MEMS加速度傳感器在強震觀測中的應用*

劉鋼鋒 朱 威 鄒 彤 林 強

(中國地震局地震研究所，武漢 430071)

MEMS加速度傳感器在強震觀測中的應用*

劉鋼鋒 朱 威 鄒 彤 林 強

(中國地震局地震研究所，武漢 430071)

提出基于MEMS加速度傳感器的強震儀設計方案，并在強震觀測中完成了地震加速度數據的采集、觸發判斷和存儲。

MEMS加速度傳感器;地震臺站;觸發判斷;強震觀測;地震儀器

1 引言

地震觀測是研究地震活動的重要手段，傳統的地震觀測儀器具有體積大、價格高的缺點。為減小儀器體積，提高采樣速率，我們利用 ST公司的LIS344ALH加速度傳感器、TI公司的ADS1255數模轉換器和STM32F103VB處理器，設計了一款新的強震加速度測量儀器，該儀器能夠實現多通道實時同步采集和保存地震加速度數據。

2 觀測系統整體設計

整個地震觀測系統由信號調理、采集、轉換、判斷保存、報警和傳輸組成(圖1)。系統采用三軸線性MEMS加速度傳感器進行觀測。當有地震發生時，傳感器把加速度信號轉變為可輸出的電壓信號，經過低通濾波進入A/D芯片，處理器把轉化的數字信號保存到 SRAM緩存中，當速度達到閾值時，SRAM中的值才保存到SD卡中，并觸發報警系統。最后把數據傳輸到PC機進行數據分析處理。

圖1 系統組成框圖Fig.1 Block diagram of the system

3 硬件設計

硬件系統主要由以下幾個模塊組成：

1)MEMS加速度傳感器。MEMS加速度傳感器要求：三軸、寬頻帶、低頻響應好、加速度和靈敏度滿足地震監測要求。設計中傳感器采用ST公司的LIS344ALH，該LIS344ALH是一款超緊湊低功耗三軸線性加速度傳感器，非線性度低，噪聲密度小。加速度傳感器采用2.4～3.6 V單電源供電;工作溫度范圍為-40～+85℃;抗沖擊力為10 000 g;檢測量程為±2 g或±6 g(一般監測地震±2 g就滿足需求)。加速度計的輸出電阻約為110 kΩ(圖2)，在信號輸出端加上電容C，構成低通濾波器，以改變三軸輸出量的頻率帶寬。頻率范圍從DC到1.8 kHz。在靜止狀態下3.3 V供電輸出1 650 mV信號，稱之為“零重力水平”。該“零重力水平”可保證在2 g量程范圍內加速度計的輸出都是正值。

圖2 LIS344ALH電路設計Fig.2 Circuit design of LIS344ALH

2)信號調理電路。由于LIS344ALH的輸出范圍為0.33～2.97 V，符合ADS1255模擬輸入在0～5 V的要求，故不用放大電路。一般地震波屬于0～80 Hz的低頻信號，兼顧對高頻信號的考慮，在設計中我們取截止頻率為f=150 Hz。其二階有源壓控低通濾波器如圖3所示。

圖3 二階有源低通濾波器Fig.3 Two-order active low-pass filter

3)A/D轉化器。ADS1255是德州儀器(TI)推出的一款高性能A/D轉換器，其內部集成了多路選擇開關(MUX)、可編程增益控制器(PGA)、四階△-∑調制器，可編程數字濾波器等，具有極低的噪聲，可滿足高精度的測量要求。A/D采樣方式可以分為多路復用A/D采樣方式和每通道獨立A/D采樣方式。早期的采樣電路由于A/D轉換器成本較高，多采樣多路復用A/D采樣方式，這樣的采樣方式動態范圍小，一般只有80 dB，使得高達24位的采樣精度失去意義。通道較多時必須使用多個模擬復用開關進行組合控制，這樣容易引起通道間的干擾產生噪聲，而且多路復用A/D的同步信號采集精度不高。所以本設計中采用每通道獨立A/D采樣方式。ADS1255的電路設計圖如圖4所示。

圖4 ADS1255電路設計Fig.4 Circuit design of ADS1255

采用獨立外部參考電壓器件REF5025提供2.5 V的參考電壓，該器件具有低噪聲、低漂移、高精度等特點，特別適合于16位以上的A/D轉換系統。圖5為REF5025的參考電壓設計電路。

圖5 參考電壓設計電路Fig.5 Circuit design of the VREF voltage

因為AIN0端輸入的加速度信號帶有1.65 V的直流分量，我們在AIN1端輸入一個1.65 V的直流電壓量，使得最后的采樣只含有實際的加速度值。

4)處理器采用意法半導體公司的STM32F103VB為處理器。該款處理器是基于ARM最新先進架構Cortex-M3內核，低功耗且控制功能強大。

觀測系統的數據存儲分為兩個部分：數據暫時存儲和觸發文件存儲。因為我們只需要強震觸發前后各30 s的加速度數據，并需要暫時存儲最近30 s的數據在SRAM中。由于數據量較大，通過STM32的FSMC擴展了1片1M*8bit的SRAM。觸發文件存儲則是把觸發前后各30 s的數據永久保存到SD卡中。STM32與SD卡的連接采用SPI總線方式，數據傳輸速度滿足設計需要。

此外，為了提供數據的采集時間，設計中選用PCF8563作為時鐘芯片，它與處理器之間通過I2C總線進行數據傳輸。

4 軟件設計

軟件設計主要是初始化處理器和A/D轉換器的寄存器，設置A/D采樣率，對采集的數據進行讀取、判斷和保存。如果不是地震觸發事件，則一直使SRAM中存有各個通道最新30s數據;若為地震事件，則產生報警信息，把緩存的數據存入SD卡，并通過串口上傳至PC機進行后續處理。系統流程圖和A/D采樣中斷子程序分別如圖6和圖7所示。

圖6 系統流程Fig.6 Flow chart of the system

圖7 A/D采集數據中斷子程序Fig.7 Interrupt subroutine of A/D sampling

5 結語

MEMS加速度傳感器在低頻響應和低噪聲方面要好于傳統的地震儀，但它的使用環境受限，如傳感器埋置要求高，振動干擾要小等。

1 許建華.基于微型傳感器的地震加速度監測系統技術研究［D］.中國地震局地球物理研究所，2006.

2 李寧.基于MDK的STM32處理器開發應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.

3 李彩華，李小軍.一種高精度三通道強震動記錄器的設計［J］，地震地磁觀測與研究，2006，(9)：16-17.

4 康華光.電子技術基礎(第四版)［M］.北京：高等教育出版社，1996.

5 陳金鷹，龔江濤，龐進，席華.地震檢波器技術與發展研究［J］.物化探化探計算技術，2007，(18)：5-6.

APPLICTION OF MEMS ACCELERATION SENSOR TO MACROSEISM OBSERVATION

Liu Gangfeng，Zhu Wei，Zou Tong and Lin Qiang
(Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071)

The digital seismometer based on MEMS acceleration sensor is of low cost and small volume.A design of seismometer based on MEMS acceleration sensor to accomplish sample，trigger judgment and storage of the earthquake acceleration data，is proposed and realized.

MEMS acceleration sensor;seismostation;trigger judgment;macroseism observation;seismograph

1671-5942(2011)Supp.-0168-03

2011-01-08

劉鋼鋒，男，1984年生，碩士研究生，研究方向為測試計量技術及儀器.E-mail：gf_liu@hotmail.com

TH76.3

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