寬頻地震儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制

1、數(shù)采與監(jiān)測 中文核心期刊(測控自動(dòng)化2008年第24卷第81期 文章編號(hào):1008-0570(200808-1-0080-02寬頻地震儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制Analysis of Nome in Data Acquisition Channel of Broad Band Seismic Recorder(1.吉林大學(xué);2.長春地球信息探測儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李威1陳祖斌1,2邱飛1 U WeI CHEN Zu-bin QIU Fei摘要:結(jié)合地震儀應(yīng)用環(huán)境的特殊性。借鑒國內(nèi)外地震儀器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。本文基于24位AXADC技術(shù),以24位一XA/D轉(zhuǎn) 換套片CS5371/CS5372、CS5376為

2、核心設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了大動(dòng)態(tài)范圍的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);并將FPGA應(yīng)用于AID接口電路的 設(shè)計(jì),減小了系統(tǒng)硬件體積,提高了系統(tǒng)的可靠性以及升級(jí)維護(hù)的方便性;而且設(shè)計(jì)了系統(tǒng)測試電路,使得儀器具有現(xiàn)場自我診 斷檢測能力,方便了儀器在野外的應(yīng)用。最后.對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測試的結(jié)果證明了本文設(shè)計(jì)完全符合寬頻地震儀的設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)采集;寬頻地震儀;FPGA;24位AXADC中圖分類號(hào):刪63文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AAbstract:Combined with the special application environment,referred to the design experience,and based on

3、 the tecimiques of 24bit AEA/D, seismic data acquisition system with large dynamic range is realized by the 24bit A一conversion set(CS537l/CS5372 and Cs5376.The less volume,higher reliability and convenient upgrade and maintenance have been realized using FPGA in the A/ D interface circuit.In additio

4、n.the test circuit makes the field selfdiagnosis and mole convenient field application of the instrument possible.Last,the prototype has been finished,and the primary test results ale given.Key words:Data acouisition:broad-band seismoemnh:FPGA:24bitA邏ADC-_-_-麗 置地球深部構(gòu)造的地震研究在地球科學(xué)的發(fā)展中占有重要 地位。在我國,青藏高原深部

5、構(gòu)造的研究是國內(nèi)外矚目的領(lǐng)域, 也是國家科技部、國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院發(fā)展戰(zhàn)略 中規(guī)劃的地球科學(xué)基礎(chǔ)研究重點(diǎn)領(lǐng)域。當(dāng)前,從事該領(lǐng)域研究的 地球物理學(xué)家們大多采用進(jìn)口儀器,為了能在青藏高原地球動(dòng) 力學(xué)研究這一前沿領(lǐng)域參與國際競爭,中國科學(xué)院地質(zhì)與地球 物理研究所青藏高原研究室與吉林大學(xué)共同開發(fā)了新型的寬 頻帶數(shù)字地震記錄儀系統(tǒng)。寬頻帶、大動(dòng)態(tài)范圍數(shù)字觀測系統(tǒng) 在近震源距離得到的地震近場記錄攜帶了有莢震源和介質(zhì)的 豐富的信息,為深入了解地震震源過程和地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了 有力的手段。以此儀器為基礎(chǔ),構(gòu)建一個(gè)可靠的、提供高質(zhì)量觀 測數(shù)據(jù)的數(shù)字地震流動(dòng)臺(tái)網(wǎng),為實(shí)施青藏高原多波多分量多參 數(shù)地震層

6、析成像研究提供必要的深部信息觀測系統(tǒng)。寬頻地震儀是一個(gè)寬頻帶、高精度的三分量、大動(dòng)態(tài)、智能 化的地震觀測系統(tǒng)。作為實(shí)現(xiàn)人工震源與天然地震混合記錄的 地震儀,由于長期的野外應(yīng)用的特殊性,在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮到 以下幾個(gè)方面的問題:(1低功耗,具有電源管理的功能;(2具 有可靠、大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)體系;(3系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍大;(4系統(tǒng) 具有自我診斷測試能力并具備一定的容錯(cuò)能力;(5I作溫度范 圍寬:一20攝氏度一60攝氏度;(6體積小,重量輕,方便攜帶; 本文借鑒國內(nèi)外寬頻地震儀的設(shè)計(jì)技術(shù).在前期工作的基 礎(chǔ)上,提出了一種寬頻地震儀的設(shè)計(jì)方案,著重闡述了數(shù)據(jù)采集 模塊的設(shè)計(jì),并且完成了樣機(jī)的設(shè)計(jì)。給出了初

7、步的測試結(jié)果。李威:碩士基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金委員會(huì);項(xiàng)目名稱:可控震源陣 列波速控制與地震波場模擬(405740791寬頻地震儀的總體設(shè)計(jì)綜合考慮寬頻地震儀野外應(yīng)用的特殊性、市場元器件情 況、技術(shù)發(fā)展趨勢以及成本費(fèi)用問題,在前期研究工作的基礎(chǔ) 上.提出了如下設(shè)計(jì)方案:為支持時(shí)間窗13記錄和連續(xù)長期記 錄兩種工作模式,記錄儀采用雙CPU設(shè)計(jì)。主控制器負(fù)責(zé)記錄 儀的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、系統(tǒng)測試等主要功能;單片機(jī)實(shí)現(xiàn)最多32個(gè)工作時(shí)間窗口的管 理、記錄儀T作狀態(tài)顯示等功能。作為輔助設(shè)備的狀態(tài)測試系 統(tǒng)由筆記本電腦及管理軟件通過并行口與記錄儀主控制器相 連,實(shí)現(xiàn)記錄儀測試結(jié)果顯示、記錄儀工作參數(shù)設(shè)置

8、等功能。 片機(jī)人機(jī)及電源控單元電源模塊DIMMPC控制數(shù)據(jù)采集單元PS授單元;記本電腦網(wǎng) 醫(yī)縫望垂I 圖l 系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)示意圖圖1數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)示意圖一80360元,年郵局訂閱號(hào):82-946匿匿墅受垂亟亟亟因 數(shù)采與監(jiān)測2數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集是地震記錄儀的基礎(chǔ),也是本文研究的主要內(nèi) 容,數(shù)據(jù)采集模塊的結(jié)構(gòu)介紹如下:地震記錄儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 由前置低通檢波、前置放大、24位(A巾轉(zhuǎn)換、邏輯控制等單元 構(gòu)成。為了將地震計(jì)輸出的微小地震信號(hào)調(diào)整成24位MD轉(zhuǎn) 換器所需要的信號(hào)大小.記錄器3通道前置放大由兩級(jí)基本電 路組成,采用直接耦合方式,為24位A/D轉(zhuǎn)換器提供雙端差分 信號(hào).進(jìn)一步消

9、除輸入級(jí)電路共模信號(hào)輸出。圖2所示是數(shù)據(jù) 采集模塊的結(jié)構(gòu)圖。2.1模擬信號(hào)調(diào)理電路模擬信號(hào)調(diào)理電路包括:輸入電路、前置放大電路。其中前 置放大由兩級(jí)基本電路組成,采用直接耦合方式。第一級(jí)對(duì)雙端 輸人地震信號(hào)程控放大.采用低噪盧程控放大器PGA2IM實(shí)現(xiàn) (1、(1000倍增益。PGA204將雙端信號(hào)放大后以單端信號(hào)輸出, 第二級(jí)為差分線性放大器,轉(zhuǎn)換信號(hào)輸出方式,為24位A/D轉(zhuǎn) 換器提供雙端差分信號(hào),進(jìn)一步消除輸入級(jí)電路共模信號(hào)輸出。 2.2MD轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換電路采用的是具有高動(dòng)態(tài)范圍的24位一乏A/D 芯片CS5371tCS5372、CS5376和現(xiàn)場可編程邏輯器件FPGA通 過主控芯

10、片的控制實(shí)現(xiàn)的。cs537l/cs5372一乏調(diào)制器與 CS5376數(shù)字濾波器結(jié)合使用?？蓸?gòu)成獨(dú)特的高分辨率MD測 量系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)三分量的數(shù)據(jù)采集,這里用一片CS5371加一 片CS5372與一片CS5376共同來實(shí)現(xiàn)。在本系統(tǒng)中,由于不僅要完成整個(gè)系統(tǒng)的控制邏輯.而且 要完成數(shù)據(jù)的暫時(shí)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換,這樣一來就會(huì)使得芯片的I/O 資源非常緊張,所以本系統(tǒng)的現(xiàn)場可編程邏輯門陣列器件(FP GA選用ALTERA公司的FLEXIOK20。FPGA的邏輯設(shè)計(jì)主要包括SPI(串行外圍設(shè)備接口、con vert(輸出的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為32位并行數(shù)據(jù)、myfffo(輸出數(shù)據(jù) 的緩存、地址譯碼及控制和時(shí)鐘分頻幾

11、個(gè)部分的設(shè)計(jì)。(如圖 3所示。圖3FPGA邏輯設(shè)計(jì)框圖2.3系統(tǒng)測試電路的設(shè)計(jì)作為實(shí)現(xiàn)人工震源與天然地震混合記錄的地震儀。在長期 的野外觀測過程中,利用在線測試技術(shù)來提高系統(tǒng)T作的可靠 性顯得尤為重要【8】。寬頻地震儀的系統(tǒng)功能測試包括檢波器測 試、脈沖測試、正弦波信號(hào)測試及短路測試。相應(yīng)測試功能的切 換由主控制器和邏輯控制單元完成。2.4主控軟件的設(shè)計(jì)該部分軟件基于DOS環(huán)境設(shè)計(jì),采用Borland c+語言作 為開發(fā)工具,按照模塊化結(jié)構(gòu)編寫,具有較強(qiáng)的可讀性、可移植 性與可擴(kuò)展性。主要功能模塊有:1.參數(shù)輸入模塊該模塊用于數(shù)據(jù)采集參數(shù)的輸入設(shè)定,主要設(shè)置選項(xiàng)有:采樣速率、采樣長度、通道數(shù)、

12、程控放大器增益等。2.采集控制模塊該模塊用于控制各個(gè)子采集系統(tǒng)的啟動(dòng)以及數(shù)據(jù)的回送。 3.系統(tǒng)自檢模塊包括檢波器檢測和系統(tǒng)功能檢測兩部分。其中檢波器檢測 主要檢查檢波器是否連接好以及檢波器性能的好壞;系統(tǒng)功能 檢測(正弦波測試、脈沖測試主要檢查系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)工作 是否正常以及系統(tǒng)的短路輸入噪聲。4.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸模塊該模塊將采集得到的地震數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到CF卡,當(dāng)單片機(jī)或 筆記本有需要時(shí)傳送給單片機(jī)或筆記本,使信號(hào)顯示在屏幕 上。便于在野外觀察采集數(shù)據(jù)的有效性,以及時(shí)判定是否需要 重新采集。3實(shí)驗(yàn)及結(jié)果樣機(jī)完成后,分別對(duì)其進(jìn)行了短路輸入噪聲測試、正弦波 測試以及檢波器測試。三種測試結(jié)果如下:3.1

13、短路輸入噪聲一L-h.乩山。.山JL.山“。u山“i。“Iji.j“1啊m下叩幾叩1。甲盯W1f町I,1。y叮在室內(nèi)環(huán)境下,12V電池供電,輸入端短接,采用1000Hz 的采樣率重復(fù)進(jìn)行了幾次測試,測試結(jié)果如下圖4所示,短路 噪聲的峰峰值小于100tilt。3.2正弦波測試正弦波測試中分別對(duì)頻率為lOHz、160Hz,峰峰值為20my 的正弦波進(jìn)行了采樣。采用的信號(hào)源為實(shí)驗(yàn)室用的信號(hào)發(fā)生 器.采樣速率采用IKHz。各次的采樣曲線以及其FFfr變換曲線 如圖5所示。(矗 1弛正弦氅予樣曲拽 (c 16011z正弦被采樣-垃k。,._哪,圖5采樣及F訂變換曲線由以上波形圖及頻譜圖可以看出峰峰值和頻

14、率與我們預(yù) 先設(shè)定的輸入值一致,采集系統(tǒng)工作正常。3.3檢波器測試檢波器測試中分別對(duì)兩種情況進(jìn)行了測試:一是在輸入端 未接檢波器時(shí):二是在輸入端接有檢波器時(shí)。兩種情況下的測 試曲線如圖6所示。對(duì)比兩圖可以看出,輸入端接檢波器和未 接檢波器時(shí)得到測試曲線差距是比較明顯的,因此在實(shí)際野外 工作中?？梢愿鶕?jù)檢波器測試得到的測試曲線來判斷各個(gè)檢波 器是否已經(jīng)連接好。 丌轉(zhuǎn)第74頁嗽一郵局訂閱號(hào).82艄380元y#-一81控制系統(tǒng) 中文核心期刊(測控自動(dòng)化2008年第24卷第81期 皇!曼皇!皇!曼曼曼曼!曼皇!曼!舅皇苧!量鼉曼曼曼詈ii,.I鼉鼉 (上接第8l頁圖4Fc功能塊5.3組態(tài)軟件設(shè)計(jì)采用北

15、京亞控公司的組態(tài)王軟件。該軟件讀寫￥7300的數(shù) 據(jù)。在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示各倉間及室外溫濕度測量值和報(bào)警狀 態(tài)以及各設(shè)備工作狀態(tài),使操作人員很直觀地了解系統(tǒng)的t作 狀況。顯示各倉問最近24小時(shí)的溫濕度曲線圖。可隨時(shí)修改各 倉間溫濕度設(shè)定值和上下限報(bào)警值,手自動(dòng)切換(有權(quán)限限 制。顯示一日中各倉問及庫外溫濕度平均值、最大值最小值以 及出現(xiàn)時(shí)刻并保存和打印。顯示選擇倉間和選定月份的歷史溫 濕度曲線圖并保存和打印。根據(jù)菜單和對(duì)話框上的提示,可方 便完成各個(gè)界面的切換。6結(jié)束語在對(duì)藥品倉庫溫濕度進(jìn)行設(shè)計(jì)和安裝調(diào)試過程中。要注意 通訊速率不要太高,為系統(tǒng)可靠運(yùn)行,可使用1.5Mhit/s左右速 率,速率太

16、高,傳輸不穩(wěn)定。為防止網(wǎng)絡(luò)故障造成S7300停機(jī) (STOP,可將0882、OB86、OBl22與OBl一起編譯下載到 ￥7300中,在調(diào)試網(wǎng)絡(luò)時(shí)應(yīng)時(shí)刻注意SF燈、BF燈的顯示情況, 若紅燈且閃爍的話,一定要將故障排除掉才能進(jìn)行其它項(xiàng)目調(diào) 試,通訊不穩(wěn)定系統(tǒng)將無法正常運(yùn)行。另外還要多用Module Imormmion中的診斷緩沖器.進(jìn)一 步判斷故障所在和系統(tǒng)運(yùn)行情況?；赑ROFIBUS總線的大型藥品庫漫濕度監(jiān)控系統(tǒng),充分 發(fā)揮了PLC和PROFIBUSDP的優(yōu)勢.成功實(shí)現(xiàn)了藥品庫的集 中管理和分散控制,減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,改善了工作 環(huán)境,大大提高了藥品庫自動(dòng)化水平與管理水平。本文作者

17、創(chuàng)新點(diǎn):改變過去大型藥品庫人1=控制和集中 控制的現(xiàn)狀,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性.減少了材料成本和安裝費(fèi) 用。當(dāng)工作人員不在主控室,也可利用觸摸屏在同一樓層就地 觀測其它庫里溫濕度和設(shè)備運(yùn)行情況.減輕了T作人員勞動(dòng) 螢。另一點(diǎn)是利用本系統(tǒng)PLC可方便和庫內(nèi)其它PLC系統(tǒng)聯(lián) 網(wǎng),大大增強(qiáng)庫內(nèi)管理能力。該系統(tǒng)成功應(yīng)用在大型藥品庫內(nèi), 幾年來一直穩(wěn)定運(yùn)行。目前,企業(yè)經(jīng)營效益很好。參考文獻(xiàn)作者簡介:汪維東(1958一,男,江蘇,南京人,本科,高級(jí)工程 師,主要從事計(jì)算機(jī)控制等方面研究。Biography:WANG Wei一(10ng(1958-,M,Jiangsu,Nanjing,-nior enginee

18、r.research a呦is in research of computer control (210015南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院汪維東通訊地址:(210015南京建寧路酷號(hào)南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汪維東(a輸入端末接地震檢波器時(shí)的測試曲線 檢波器時(shí)的測試曲線 圖6檢測器測試曲線4結(jié)論在地震勘探中.地震儀的性能決定著采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。寬 頻地震儀與常規(guī)地震儀相比具有抗干擾性好,使用靈活方便、 動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn),成為地震儀的發(fā)展方向。筆者基于24位 A一乏ADc技術(shù).以24位A一乏姍轉(zhuǎn)換套片CS537t/CS5372、 CS5376為核心設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了大動(dòng)態(tài)范圍的地震數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng):將FPGA應(yīng)用于A

19、/D接口電路的設(shè)計(jì),減小了系統(tǒng)硬件體 積。提高了系統(tǒng)的可靠性以及升級(jí)維護(hù)的方便性;設(shè)計(jì)了系統(tǒng) 測試電路。使得儀器具有現(xiàn)場自我診斷檢測能力,方便了儀器 在野外的應(yīng)用。最后對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測試,測試結(jié)果完全符合寬頻地震儀 的工作要求。本文作者創(chuàng)新點(diǎn):以24位一乏A,D轉(zhuǎn)換套片為核心設(shè)計(jì) 并實(shí)現(xiàn)了大動(dòng)態(tài)范圍的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);將FPGA應(yīng)用于A, D接口電路的設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)了系統(tǒng)測試電路。項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益:38萬參考文獻(xiàn)f11陳毓川,趙遜,張之一等.世紀(jì)之交的地球科學(xué)一重大地學(xué)領(lǐng) 域進(jìn)展.北京:地質(zhì)出版社,2000.【3】Hauser M W.Principles of Oversampllng A/D Conv

20、ersion.M J Audio Eng 80C,39:3-26.作者簡介:李威,女,1979年H月出生,吉林省人,碩士。研究 方向:儀器儀表。Biography:LIWei 0979-,female,Province of JiLin,master. Research area:scientific instrument.(130061長春吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院李威陳祖斌邱飛(b0061長春地球信息探測儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳根斌 (DepL of Instrument Science&Electrical Engineering。ydin University,Changchun 1

21、30061,ChinaLIWeiCHEN Zu-bln QW Fei(Key Lab of Geo-Exploration and Instrumentation(Jitin Univ.。Ministry of Education,Changchun 130061,China CHEN Zu-bin通訊地址:(519000廣東省珠海市吉檸路3號(hào)吉寧山莊1棟 603李威 寬頻地震儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制作者:LI Wei, 陳祖斌 , QIU Fei, LI Wei, CHEN Zu-bin, QIU Fei作者單位:130061,長春,吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院;130061,長春,地球信息探測儀器教育部重 點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室刊名:微計(jì)算機(jī)信息英