地震监测系统的电磁信号的采集设计与实现

张国华

（陕西省地震局，陕西 安康 725000）

0 引 言

地震会给人们的生命带来巨大威胁，给社会带来危害，不利于社会的稳定。在地震发生前如果能得到预警，将可以为人们争取更多的时间离开地震危险地，挽救众多生命，极大地降低地震带来的经济损失[1-2]。现在使用的地震前电磁信号还不能有效预测地震，因为预测的可靠性和稳定性尚存在很多问题，对所使用的环境和安装成本也有很高要求。此外，现在的仪器与数据采集部分是分离的，导致采集的数据不能进行快速且远距离的传输[3]。

1 电磁信号采集设计的系统方案

电磁信号采集系统包括数据采集部分、数据终端进行的远程升级部分、对原始数据的调理部分以及对远程系统参数的配置部分。在原始数据的信号调理中，会将采集的0.1～10 Hz的原始电子信号，经过放大、反馈以及次级放大后传输给数据采集部分。新型的电磁信号采集系统包括信号的实时采集和信号调理两部分。信号采集部分为了能够采集和传输所有频段电磁信号中的原始数据，利用高精度和速度极快的模数转换器，以支持近百兆的数据利用TCP/IP协议在网络中。信号调理是通过滤波放大模拟信号来处理灵敏度高的原始信号。通过一系列的传输和整合，电池信号采集系统完成对采集的原始电子数据的升级[4]。

1.1 信号数据的电路调节

电磁传感器采集到大地发出的电磁信号时，需要经过一系列处理，并且通过AD转换把数据传送到数据采集部才能进一步分析数据。研究中设计的电磁信号的强度在1～1 000 nT，频率在0.1 Hz～10 kHz。在对电磁信号进行处理时，即使感应式传感器的线圈数有上万匝且采用电磁频率很高的传感器，当电磁信号的频率为0.5 Hz或者更低的时候，感应线圈磁场所输出的电压也很低，易被淹没在线圈的噪声里，因此需要对其进行放大才能进行处理。本文设计的电磁信号采取两种放大模式，第一层次上的放大是为了减小噪音的信号，第二层次上的放大是为了更好地进行下一步的处理。

感应式磁传感器的线圈在振点处有时会发生信号中断。为了扩大传感器的采集力度，解决这些突发问题，在传输的电磁信号的频率大于1 Hz时，传感器利用反馈的传输方法进行数据传输，传输时传感器可以在较宽的范围和频率上进行曲线传输[5]。电子传感器接收到的数据经过放大后，需要对收集的数据进行过滤。根据设计相关要求，要处理的信号需在0.1～15 Hz，并对前端信号的传输加以限制[6]。ADS8681是一个集成数据采集系统，可以准确调整所要输入的范围，避免电路发生偏移，从而使传输信号更加稳定。

1.2 信号采集电路

处理器采用SYM32F407，内部具有实用性强的加速器模块，且包括1 MB的Flash存储器，192 kB的RAM。处理器的主频高达168 MHz，因此处理器的数据处理速度很快。SYM32F407处理器包含一个输出寄存器和一个输入寄存器。数据通过SYM32F407转换后，可以通过TCP/IP网络协议传送到系统的数据控制中心。W5300的芯片与SYM32F407之间存在一定的交互，通过高速以太网通信接口实现。W5300使用的是两种常见的供电方式，分别是+3.3 V的电源和+1.8 V的电源。其中，+3.3 V的电源为数据处理的接口部位供电，+1.8 V的电源为系统的内核供电。该芯片通过网络协议处理技术中的管理单元和寄存器的管理单元实现以太网的高速数据传送，从而使地震监测数据的传输量达到最大，实时性更高。网络初始化时，SYM32F407先对W5300进行网络初始化。初始化过程分为socket、connect以及bind共3部分。SYM32F407与地面终端完成连接后，W5300即可与终端数据服务器进行连接收发数据。

1.3 自动更新程序

地震系统的监测内部所要使用的软件都可以进行更新，且在特定的环境下需要简化和增加系统功能，使系统更加完善。为了使监测系统在可靠性、安全性以及便利性的基础上进一步降低监测系统设备的维护成本，自动更新机制的设计是重点。系统具体的工作流程如图1所示。

在地面终端需要存放两个与升级工作相关的文件，分别命名为以VersIon.txt结尾和以app.bin结尾的文件。在升级过程中，VersIon.txt文件的建立是为了监控系统软件的升级，防止系统在复位时反复进行升级。首先，在地下的连接器上采用电路板上电，或者在系统进行复位时从系统的地面终端下载VersIon.txt文件，后存放到SYM32F407内部的Flash软件中并进行比较。如果流程和内容相同，跳过该升级流程，执行相应的应用和程序。如果所要升级的软件的版本信息不一致，那么表示软件在升级过程中并没有按照系统规定的升级流程进行升级。其次，网络文件的传输协议要通过VersIon.txt文件从地面终端进行下载，从app.bin文件里查找相应的程序文件，并且将相应的文件存放到Flash地址的应用程序中。下载完成后，再次将软件中的信息放在特定的Flash存储区域。最后，打开并且执行更新完成后的程序，如果软件能够顺利打开，则表示已完成系统的升级。

图1 自动更新机制框图

2 功能测试

2.1 监测系统的性能测试

从图2可以看出，在1 Hz～10 kHz范围内，传输信号的频率响应范围可以覆盖到平坦区的100 Hz～4 kHz，进一步证明了设计的监测电路达到了电磁信号传输规定的要求。

图2 电磁探头的频响曲线

2.2 监测系统采集的数据

在地震监测系统中，感应式的电磁信号传感器会把采集的数据信号，通过一定的处理和计算进行磁反馈、放大、次级放大以及滤波处理传送到数据采集部，然后将其发送到数据远程控制中心。数据传输时会在原始数据中加入校验位，从而保证数据在传输过程中的稳定性和准确性。

2.3 软件升级的测试结果

监测设备在进行复位或者上电时，从地面终端的一文件里下载Bootloader。下载完成后，下载的内容将存放到SYM32F407内部的一个Flash软件中。然后，把下载好的软件与version文件里所存储的软件信息进行比较。如果数据和信息都相同，那么升级流程可以直接跳过，执行下一步相应的应用程序；如果两者比较后发现数据信息不一致，需执行相应的升级程序。完成上述过程后，网络调试工具的窗口如果显示update fireware ok，表明显示系统在远程控制中升级成功，也证明了系统远程控制升级设计的正确性。

3 结 论

本次设计和讨论实现了对原始电磁数据信号的设计和采集，能够使地震监测系统实时传递数据和信息，并且在数据传送过程中保证了传输的稳定性和可靠性，一定程度上减少了设备的运维成本，能够对监测系统实现大规模的安装和布置。经过一定的实验和测试证明，感应式传感器在特殊的工作状态下具备良好的性能，系统的自动升级功能也能正常进行，进一步实现了地震监测系统数据分析的准确性和实时性，促进了地震监测系统的电磁信号的采集与实现。