PBS型32位寬頻帶流動(dòng)地震儀

摘 要： 在此介紹一種基于STM32F437微處理器和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，用于超長(zhǎng)觀測(cè)距人工地震探測(cè)的微型一體化寬頻帶地震儀的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法。在對(duì)有源差容式地震計(jì)進(jìn)行了微型化和低功耗設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，使得PBS型32位寬頻帶流動(dòng)地震儀兼具寬頻帶和低功耗、小體積的特點(diǎn)，方便野外運(yùn)輸、安裝，還具有互聯(lián)網(wǎng)接入能力。該儀器也可應(yīng)用于天然地震寬頻帶流動(dòng)觀測(cè)，地震余震觀測(cè)和水庫(kù)地震觀測(cè)等。該儀器在4·20四川蘆山地震應(yīng)急觀測(cè)試驗(yàn)中取得了較高質(zhì)量的地震觀測(cè)數(shù)據(jù)，性能完全滿(mǎn)足地震觀測(cè)要求。

關(guān)鍵詞： 寬頻帶； 流動(dòng)地震儀； STM32F437微處理器； 有源差容式地震計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN919?34； TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）18?0121?04

0 引 言

地震學(xué)方法是研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的有效手段。近年來(lái)，人工源地震測(cè)深方法的不斷進(jìn)步以及野外觀測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理方法的進(jìn)一步完善和發(fā)展，對(duì)地震勘探精度的要求越來(lái)越高，探測(cè)目標(biāo)也在不斷地向地球更深處延伸。這就要求地震儀器不但要有足夠高的分辨率、更高的勘探精度，而且還要能夠記錄到反映地球深部信息的低頻信號(hào)。 測(cè)線(xiàn)上密集的觀測(cè)點(diǎn)位設(shè)置，長(zhǎng)達(dá)數(shù)百公里甚至上千公里的超長(zhǎng)觀測(cè)距成為人工地震探測(cè)野外工程的重要特征[1]。本文介紹一種適用于超長(zhǎng)觀測(cè)距人工地震探測(cè)，具備大動(dòng)態(tài)范圍、低功耗、微型化、寬頻帶的高性能地震儀。該地震儀體積小、重量輕，布放靈活，操作簡(jiǎn)便，可以提高野外數(shù)據(jù)采集的效率和質(zhì)量，并有效降低野外工程成本。本儀器也可應(yīng)用于天然地震寬頻帶流動(dòng)觀測(cè)，地震余震觀測(cè)和水庫(kù)地震觀測(cè)等。

1 硬件設(shè)計(jì)

PBS型地震儀采用一體化設(shè)計(jì)方案，由有源差容式力平衡速度傳感器及CPU核心控制電路板組成，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。傳感器是一款經(jīng)小型化和低功耗設(shè)計(jì)的有源差容式速度型地震計(jì)；CPU核心控制板以Cortex??M4F STM32F437微處理器為核心，由模數(shù)轉(zhuǎn)換、CF卡存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)緩存SRAM，GPS授時(shí)模塊，標(biāo)定信號(hào)發(fā)生，環(huán)境參數(shù)傳感電路以及以太網(wǎng)和串口通信接口組成[2?4]。

1.1 微處理器

STM32F437微處理器是意法半導(dǎo)體公司推出的一款基于ARM Cortex?M4內(nèi)核，具有數(shù)字信號(hào)處理和浮點(diǎn)運(yùn)算指令的高性能微控制器。 Cortex?M4內(nèi)核工作頻率可達(dá)168 MHz，獨(dú)特的ART Accelerator總線(xiàn)加速器使得程序在FLASH中無(wú)等待周期地執(zhí)行，極大提高了代碼在FLASH中的執(zhí)行速度。內(nèi)嵌浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU），支持DSP指令，具備全功能的MPU。STM32F437微處理器內(nèi)部集成容量達(dá)2 MB的FLASH存儲(chǔ)器，256 KB的高速SRAM存儲(chǔ)器；具有豐富的片上設(shè)備，包括支持MII和RMII模式的10/100 Mb/s以太網(wǎng)MAC控制器、3路12 b模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、4路USART、6路SPI發(fā)送接收器、外部存儲(chǔ)控制器等。

1.2 A/D轉(zhuǎn)換

TI公司的ADS1282是一款2通道復(fù)用高性能、單片模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置低噪聲可編程增益控制器，適合于對(duì)性能有苛刻要求的地震監(jiān)測(cè)應(yīng)用。該A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部集成穩(wěn)定的4階ΔΣ調(diào)制器，具備優(yōu)異的噪聲和線(xiàn)性性能。片上PGA具有低噪聲（4 nV/[Hz]）和高阻抗特性，便于連接地震檢波器；片山數(shù)字FIR/IIR濾波器可配置產(chǎn)生250?4 KSPS的數(shù)據(jù)率，高通濾波器拐角頻率可調(diào)；片上的增益和偏移定標(biāo)寄存器方便系統(tǒng)標(biāo)定設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中，傳感器輸出的模擬差分地動(dòng)波形信號(hào)經(jīng)放大后，分別輸入到AD1282的AINP和AINN端。開(kāi)始采集數(shù)據(jù)時(shí)，STM32F437微處理器發(fā)出同步采集信號(hào)SYNC，使三路數(shù)據(jù)采集具有相同的采集時(shí)刻。

當(dāng)一次三路模/數(shù)轉(zhuǎn)換完成后，DRDY1，DRDY2，DRDY3經(jīng)與非門(mén)邏輯運(yùn)算后，向微處理器發(fā)出數(shù)據(jù)采集中斷，并有采集中斷處理程序通過(guò)SPI接口完成數(shù)據(jù)到緩存的采集。

一路A/D轉(zhuǎn)換原理電路圖2所示。

1.3 CF卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

CF卡的全稱(chēng)為“Compact FLASH”卡，意為“標(biāo)準(zhǔn)閃存卡”，簡(jiǎn)稱(chēng)“CF卡”，Compact FLASH技術(shù)是由Compact FLASH協(xié)會(huì)（CFA）提出的一種與PC機(jī)ATA接口標(biāo)準(zhǔn)兼容的技術(shù)。CF卡作為一種先進(jìn)的移動(dòng)數(shù)碼存儲(chǔ)產(chǎn)品，其優(yōu)勢(shì)是很明顯的，它具有高速度、大容量、體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。工業(yè)級(jí)CF卡工作溫度范圍可達(dá)-40～85 ℃，可以很好地滿(mǎn)足野外地震數(shù)據(jù)采集惡劣工作環(huán)境的要求。本設(shè)計(jì)中，利用STM32F437微處理器的FSMC外部存儲(chǔ)控制器，模擬TrueIDE接口時(shí)序，實(shí)現(xiàn)對(duì)CF卡的讀寫(xiě)操作[5?8]。CF卡的接口電路設(shè)計(jì)，如圖3所示。

1.4 GPS授時(shí)定位

地震儀在野外獨(dú)立工作期間，依靠自身的守時(shí)鐘對(duì)采集的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間標(biāo)記。但由于溫補(bǔ)晶體隨著環(huán)境溫度的變化導(dǎo)致儀器產(chǎn)生比較大的鐘差，為后期資料解釋工作帶來(lái)很不利的影響。為提高時(shí)間服務(wù)精度，本設(shè)計(jì)中利用GPS授時(shí)定位模塊為地震儀器系統(tǒng)提供時(shí)間校準(zhǔn)和經(jīng)緯度高程等信息。GPS模塊根據(jù)需要，可以設(shè)定為連續(xù)、間歇和手工等工作模式，既保證了系統(tǒng)的時(shí)間精度，又可降低系統(tǒng)整體功耗。GPS模塊的設(shè)計(jì)，如圖4所示。

1.5 通訊接口

通訊接口是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾侄巍Ｔ诒驹O(shè)計(jì)中，地震儀設(shè)計(jì)有2路UART串口和1路以太網(wǎng)接口。其中，一路串口用于接收GPS模塊發(fā)送的報(bào)文信息；另一路串口用于對(duì)地震儀器的參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)檢查等儀器監(jiān)控操作等。網(wǎng)絡(luò)接口除用于儀器監(jiān)控操作外，用于實(shí)現(xiàn)地震儀器的地震觀測(cè)組網(wǎng)、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2 軟件設(shè)計(jì)

儀器系統(tǒng)軟件包括2部分，一部分是固化在地震儀內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)地震儀基本功能的固件程序，地震儀固件程序燒錄在微處理器內(nèi)部FLASH存儲(chǔ)器中，儀器上電復(fù)位后，地震儀各基本功能功能模塊即開(kāi)始循環(huán)運(yùn)行；另一部分運(yùn)行在PC上，作為地震儀監(jiān)控終端的監(jiān)控軟件。

2.1 地震儀固件程序

地震儀固件程序由命令控制模塊、通訊控制模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、標(biāo)定信號(hào)發(fā)生模塊、GPS解碼及時(shí)鐘控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊，IIR/FIR數(shù)字濾波[9]和CF卡讀寫(xiě)控制模塊等功能模塊組成.固件程序框圖如圖5所示。 在本設(shè)計(jì)中為了便于地震記錄數(shù)據(jù)在PC機(jī)上利用讀卡器直接讀取，在CF卡上實(shí)現(xiàn)了一種定制的FAT32文件系統(tǒng)，既方便了數(shù)據(jù)讀取又沒(méi)有過(guò)大增加代碼規(guī)模。

2.2 PC機(jī)監(jiān)控軟件

PC機(jī)監(jiān)控軟件用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，使用戶(hù)可以方便地進(jìn)行儀器參數(shù)設(shè)置、定時(shí)記錄列表編輯、文字助記信息編輯、儀器工作狀態(tài)查看、實(shí)時(shí)波形顯示等操作。在地震儀聯(lián)機(jī)工作下，PC機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)動(dòng)作命令、參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)檢查、通道檢查及實(shí)時(shí)波形顯示等監(jiān)控操作。在脫機(jī)狀態(tài)下，PC機(jī)監(jiān)控軟件還可進(jìn)行數(shù)據(jù)翻查、統(tǒng)計(jì)匯總、預(yù)處理、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、質(zhì)量評(píng)價(jià)、歸檔入庫(kù)等操作[10]。監(jiān)控軟件界面如圖6所示。

3 研制結(jié)果

目前，PBS型寬頻帶流動(dòng)地震儀的初始樣機(jī)已經(jīng)基本研制完成，滿(mǎn)足地震觀測(cè)的性能要求。各項(xiàng)實(shí)測(cè)性能指標(biāo)基本到達(dá)研制目標(biāo)要求，另有一些性能指標(biāo)正在改進(jìn)中。

3.1 性能指標(biāo)

3.2 野外試驗(yàn)觀測(cè)

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，北京時(shí)間2013年4月20日08時(shí)02分，在四川省雅安市蘆山縣（北緯30.3°，東經(jīng)103.0°）發(fā)生7.0級(jí)地震，震源深度約13 kg。震中距離雅安市約35公里，距成都市約110 kg。地震發(fā)生后，物探中心進(jìn)行了大震余震觀測(cè)。

PBS地震儀樣機(jī)也在此次余震觀測(cè)中清晰地記錄到了大量的地震余震事件，如圖7展示了由PBS地震儀記錄下的某個(gè)地震余震事件。

3.3 幾個(gè)問(wèn)題

通過(guò)對(duì)PBS樣機(jī)的實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)有如下的幾個(gè)問(wèn)題：

（1）為了適應(yīng)電池從2.5～4.2 V的變化范圍，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)了2級(jí)穩(wěn)壓。初級(jí)是升降壓的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓，次級(jí)是線(xiàn)性穩(wěn)壓。2級(jí)穩(wěn)壓簡(jiǎn)單了電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，但電源的效率不夠高。提高電源效率對(duì)降低整機(jī)功耗還有很大的潛力可挖。

（2）最初設(shè)計(jì)的時(shí)鐘主頻是8 MHz，后來(lái)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)口要求時(shí)鐘主頻不得低于25 MHz，結(jié)果導(dǎo)至系統(tǒng)功耗高出了預(yù)期值。如能找到合適的CPU，功耗還可以有較大幅度的降低。

（3）樣機(jī)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換部分，數(shù)字地和模擬地混在一起，不合理的地線(xiàn)系統(tǒng)大幅降低了動(dòng)態(tài)范圍，應(yīng)為127 dB的動(dòng)態(tài)范圍只剩102 dB。

（4）樣機(jī)是按6通道冗余設(shè)計(jì)的，后期發(fā)現(xiàn)無(wú)需冗余設(shè)計(jì)。按3通道設(shè)計(jì)時(shí)，4.5 kg的樣機(jī)就只剩3 kg了。如有經(jīng)費(fèi)支持開(kāi)模制作，可采用新材料，重量更輕。

（5）通過(guò)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)傳感器的通帶展寬還有很大的潛力，通帶低端完全可以達(dá)到0.02 Hz，甚至更低。

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