PDS型地震仪自动校钟同步装置研制

李从庆 滕云田 王晓美 范晓勇 张 策 汤一翔

1 中国地震局地球物理研究所,北京市民族大学南路5号,100081 2 中国地震局地球物理勘探中心,郑州市文化路75号,450002 3 中国地震局地壳应力研究所,北京市安宁庄路1号,100085

人工源地震方法探测地壳上地幔结构是了解地球内部矿藏资源、认识地球内部孕震构造和地球动力演化过程的重要途径。人工源地震测深利用人工爆破激发弹性波，通过地表布设的地震仪接收来自地下深部界面的地震波，根据地震波的运动学和动力学特征对观测的地震记录进行分析计算，从而获取特定区域的地壳上地幔结构[1-2]。自20世纪50年代末以来，中国地震局地球物理勘探中心累计完成深地震测深剖面近4万km，为地震活动区深部构造及其细结构、大震孕育环境、发展构造的深部特征研究，地壳和上地慢结构与地球动力学过程研究，火山深部结构探测研究，油气生成的深部构造环境研究取得了高质量的观测数据[3]。PDS型地震仪由中国地震局地球物理勘探中心自主研制，是面向人工地震测深野外数据观测的仪器装备，已累计生产1 300 台套，在历年来的野外探测项目中采集了大量高质量的观测数据，为防震减灾事业作出重要贡献[4]。近年来，随着地球深部探测研究和地震波理论方法的不断发展，也急需将PDS型地震仪应用于诸如超密集台阵噪声成像研究、气枪源人工地震密集台阵观测等项目的野外数据采集工作[5-6]。由于在上述项目的野外数据采集中需要采用连续记录采集模式，且记录一般长达1～2 个月，但PDS型地震仪不具备内置GNSS实时校钟同步功能，如果在连续采集模式下工作1～2月的话，其内部晶振时钟的时间累积误差将达到不可接受的程度。本文研制开发一种与PDS型地震仪协同工作的即插即用式自动监控与校钟同步装置，可解决在诸如超密集台阵噪声成像和气枪源人工地震台阵观测野外数据采集应用中PDS型地震仪在连续记录模式下内部时钟漂移的问题，从而保证PDS 型地震仪采集的数据资料满足超密集台阵噪声成像和气枪源人工地震资料处理对野外数据采集时间精度的要求。

1 硬件设计

PDS型地震仪是一种便携式一体化数字地震仪，可通过端盖上的航空连接器与PC机连接，进行数据读取、参数设置以及状态查看的操作。本文研制的自动校钟同步装置仅需插入PDS 型地震仪端盖上航空连接器插座即可自动运行。自动校钟同步装置的硬件设计框图及与PDS型地震仪的电气连接示意图如图1所示。自动校钟同步装置硬件设计由Apollo2超低功耗微处理器[7]、GNSS OEM模块、GNSS全向螺旋天线、RS-232串口转换芯片、蓝牙通信模块以及磁控逻辑电路等构成。

图1 自动校钟同步装置硬件框图及与PDS型地震仪的电气连接示意图Fig.1 Block diagram of time synchronization and automatic control device

1.1 Apollo2微处理器

PDS型地震仪自动校钟同步装置采用Ambiq Micro公司超低功耗、高性能Apollo2微控制器，内置ARM-Cortex-M4核处理器、硬件浮点处理单元和存储访问保护逻辑单元，支持32路休眠唤醒中断，1MB片上Flash代码和数据存储器，超低功耗高速14 bit ADC，电压比较器和温度传感器，6路I2C/SPI主控制器具备128 B Bi-FIFO，2路全双工UART通信接口。在Active Mode运行方式下，Apollo2内核工作主频高达48 mHz，其sleep mode和deep sleep mod低功耗运行模式可更进一步降低系统动态功耗，工作电源1.755～3.630 V。本设计中Apollo2微控制器采用3.3 V电源系统，为确保微处理器内核与片上逻辑电路单元可靠上电复位，nRST 管脚需要4.7 kΩ电阻上拉至系统电源，同时使用1 nF 胆电容下拉至GND。自动校钟同步装置以Apollo2 微处理器为核心，控制和处理与PDS 型地震仪的UART 通信命令交互、GNSS 报文解码与校钟同步逻辑、磁控逻辑、蓝牙通信以及LED 状态指示等。自动校钟同步装置Apollo2微控制器硬件电路设计如图2所示。

图2 Apollo2微控制器硬件电路Fig.2 Schematic diagram of Apollo2 microcontroller

1.2 GNSSS OEM模块及全向螺旋天线

自动校钟同步装置通过接收GNSS 模块输出的报文信息对PDS 型地震仪进行时间同步与校准。PDS型地震仪内置一个高精度温补晶振(TCXO)驱动计数器为地震数据采集提供时间基准,但PDS型地震仪在野外长期连续观测模式下，温补晶振由于温度漂移导致的时间误差将累积达数百ms量级，严重影响后续资料处理解释的精度。该自动校钟同步装置在插入PDS型地震仪端盖航空连接器后可与地震仪一同埋置于观测点位，实现连续实时不间断校钟同步，从而保证数据采集精度。自动校钟同步装置设计采用uBlox Max-M8 OEM模块，灵敏度达-167dBm，支持接收GPS、Galileo、GLONASS 和BDS四种GNSS系统的导航报文信息，特别是在野外偏远和信号微弱地区能确保报文信息的有效输出[8]。Max-M8报文输出支持DDC和UART接口。本设计使用UART通信接口，GP22_RxD用于接收微处理器的初始化配置信息，GP23_TxD用于向微处理器发送GNSS报文数据帧。在TIMEPULSE信号上升沿以触发Apollo2微控制器中断的方式完成对PDS型地震仪内部温补晶振(TCXO)软件时钟的校准同步。

自动校钟装置需要与PDS 型地震仪一同埋置于观测点位，由于GNSS 电磁信号在穿越覆盖土层时衰减严重，本设计采用超高灵敏度GNSS全向螺旋天线[9]，利用LNA滤波器有效消除GSM 和ISM 频段干扰，平衡式设计排除地平面的共模噪声，可靠保障GNSS信号的有效接收，从而保障自动校钟装置对PDS型地震仪的时间同步校准服务。GNSS全向螺旋天线的辐射方向如图3所示。

图3 全向天线辐射方向图(dBic)Fig.3 Radiation pattern(dBic)

1.3 蓝牙无线通信

PDS型地震仪在诸如地震背景噪声超密集台阵、气枪源密集台阵野外数据采集工作中需要采用连续观测记录的模式采集数据1～2月之久，为了方便野外人员对地震仪工作状态开展巡检巡查，自动校钟装置设计了蓝牙无线通信功能，野外工作人员可通过手机应用软件便捷地获取地震仪的工作状态和参数设置、实时查看波形显示，一旦发现有故障可以尽快处置，防止地震数据损失。如果需要，也可以对地震仪修改工作参数设置，保证仪器处于最佳数据采集状态。本设计采用日本Taiyo Yuden公司的EYSHSNZW超小尺寸、超低功耗Bluetooth 5.0模块，支持2 Mbps通信模式[10]。Apollo2 微控制器通过SPI接口与蓝牙通信模块进行数据交互，而手机应用程序发出的操作命令通过蓝牙模块发给Apollo2微控制器，微处理器将请求的状态参数准备好之后再返回手机应用程序，从而实现野外操作人员对PDS型地震仪的操控功能。图4所示为蓝牙通信模块电路。

图4 蓝牙通信模块电路Fig.4 BLE module cricuit

2 固件程序设计

自动校钟同步装置固件程序分为Apollo2 微处理器固件程序和nRF52382 蓝牙通信固件程序两个部分，Apollo2 微处理器面向PDS型地震仪主要完成GNSS报文信息解码、同步信息提取、同步逻辑控制、同步反馈状态处理等，而nRF52382蓝牙通信固件程序主要通过BLE 5.0 通信协议栈完成PDS型地震仪与手机Android APP 的无线链接通信功能。

2.1 Apollo2微处理器固件程序

Apollo2微处理器固件程序上电运行后，首先通过UART接口完成对GNSS模块Max-M8工作参数的初始化，然后开始处理GNSS模块以NEMA-0381帧格式输出的星历报文数据并提取GNSS时间服务信息和经纬度数据[11]。在TIMEPULSE脉冲信号上升沿，Apollo2微控制器向PDS 型地震仪发出校钟同步控制命令序列以及更新经纬度坐标信息。GNSS报文以ASCⅡ码形式输出，报文起始标识为美元符号“$”,随后依次为“<报文标识>”域、“{,<报文信息数据>}”域、“*<校验和>”域以及结尾标识“”。其中，校验和的校验范围只包括“<报文标识>”域和“{,<报文信息数据>}”域。

自动校钟同步装置插入PDS型地震仪即可上电自动运行，在硬件上电复位后，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接收机模块的一些软件初始化工作。随后，固件程序以中断方式接收报文信息并利用GPRMC语句判断当前GNSS定位信息是否有效。如果定位有效，则分别解析GPGGA语句和GPRMC语句，提取经纬度、高程、日期和时间信息，经时区校正后在TIMEPULSE信号上升沿时刻完成对PDS型地震仪的时间校准同步。如果磁控逻辑触发电平有效，Apollo2微控制器还将运行面向蓝牙无线通信模块微控制器nRF52382的固件代码，并通过SPI接口实现命令和数据的交互，否则直接进入休眠，最大限度降低自动校钟同步装置的静态功耗和动态功耗。待定时中断触发后，Apollo2微控制器重新唤醒开始新一轮的循环工作。Apollo2 微处理器固件程序的主体流程如图5所示。

图5 Apollo2固件程序流程Fig.5 Flow chart of Apollo2 MCU firmware

2.2 nRF52382蓝牙通信固件程序

自动校钟同步装置内置BLE 5.0蓝牙通信功能可实现手机Android应用无线操控PDS型地震仪。为方便实现BLE 5.0蓝牙通信功能，本设计中EYSHSNZWZ蓝牙模块nRF52382固件程序在Nordic公司S132 Softdevice[12]蓝牙通信协议基础上将蓝牙模块实现为一个SPI Slave设备。Apollo2微控制器作为SPI Maser设备与SPI Slave设备进行数据通信，实现手机Android APP 对PDS型地震仪进行参数设置、状态查询、实时波形回显以及手动校钟控制等功能。蓝牙模块nRF52382微控制器固件程序通过调用Softdevice提供的nRF API函数面向Anriond APP实现应用数据通信服务，以及面向Apollo2微控制器的SPI Master控制器实现数据交互。

3 样机测试与初步野外实验

自动校钟同步装置样机研制完成后，首先在室内对其运行情况展开测试，通过两台一组连续一周的运行比对观测，自动校钟同步装置运行工作稳定正常。通过查看，PDS型地震仪钟差数据记录均小于1 ms，满足地震噪声成像超密集台阵野外观测的要求。为了进一步验证自动校钟同步装置的性能，2019-05-29～06-12在新密市青屏山超低频振动实验场开展了PDS型地震仪与国内外几型地震仪(包括美国Fairfield公司的Z-land地震仪、GTI公司的Nur-1C地震仪以及国内IES、ESP等地震仪)的比对实验。项目组在实验现场挖掘一个深约30 cm、面积约1 m2的浅坑，将参与比对实验的几型仪器规整排列布放于底部基岩上，仪器调平并设置统一的工作参数启动采集，然后沙土回填将仪器掩埋(覆盖层厚度约5 cm)。为了防止仪器出现故障，特意将每一型地震仪都放置两台同时参与比对观测。在实验结束后，对各型地震仪读取的数据分析显示，均工作正常。将Z-land地震仪与插有自动校钟同步装置的PDS型地震仪数据比对分析发现，Z-land地震仪与PDS型地震仪截取相同时间段的波形记录完全吻合，证明自动校钟同步装置运行稳定可靠且有效(图6)。

图6 Z-land地震仪与PDS型地震仪波形对比Fig.6 Seismic waves comparation between Z-land and PDS seismographs

4 结 语

本文研制的自动校钟同步装置是一种与PDS型地震仪协同工作的即插即用式自动监控与校钟同步装置，实现了对PDS型地震仪在野外数据采集中的实时时钟同步校准，可消除PDS型地震仪工作在连续记录模式下的时钟漂移，使得PDS型地震仪可以很好地应用于超密集台阵噪声成像和气枪源人工地震台阵观测野外数据采集。目前，通过室内测试和野外比对实验获得了初步结果，下一步将研究优化动态电源管理，增加地震仪的工作电压监测报警、仪器状态监控和校钟信息日志文件等功能，使得通过蓝牙无线通信与手机Android App 实现交互操作能力，也将极大方便野外仪器巡检巡查。