一种多上位机的地震仪采集系统设计

刘小虎



一种多上位机的地震仪采集系统设计

刘小虎

（海军工程大学电气工程学院，武汉 430033）

为提高地震仪信号采集系统集成化、智能化水平和信号采集的精度，以高性能多路模数转换器件ADS1256为核心、高性能处理器STM32F103为主控制器，设计了多上位机的地震仪采集系统。采用基于LabVIEW编程的上位机实现人机交互，通过以太网实现上下位机之间的信号传输，可以单下位机服务多上位机。通过实测表明，该系统可以通过上位机自主设置量程和采样速率，实现了采样系统量程和采样速率的实时调整。

ADS1256 STM32F103 LabVIEW 以太网 多上位机

0 引言

地震仪广泛应用于全国各地的地震情况状态监测与控制之中，在预防地震中起到了重要作用。目前地震仪主要的问题是配套的地震仪信号采集系统不完善[1-3]。为提高地震仪信号采集系统集成化、智能化水平和信号采集的精度，以高性能多路模数转换器件ADS1256为核心、高性能处理器STM32F1为主控制器，结合基于LabVIEW编程的上位机，设计了一种多上位机的地震仪信号采集系统。该系统可以通过上位机自主设置量程和采样速率，实现了采样系统量程的实时调整，可以兼容多个上位机。在简化测量装置、提高地震预测能力上具有重大意义[4-7]。

1 系统概述

地震仪信号采集系统设计的基本思路是：先将地震仪检测到的信号通过前级信号处理，将差分信号转成单端信号，通过模拟多路选择开关对信号进行选择性衰减，利用滤波电路滤除高频噪声。滤除高频噪声后的信号送给A/D转换模块进行模数转换。然后CPU模块通过SPI总线实时读取A/D模块转换后的数字信号，并对信号进行处理和判断后发送给上位机，同时也将GPS信号发送给上位机，并实时将采集的地震仪数据和GPS数据按格式存储到SD卡中。上位机对信号进行显示和存储，并发送量程、采样频率、上下限值、整定波输出设置等命令给CPU模块，CPU模块根据上位机传来的命令进行相应操作。该采集系统的优点是，通过选择性信号衰减电路与ADS1256自带的可调节增益放大器结合，可通过上位机实时调整采样系统量程和采样速率。系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

2 系统硬件设计

地震仪信号采集系统硬件部分有电源模块、前级信号处理模块、A/D转换模块、CPU模块、SD卡存模块、GPS模块、整定波输出模块、防雷电保护模块。其中，电源模块通过220 V/24 V的AC/DC电源适配器将电源接入系统，再通过IB2405S、RA2-2424P、LM1117-3.3等DC/DC转换模块为系统各硬件模块供电，CPU、SD卡存储等较成熟模块这里不做详细介绍。

2.1 前级信号处理模块

由于从地震仪到信号处理模块存在较长的距离，采用系统抗电磁干扰能力强的差分方式传输地震波信号，能最大程度的减小信号的失真。在设计时，考虑到ADS1256为8通道芯片，只能单端8通道或者差分四通道采集。根据地震仪输出差分信号的特点，项目采用INA134模块将信号转换成单端信号。差分信号转单端信号的电路如图2所示。

图2 差分信号转单端信号电路

地震波信号幅值不允许超过AD1256最大测量幅值，故需要通过分压电阻进行信号衰减，分压电阻的精度对采集系统具有极大的影响，所以分压电阻要求是高精度、低温漂的电阻。而ADS1256内部可编程增益放大器的放大倍数由芯片内的ADCON寄存器的PGAO、PGA1、PGA2联合控制，PGA的值在1到64之间，结合硬件衰减，测量量程可最小可以到78.125 mV，最大可以到20 V。通过合理设置模块的量程，能有效提高信号测量的分辨率。

2.2 A/D采样模块电路

对于模数转换芯片，参考电压的纹波直接影响采样的性能，因此要求参考电压具有极低的噪声和温漂，以得到最佳的转换结果。为解决该问题，在A/D采样模块中，设计独立的参考电源模块。2.5 V参考电压通过AD780芯片生成，该芯片温度漂移低至3 ppm/℃、微功耗、低压差、性能稳定，能很好的满足采集芯片对参考电压的要求。参考电压电路如图3所示。

图3 参考电压电路

为防止模拟地和数字之间存在电压，影响芯片的性能，故采用模拟地和数字地分开的方式，在单端用零欧姆电阻短接。由于ADS1256的数字IO引脚没有使用，所以接地，以防止多余的功耗。由于模拟电源超过5.2 V时，容易烧毁ADS1256，因此使用REF5050芯片为A/D模块提供模拟电源，并均在数字电源和模拟电源输入端并联0.1mF陶瓷电容和10mF钽电容滤波，以稳定电源并防止电压变化幅度过大烧毁芯片。设置RC滤波器来限制信号的高频噪声，并在印制电路板上尽量缩短信号输入线，减少噪声引入。

2.3 以太网模块电路设计

以W5500为核心的以太网模通信块电路如图所示，W5500正常工作时，需提供3.3 V数字电源和3.3 V模拟电源。W5500的XI、XO为时钟引脚，共外接25MHz石英晶体振荡电路；RSTn为复位引脚，低电平有效，和单片机I/O引脚连接，由单片机控制W5500进行复位；PMODE2、PMODE1、PMOD0为网络工作模式选择引脚，设置为“所有功能，启动自动协商”；EXRES1为外部参考电阻引脚，外接一个精度为1%的12.4 kΩ外部参考电阻，为内部模拟电路提供偏压；TOCAP为外部参考电容引脚，外接一个4.7 μF电容而且到该电容的走线要尽量短一些，以保证内部信号的稳定；1V2O为内部稳压器1.2 V电压输出引脚，外接一个10nF电容；SCSn为W5500的SPI接口片选引脚，低电平有效；RXN、RXP为差分信号接收引脚；TXN、TXP为差分信号发送引脚；SCLK为SPI时钟输入引脚；MISO为SPI主机输入从机输出引脚；MOSI为SPI主机输出从机输入引脚；INTn为W5500中断输出引脚，低电平有效。

图4 W5500为核心的以太网模通信块电路

W5500是高频芯片，容易受到电磁波干扰，芯片工作不稳定会造成接收数据包的丢失，因此设计者应当注意电磁兼容性问题，在电路设计时PCB板应当合理敷铜。W5500硬件电路设计中的复位信号非常重要，但容易被忽略，若用简单RC电路，即使能实现复位功能，但效果并不理想。本次设计采用STM32F1的I/O口作为复位信号，这样一方面能确保W5500与STM32F1之间的同步，另一方面，如果连接断开或工作失败，STM32F1能对W5500进行及时控制。TCT和RCT两引脚为变压器收/发端的中心抽头，设计时应接3.3 V。另外RJ-45的外壳应当接大地，但尽量不要连接供电电源的地。TXOP/TXON，RXIP/RXIN的PCB走线尽量平行且等长。

3 软件设计

W5500芯片集成了TCP/IP协议栈，即芯片本身就集成了网络层和传输层相关的协议，在软件只需要初始化芯片配置即可实现以太网数据的收发。即配置本机的MAC地址寄存器模式寄存器、中断屏蔽寄存器、重发时间和次数寄存器、重发寄存器、网关地址寄存器、本机IP地址寄存器等。初始化过程结束后，W5500可以以TCP和UDP等模式打开Socket，进行数据的收发[10]。本文采用W5500查询寄存器方式工作，通过MCU定时中断控制数据的发送速率，程序设计流程图如图5所示。

图5 W5500程序设计流程图

图6 波形显示

4 系统测试

通过信号发生器模拟地震波横波、纵波和垂直波的信号，并同时通过交换机连接5台计算机，以测量采集系统的性能。经测试，系统兼容性强，能多台上位机同时工作。上位机显示如图6所示，可以看出，地震仪信号采集系统能较好的采集并显示信号模拟地震信号的波形。

5 小结

为提高地震仪信号采集系统集成化、智能化水平和信号采集的精度，设计了一种多上位机的地震仪信号采集系统。该系统通过硬件与软件结合的方式来调整系统的测量量程，以适应不同场合下地震波的测量。与地震仪进行联调，对采集系统进行了验证，从结果看，信号采集系统测量精度高、误差小、工作稳定，能够服务多上位机。

[1] 施湛. 基于MEMS传感器的高精度地震波采集系统研究[D]. 杭州: 杭州电子科技大学, 2014.

[2] 臧昊. 地震波静力触探测试系统的研制[D]. 南京: 东南大学, 2016.

[3] 王瑞娟. 鄂尔多斯苏南黄土山区地震资料采集技术[J]. 内蒙古煤炭经济, 2017, (7): 48-49.

[4] 施湛, 董林玺. 基于MEMS传感器的高精度地震波采集系统[J]. 机电工程, 2013, 30(12): 1524-1527.

[5] 王威. 基于新型MEMS传感器的地震波采集系统[D]. 杭州: 杭州电子科技大学, 2012.

[6] 巩稼民, 侯斌, 杨祎. 高速差分传输线的设计[J]. 西安邮电大学学报, 2015, 20(02): 41-46.

[7] 赵志超. 高速差分传输线模型的分析与设计[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2012.

Design of a Seismograph Aquisition System With Multi-position Machine

Liu Xiaohu

(School of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 30033, China)

TM933.2

A

1003-4862（2018）06-0052-04

2018-03-21

刘小虎（1976-），男，博士。研究方向：逆变技术及其应用。Email：2847403138@qq.com