地震动数据采集系统研究

闫逢春

（中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051）

0 引言

地震动，又称为地震地面运动，是震源释放出来的地震波引起的地表附近土层的振动[1]。研究地震动无论是在国民经济建设领域还是军事领域都有很高的应用价值。在国民经济领域可用于地下矿山开采的安全评估、地下爆炸成腔的数值研究和地下工程的压密研究，可以节省国家大量的人力和物力；在军事领域可用于对敌方车辆、人员进行实时、准确的监测，可掌握敌方的可靠火力部署，掌握主动权。地震动数据采集系统通过测试不同距离的质点震动加速度、到达和持续时间及衰减规律，作为判断爆心位置、评价炸弹杀伤力的有效手段。

1 系统总体组成与工作原理

1.1 测试原理

在爆破震动测试中，计算爆心位置和评价爆炸效果是人们最为关心的问题，通过不同埋深、位置的传感器测得质点速度、加速度、应变或应力波形、震动到达时间等数据，通过上传数据至数据处理中心，就能在PC机软件平台上实现波形的实时显示和数据的存储及处理[2]。

1.2 系统结构选择

为了能实时显示爆心位置和评价爆炸效果，需要将震动传感器阵列获取的信号快速上传到PC机中进行实时处理，而实际环境中场地复杂，不便于传统的有线电测法布置设备。因此系统要求具有快速的采集和传输速度和具备良好的抗干扰能力。最后考虑系统集成的要求，尽量采用模块化、小型化、低功耗的设计方式。

1.3 系统组成

本文所实现的地震动数据采集如图1所示，它主要由以下八个部分组成：地震动传感器（阵列）、信号调理电路、A/D转换模块、CPLD[3]逻辑电路、单片机、无线通信模块、GPS接收机、PC机虚拟仪器平台。系统利用ATmega162作为主控制器，CPLD用于产生控制时序，二者相结合协调进行数据的采集与传输控制。图1给出系统的总体设计方案框图。

图1 系统总体设计方案框图

2 模块设计工作原理

2.1 采集模块

地震动传感器（阵列）：本系统在测量端使用低频拾振器拾取振动信号，并用模数转换器实现振动参数的模数转换[4]，可以对多达八通道的地震动信号进行数据采集。工作时，可以根据具体需要来分布八个通道的地震动传感器，可以将其独立地离散分布，这样，八个通道便独立工作，每个通道负责监控一个地点；本系统应用的A/D芯片是MAX1308[5]，该芯片具有八通道可编程配置，可接受数字输入分别激活每一路通道。

2.2 控制模块

控制模块采用单片机Atmega162和Xilinx公司的CoolRunnerII系列的CPLD一一XC2C256相结合的方式进行设计，在CPLD内主要设计了译码控制电路和时间同步授时电路两部分，译码控制电路负责控制无线通信模块的选通与工作状态的选择，时间同步授时电路通过解码秒级UTC[6]时间信息产生时间同步基准信号，确保系统的各个传感器的时间能统一到参考的标准时间上。

2.3 无线通信模块

无线通信模块选用挪威Nordic公司的NRF905无线通信单元，工作于433/868/915MHz频段，内置SPI总线接口和可编程选择的8/16位CRC校验，数据传输稳定，1.9-3.6V的工作电压，低功耗，待机模式电流消耗仅为2.5µA，发射功耗11mA-30mA，接收功耗10mA，在l0dbm发射功率条件下，配置外置鞭状天线有效通信距离为300m左右。

2.4 GPS接收机

GPS接收机采用瑞士u-blox公司的RCB-4H，以及ANN-MS有源GPS接收天线。利用GPS接收机，可以接收到GPS发布的导航授时信息并产生精确的1PPS[7]信号传给同步系统实现时间同步。

2.5 PC机虚拟仪器

PC机作为人机接口，主要任务是通过系统操控软件发送测试命令和接收测试数据，并将所有测试节点的数据进行实时显示、存储与处理。

2.6 电源模块

电源模块主要由供电电池、电池电量检测单元和可控电源单元组成，电池电量检测单元主要通过对供电电池的输出电压进行取样，以获取电池的实时电量信息，并反馈给数据控制中心，以保证系统能正常工作。

3 系统软件设计

系统操控软件是由具有完善串口数据接收和发送功能的VisualC++通信控件Mscomm[8]编制，主要分为三个组成部分：参数配置命令界面、控制命令界面和数据回传命令界面。

图2 系统软件设计方案框图

参数配置命令主要是对数据采集模块中采样频率、内触发值、采样总长度的设置，控制命令界面主要由电源控制管理命令、时间同步命令、时统清零命令、进入睡眠模式命令、数据管理格式化命令等组成。数据回传命令界面主要由读电源状态命令、读时统数据命令、读全部数据命令和数据显示命令。控制系统电路工作流程如图3所示，左边的流程图a表示主站系统电路串口中断接收计算机发送的测试命令，直到接收完测试命令，保存在数组中，并产生一个接收到测试命令标志置为1。右边的流程图b表示主站系统电路主程序流程图，在系统工作开始时，通过初始化设备，配置无线收发模块NRF905、启动并配置GPS接收机模块，初始化NRF905为接收模式，NRF905一直处在监听外部的无线信号；判断接收到测试命令标志是否为1，如果为1，再对左边中断接收的测试命令一级译码，判断测试命令的功能与类型，如时间同步命令、控制命令、功能模块的参数配置命令、数据回传与处理命令等，根据相应的功能与类型打包测试命令并发送出去；然后主程序进入判断无线接收标志是否为1，也就是说判断测试基站是否回传数据包发送给PC机，如果为1，表示无线收发模块已经接收到测试基站发送来的数据包，此时无线模块将数据通过串口传给PC机进行处理和实时显示；如果为0，程序返回继续循环执行。

图3 控制系统电路工作流程图

4 实际应用及结果分析

该系统应用于地下震动测试系统联调试验，能实现分布式测试系统的基本控制、管理、操作等功能。8套装置分别布置在距爆心0.4米和0.8米处，并且规律的布置在两个同心圆上。爆心深度为1.5米，1至4号装置布置在深度为1米，半径为0.4米的圆周上，5至8号布置在深度为1.5米，半径为0.8米的圆周上。PC机控制平台布置在距爆心50米的掩体内。现场布设如图4所示：

图4 地下爆炸验证试验现场布设图

现场对小剂量炸药进行爆炸实验，装置1测得的数据通过无线模块NRF905回传到掩体内的计算机上，经过处理后的装置1的震动传感器测得的质点震动速度时间历史结果如图5所示：

图5 爆破震动的实测结果

图5显示的曲线完整，说明该测试系统各模块能够协同有效的工作，达到了测试系统的总体要求。

5 结论

根据地震动信号的特点，设计了一种具有多点多参数的具有现场处理和无线控制功能的地震动数据采集系统，系统通过AVR单片机与CPLD组合使用，对现场信号进行采集与处理，将测试后的大量数据信息通过无线收发系统实时地传到PC机进行处理和显示，基本上达到了测试系统的要求。

[1] 凡超，郭鑫等.地震动特征的统计分析[J].防灾科技学院学报，2011，13（3）：21-24.

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[3] 曲震宇，刘胜辉.基于CPLD 的高速数据采集系统控制模块的设计与实现[J].哈尔滨理工大学学报，2006，11（3）：17-19.

[4] 孙志远，杨学山，马树林.三通道无线振动数据采集系统[J].地震工程与工程振动，2004，24（5）：171-176.

[5] Analog Devices Inc.Multi channel 122bit ADC with Embedded Flash ADuC812 Datasheet[Z].www.analog.com，04，2003.

[6] 李孝辉，刘阳，张慧君等.基于UTC（NTSC）的GPS定时接收机时延测量[J].时间频率学报，2009，32（1）：18-21.

[7] 黄翔，江道灼.GPS同步时钟的高精度守时方案[J].电力系统自动化，2010，34（18）：74-77.

[8] 王华，岳丽全，岳志高.MSComm控件在VC++6.0串口通信中的应用[J].长春工程学院学报（自然科学版），2009，10（1）：72-73.