fù)雜數(shù)字濾波器的成本遠(yuǎn)低于同等的模擬濾波器。原來不同尋常的某些功能，諸如 50Hz 及 60Hz 的帶阻濾波，現(xiàn)在已經(jīng)內(nèi)置到很多的 ADC 之中。 轉(zhuǎn)換器的運(yùn)作有別于逐次逼近型（ SAR）轉(zhuǎn)換器。 SAR 轉(zhuǎn)換器獲得輸入電壓的一個 “映像 snapshot”，通過對 “映像 ”的分析決定響應(yīng)的數(shù)字代碼。而 測量的是一段確定時間的輸入信號，其輸出響應(yīng)的數(shù)字代碼是根據(jù)信號的時間平均得來的。 對多個 轉(zhuǎn)換器的同步 并不困難，因此很容易實(shí)現(xiàn)多個轉(zhuǎn)換器的同時刻采樣，而比較困難的是實(shí)現(xiàn) 轉(zhuǎn)換器與外部事件的同步。 轉(zhuǎn)換器還對系統(tǒng)時鐘抖動（ clock jitter）有極高的抵抗能力。其過采樣功能有效的平均了抖動，降低了其噪聲影響。 許多 轉(zhuǎn)換器包含了輸入緩沖器及可 編程增益放大器 (PGA)。 輸入緩沖器增加了輸入阻抗，允許直接連接高源阻抗的信號?？删幊淘鲆娣糯笃髟黾恿藴y量小信號時轉(zhuǎn)換器的精確度。橋接式傳感器就是在轉(zhuǎn)換器中利用了 PGA 優(yōu)勢的信號源的典型實(shí)例。 所有的 ADC 都需要一個基準(zhǔn)，對于高分辨率的轉(zhuǎn)換器來說，擁有一個低噪聲、低漂移的基準(zhǔn)至關(guān)重要。大多數(shù) 轉(zhuǎn)換器都采用了差分基準(zhǔn)輸入。 圖 3-4 就是 型 ADC 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 圖 3-4 型 ADC 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 3.2 - A/D 轉(zhuǎn)換器 ADS1271 簡介 3.2.1 ADS1271 特點(diǎn)與工作方式 德州儀器 (TI)推出業(yè)界最高帶寬的工業(yè)用 24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，實(shí)現(xiàn)了DC 精度與 AC 性能的突破性結(jié)合 29。 傳統(tǒng)上講 ， 漂移性能較高的工業(yè)用 ADC 采用具有較大 通帶下滑（ droop）的數(shù)字濾波器 ， 這就導(dǎo)致信號帶寬有限 ， 大多數(shù) 適用于 DC 測量 。 音頻應(yīng)用的高分辨率 ADC 能夠提供更大的可用帶寬 ， 但偏移和漂移規(guī)范則比工業(yè)用 ADC 差得多（常常無規(guī)范） 。 TI 利用其在高精度工業(yè)與高性能音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的專業(yè)技能開發(fā)了全新類型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器 ， 實(shí)現(xiàn)了無與倫比的精度與速度 。 這種具有突破性的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器為客戶提供了 AC 和 DC 的最佳性能組合 ， 使客戶能夠?qū)崿F(xiàn)難以企及的應(yīng)用性能。高階 、 斬 波穩(wěn)定型 調(diào)制器利用專有設(shè)計技術(shù) ， 實(shí)現(xiàn)了非常低的偏移 和通帶噪聲 。板 載的專用 線性相位抽取濾波器抑制 了 調(diào)制器 的通 帶外噪聲 ， 實(shí)現(xiàn)了 90% 尼奎斯特速率的信號帶通 ， 而波紋還不足 0.005dB。 1.其主要性能指標(biāo)有： 具有 24 位轉(zhuǎn)換精度， 105kSPS 數(shù)據(jù)速率 ； AC 交流 特性： 51kHz 帶寬， 總諧波失真 105dB； DC 直流 特性： 1.8V/ 偏移 點(diǎn)漂移 ， 2ppm/ 增益 漂移 ； 可選的工作模式：高速模式 105kSPS，高精度模式 109dB SNR（信噪比） ，低功耗模式 35mW； 集成數(shù)字濾波：線性相位響應(yīng) ，通帶紋波 0.005dB； 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 內(nèi)部偏移校準(zhǔn) ，引腳控制簡單， 可選的調(diào)制器輸出 ； 可選的 SPI 和幀同步串行數(shù)據(jù)接口 ； 模擬供電 電源 5V，數(shù)字供電 電源 1.8 3.3V。 圖 3-5（ a）（ b）是 ADS1271 的 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 框圖和管腳圖，其管腳定義如下 ： AINP、 AINN：分別為模擬信號差分輸入正、負(fù)端； AGND、 AVDD：分別為模擬地、模擬電源； MODE：模式選擇控制輸入端，有高速、高精度、低電壓模式可選； FORMAT：數(shù)據(jù)接口方式選擇端，有 SPI 模式、幀同步 、調(diào)制器輸出模式（ ADS1271B 僅有）； SYNC/PDWN:同步或低電壓模式控制腳，低電平有效； DIN、 DOUT：數(shù)據(jù)輸入、輸出端； DRDY/FSYNC：當(dāng) FORMAT=0（ SPI 模式）時，為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，低電平有效；當(dāng) FORMAT=1(幀同步模式 )時，為幀同步輸入端； SCLK：讀取 ADC 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)串行移位時鐘 ； CLK： ADC 主時鐘； DVDD、 DGND：數(shù)字電源、數(shù)字地； VREFP、 VREFN：參考基準(zhǔn)電壓差分輸入正、負(fù)端。 圖 3-5(a) ADS1271 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 圖 3-5(b) ADS1271 引腳圖 2.工作模式 ADS1271 具有 三種可選的工作模式 ：高速、高精度、低功耗。 可實(shí)現(xiàn)速度（ 105kSPS 的數(shù)據(jù)速率）、分辨率 (109dB SNR) 以及功耗 (40mW) 的優(yōu)化。 三種模式性能比較如 表 3-1 所示 29： 表 3-1 三種模式 性能 比較 MODE DATA RATE(SPS) PASSBAND(Hz) SNR(dB) NOISE(uVRMS) POWER(mW) High-Speed 105,469 47,777 106 9.0 92 High-Resolution 52,734 23,889 109 6.5 90 Low-Power 52,734 23,869 106 9.0 35 3.2.2 ADS1271 數(shù)據(jù)輸出 模式 可選幀同步或 SPI 串行接口能夠提供至微控制器的方便連接。所有操作（包括內(nèi)部偏移校驗(yàn)）都由引腳直接控制，不必對寄存器進(jìn)行編程。 SPI 模式 （ SPI FORMAT） ： 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 圖 3-6 SPI 模式時序圖 由圖 3-6 可以看出 ， MCU 在檢測到 DRDY 的下降沿 立即 啟動 SPI 總線， 在SCLK 時鐘下進(jìn)行 DOUT 數(shù)據(jù)輸出， 數(shù)據(jù)在 SCLK 的上升沿被采樣， 下降沿被鎖存輸出 。 數(shù)據(jù)格式是高位在前，為 Bit23 Bit0，其中 Bit23 是符號位， 1 表示負(fù)， 0 表正。 幀同步模式（ FRAME-SYNC FORMAT）： 圖 3-7 幀同步模式時序圖 由圖 3-7可以看出， 通過 MCU給引腳 DRDY/FSYNC發(fā)送幀同步信號 FSYNC,同時啟動 總線時鐘 SCLK,數(shù)據(jù)從 DOUT 腳輸出，同樣在 SCLK 的上升沿被采樣，下降沿鎖存輸出。 數(shù)據(jù)格式是高位在前，為 Bit23 Bit0，其中 Bit23 是符號位，1 表示負(fù)， 0 表正。 數(shù)據(jù)輸出格式 ADS1271 提供兩種補(bǔ)償輸出 24Bit 數(shù)據(jù)， 即最高位為符號位， 1 表示負(fù)， 0表示正。 當(dāng)正極性滿刻度輸入時，輸出數(shù)據(jù) 7FFFFFh（即 0111， 1111， 1111， 1111，成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 1111， 1111b） ； 而負(fù)極性滿刻度輸入時，輸出數(shù)據(jù) 800000h（即 1000， 0000， 0000，0000， 0000， 0000b） ；當(dāng)輸出信號超過滿刻度值時（即 VinVref 或 Vin Vref）輸出數(shù)據(jù)將被鉗住在 7FFFFFh 或 800000h。 表 3-2 是其理想狀態(tài)下不同輸入信號對應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)值 29。 表 3-2 理想情況數(shù)據(jù)輸出值 這里 選用其 SPI 模式，直接與 ATmega32L 的 SPI 接口相連。 3.3 A/D 采集硬件電路設(shè)計 3.3.1 單元硬件方框圖 經(jīng)過認(rèn)真分析 ADS1271 的數(shù)據(jù)手冊和 TI 公司提供的典型應(yīng)用筆記，論文對數(shù)據(jù)采集進(jìn)行了方案論證。針對 ADS1271 全差分的特點(diǎn)（輸入信號全差分、參考電壓基準(zhǔn)全差分），論文對 其外圍電路進(jìn)行了全面的設(shè)計。其原理框圖如圖 3-8所示： D i f f e r e n t i a l -d r i v e r( A D 8 1 3 1 )V o l t a g e -r e f e r e n c e( A D R 4 4 1 )P r e - a m p l i f i e r( I N A 1 6 3 )R e f e r e n c e -b u f f e r( O P A 2 2 7 7 )2 4 b i t - - A D C( A D S 1 2 7 1 )C L K - I NL o g i c - D a t a -i n t e r f a c