基于MEMS 的三分量主动源地震仪设计

高乐然，朱国维，宋佳伟

（1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083）

随着全球化进程的加快和社会的不断发展，工业、军事等领域对矿产资源需求不断增大，但我国主要资源开采带的矿产储量逐渐减少，亟需对我国复杂地形的矿产资源进行勘探开采，因此需要更高性能和更加灵活的地层勘探仪器来探明地层结构，从而保障资源开采过程中人员和设备的安全。实践证明，传统的有缆遥测地震仪有着灵活性差、精度低、频带窄和采样间隔时间长等性能问题，而且所有地震仪均有电缆连接，导致在复杂地形不方便携带仪器，且排线布设困难，增加了施工成本和维护难度，降低了勘探效率[1-3]。在此背景下，设计了一款基于MEMS（微机电机械传感）的三分量主动源地震仪，实现了对浅层地震信号宽频带、高采样率、高精度、多通道的采集，对推动主动源勘探技术的进一步发展有着积极的作用。

1 系统整体设计

1.1 系统结构

基于MEMS 的三分量主动源地震仪由三分量MEMS 检波器、信号处理模块、模数转换（A/D）模块、STM32 控制模块、SD 卡存储模块和以太网无线通信模块等构成，实现了地震信号数据的采集、转换、本地存储以及无线传输功能。每个地震仪可连接4 个三分量MEMS 检波器，在主动源地震信号采集过程中，所有的地震仪可通过无线网桥形成一个局域网，将采集到的地震数据实时传输到PC 上位机进行数据的保存与显示，同时地震仪上自带的SD 卡将数据进行备份存储，PC 上位机可通过无线网络实时修改每个地震仪的采集参数。基于MEMS 的三分量主动源地震仪系统结构如图1 所示。

图1 基于MEMS的三分量主动源地震仪系统结构图

1.2 系统原理

MEMS 检波器将振动信号转换为电信号后传入信号处理模块对电信号进行差分转换、放大和滤波，处理后的信号经模数转换器转换成数字信号，再通过SPI 通信传输到STM32 中，地震数据在STM32 中进行打包、缓存等操作，之后再分别通过SDIO 和以太网两种通信模式将数据同步存储到本地SD 卡和PC 上位机。

地震仪中12 通道数据的传输模式为菊花链传输模式，12 个A/D 模块将每次采集的数据打包后依次传输至前一个A/D 模块，最前面的A/D 模块将所有的采集数据传输到STM32 控制模块。STM32 控制模块通过PWM 输出为A/D 模块提供工作时钟，并控制A/D 模块的使能和复位。地震仪中集成的内部供电电源分别为各个模块提供工作电压。地震仪的整体性能参数如表1 所示。

表1 地震仪整体性能参数

2 系统硬件设计

2.1 MEMS三分量检波器

地震信号采集系统中的检波器是一种把传输到地面或者其他介质中的地震信号转换成电信号的机电转换装置，检波器的性能和质量对整个采集系统的勘探效果有着重要的影响[4]，目前大部分勘探工程中用的地震检波器有动圈式地震检波器和MEMS 地震检波器两种。

动圈式地震检波器是一种速度型检波器，凭借价格低廉、性能稳定、外围电路简单等特点一直被广泛应用于勘探工程中，但是动圈式地震检波器存在接收带宽窄、体积笨重、频率响应低和抗干扰能力弱的问题[5-6]。MEMS 地震检波器则是加速度型检波器[7-8]，随着近年来国内外的陆续研究，新型MEMS地震检波器具有频带宽、主频高、抗干扰能力强等优点，更加适合高分辨率地震勘探。

基于对主动源地震勘探需求的综合考虑，在设计中使用瑞士进口的Colibrys VS1002 单轴加速度传感器，其主要性能参数如表2 所示，传感器的加速度量程为±2g，带宽为0～1 150 Hz，输出灵敏度可达到1 350 mV/g，非线性度低至1%。

表2 MEMES检波器性能参数

2.2 信号处理模块

信号处理模块的主要功能是对输入信号进行差分转换、放大，同时将MEMS 检波器转换出的电信号进行高频干扰和相关噪声的滤除。差分放大电路中采用低功耗轨到轨输出全差分放大器，THS4521 为其核心，该放大器有145 MHz 的带宽，电压输入噪声低，具有轨对轨输出等优点。

通过对主动源信号频率成分、传感器的输入带宽以及常用元器件的综合考虑，采用TI 公司的电路仿真软件TINA 中对差分放大电路仿真，将低通滤波的截止频率设置为1 kHz，电路的放大倍数可通过更改R1、R2、R3和R4进行调整，该设计中暂定为0 dB 放大，差分放大电路如图2 所示。

图2 差分放大电路

2.3 模数转换模块

模数转换模块对调理后的输入信号进行模拟数字转换，其由模数转换芯片AD7767[9]及其相关电路组成。AD7767 是24 位过采样SAR 型ADC，采样精度高，功耗低，结合了大动态范围和输入带宽的优点，输出速率最高为128 kHz，满足主动源勘探的采样要求。其信号输入方式为差分输入，降低了信号间的共模干扰，通过芯片内自带的FIR 滤波和对信号过采样可降低外部噪声，模数转换电路如图3 所示。

图3 模数转换电路

该设计中为了减少了对主控芯片引脚的占用和线路连接，采用AD7767 的菊花链[10]连接功能，采集仪中所有模数转换器的输出端级联到一条数据线，数据统一由与STM32 控制模块通信的AD7767 发送。

2.4 微处理器控制模块

从系统结构图中可知，地震仪中需要选用拥有高集成度、低功耗、高时钟频率、较大SRAM、较高运算速率、SPI 和以太网通信的微处理器，STM32F407[11]的工作频率最高可达168 MHz，具有1 MB Flash 和192 kB SRAM，3 个速度高达45 Mb/s 的SPI，符合IEEE 1588 v2 标准要求的以太网MAC10/100，动态功耗调整能够在运行模式下实现低至238 μA/MHz的电流消耗。以上均符合系统的设计要求，因此地震仪中的微处理器控制芯片采用意法半导体公司的STM32F407ZGT6，微处理器控制模块由STM32F407 ZGT6 及相关外围电路组成。

2.5 以太网通信模块

网络通信采用UDP[12-13]协议，该协议是一种无需建立连接就可以发送封装IP数据包的方法。与TCP[14]协议相比，省去了三次握手和四次挥手的过程，因此基于UDP 协议的传输有着数据传输延迟小、传输效率高的特点，适用于实时性要求高或需要监测的系统。地震仪的网络通信是建立在自组局域网的基础上，不受其他网络干扰，故能保证数据传输的稳定性，同时由于数据量大，需要较高的传输速率，所以UDP 协议是该系统较好的选择。以太网通信模块中的PHY 层芯片采用低功耗的LAN8720A，接口使用精简介质独立接口(RMII)，简化了系统设计。以太网通信模块电路如图4 所示。

图4 以太网通信模块电路

3 系统软件设计

系统程序设计的主要需求是数据的采集、数据的缓存和数据的传输，其中主要包括主程序设计、数据采集程序设计、网络传输程序设计等。

3.1 主程序设计

地震仪初始化完成后等待采集命令，当收到采集命令后，等待外部触发，触发信号到来后对A/D 模块中的数据进行读取、上传和存储等操作，操作完成后，若没有接收到停止采集的命令则等待下一次触发信号的到来；当采集仪接收到停止采集命令后，则停止采集工作。主程序流程图如图5 所示。

图5 主程序流程图

3.2 数据采集程序设计

AD7767 初始化完成后开始转换数据，STM32 等待所有的AD7767 完成数据转换，数据转换完成时，第一个AD7767 的DRDY 引脚由高电平变为低电平，下降沿触发STM32 的中断，由中断服务函数通过SPI 读取AD7767 数据寄存器中的数据，同时，在SRAM 中定义一个9 kB 大小、含8 个区间的缓存区，通过FIFO（先进先出）[15]的方法，循环读取并缓存采集数据等待以太网上传。数据采集程序流程图如图6所示。

图6 数据采集程序流程图

3.3 网络传输程序设计

在网络传输程序中，首先等待数据上传命令，然后判断缓存队列中的数据是否符合出队列的条件。当有需要出队的数据包时，新建一个用于网络传输的内存块，把出队列的数据移至内存块并上传至上位机存储。若接收到停止数据上传的命令，则关闭网络传输，反之继续执行上述操作，每次上传一包（1 152 个字节）采集数据。网络传输程序流程如图7所示。

图7 网络传输程序流程

4 系统测试

为验证地震仪采集数据的准确度、可靠性和对实际地震信号的响应情况，分别做了动态范围测试、标准正弦波测试和面波信号测试三个实验。实验表明该系统的采集性能均达到了预期的设计目标，满足地震信号的采集需求。

4.1 动态范围测试

该测试中，将地震仪的输入端用短接帽短接，设置地震仪的采样间隔时间为0.5 ms，增益为0 dB，滤波器的截止频率为1 kHz，采集到仪器本底噪声有效值大小约为6.02 μV，地震仪能采集到的最大电压有效值为5 V。

式（1）为动态范围的定义[16]，式中D为动态范围；Umax表示最大电压有效值；Umin表示本底噪声的有效值；经计算在0 dB 放大的情况下，地震仪的实时动态范围最大值约为118 dB，满足主动源勘探中采集系统的动态范围不小于95 dB 的要求。

4.2 标准信号测试

随机采用一台地震仪，将地震仪的12 个输入端并联接到型号为MFG-3005H 的信号发生器，采样间隔时间设置为0.5 ms，信号发生器输出频率为30 Hz，幅值为0.5 V 的标准正弦波信号，从12 个信号通道随机挑选一道数据并做频谱分析结果如图8 所示。

图8 标准信号波形图

从图中可以看出，地震仪能完整地采集标准正弦信号，由于每个地震仪有着相同的硬件设计，因此整个系统的数据采集准确度和可靠性较高。

4.3 面波信号测试

面波信号测试时，采用3 台采集仪，每台采集仪连接4 个三分量MEMS 检波器，共36 通道，12 个三分量检波器按直线排列，将检波器的尾椎插进地面，道间距设置为2 m，炮检距设置为14 m，铁锤锤击垫片产生的振动信号作为震源，面波信号测试布置图如图9 所示。

图9 面波信号测试布置图

地震仪布置好之后，下发参数设置、开始采集等命令，在震源的位置用大锤进行锤击，地震仪开始采集数据，数据实时上传并保存。将12 个三分量检波器的Z分量单独抽取并按布设顺序排列，波形如图10(a)所示，对图10(a)中的面波信号进行频率速度（F_V）谱分析，分析结果如图10(b)所示。

图10 面波信号测试与分析图

从图10(a)中可以明显看到面波信号以及信号的走势，说明仪器能正常采集地震信号，在图10 (b)中因为实验仪器数量的限制，采用12 道接收时，瑞利波中的高阶信号和低阶信号混合在一起难以分离，致使频散曲线变得不规则，但是从图中15～30 Hz 之间的白色区域还是可以明显看出面波的频散曲线，面波的速度集中在200 m/s，频率成分主要为25 Hz。

5 结论

文中详细介绍并设计了一款基于MEMS 的三分量主动源地震仪，在该设计中采用△Σ型A/D 转换器实现了主动源地震信号高精度和高速率的采集；MEMS 检波器的使用将系统的频带拓宽至0～1 kHz；菊花链传输模式的应用不仅减少了I/O 口的占用，还将地震仪的通道数增加到12 个；基于STM32 静态随机存储器和FIFO 的数据缓存方式，充分利用了CPU的内存资源；无线传输使得系统更加灵活。综上，基于MEMS 的三分量主动源地震仪在地震勘探工程中具有良好的应用场景，对主动源勘探技术的发展有着重要的推动作用。