地震動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

閆逢春

（中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051）

0 引言

地震動，又稱為地震地面運動，是震源釋放出來的地震波引起的地表附近土層的振動[1]。研究地震動無論是在國民經(jīng)濟建設領域還是軍事領域都有很高的應用價值。在國民經(jīng)濟領域可用于地下礦山開采的安全評估、地下爆炸成腔的數(shù)值研究和地下工程的壓密研究，可以節(jié)省國家大量的人力和物力；在軍事領域可用于對敵方車輛、人員進行實時、準確的監(jiān)測，可掌握敵方的可靠火力部署，掌握主動權。地震動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過測試不同距離的質(zhì)點震動加速度、到達和持續(xù)時間及衰減規(guī)律，作為判斷爆心位置、評價炸彈殺傷力的有效手段。

1 系統(tǒng)總體組成與工作原理

1.1 測試原理

在爆破震動測試中，計算爆心位置和評價爆炸效果是人們最為關心的問題，通過不同埋深、位置的傳感器測得質(zhì)點速度、加速度、應變或應力波形、震動到達時間等數(shù)據(jù)，通過上傳數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)處理中心，就能在PC機軟件平臺上實現(xiàn)波形的實時顯示和數(shù)據(jù)的存儲及處理[2]。

1.2 系統(tǒng)結構選擇

為了能實時顯示爆心位置和評價爆炸效果，需要將震動傳感器陣列獲取的信號快速上傳到PC機中進行實時處理，而實際環(huán)境中場地復雜，不便于傳統(tǒng)的有線電測法布置設備。因此系統(tǒng)要求具有快速的采集和傳輸速度和具備良好的抗干擾能力。最后考慮系統(tǒng)集成的要求，盡量采用模塊化、小型化、低功耗的設計方式。

1.3 系統(tǒng)組成

本文所實現(xiàn)的地震動數(shù)據(jù)采集如圖1所示，它主要由以下八個部分組成：地震動傳感器（陣列）、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、CPLD[3]邏輯電路、單片機、無線通信模塊、GPS接收機、PC機虛擬儀器平臺。系統(tǒng)利用ATmega162作為主控制器，CPLD用于產(chǎn)生控制時序，二者相結合協(xié)調(diào)進行數(shù)據(jù)的采集與傳輸控制。圖1給出系統(tǒng)的總體設計方案框圖。

圖1 系統(tǒng)總體設計方案框圖

2 模塊設計工作原理

2.1 采集模塊

地震動傳感器（陣列）：本系統(tǒng)在測量端使用低頻拾振器拾取振動信號，并用模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)振動參數(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換[4]，可以對多達八通道的地震動信號進行數(shù)據(jù)采集。工作時，可以根據(jù)具體需要來分布八個通道的地震動傳感器，可以將其獨立地離散分布，這樣，八個通道便獨立工作，每個通道負責監(jiān)控一個地點；本系統(tǒng)應用的A/D芯片是MAX1308[5]，該芯片具有八通道可編程配置，可接受數(shù)字輸入分別激活每一路通道。

2.2 控制模塊

控制模塊采用單片機Atmega162和Xilinx公司的CoolRunnerII系列的CPLD一一XC2C256相結合的方式進行設計，在CPLD內(nèi)主要設計了譯碼控制電路和時間同步授時電路兩部分，譯碼控制電路負責控制無線通信模塊的選通與工作狀態(tài)的選擇，時間同步授時電路通過解碼秒級UTC[6]時間信息產(chǎn)生時間同步基準信號，確保系統(tǒng)的各個傳感器的時間能統(tǒng)一到參考的標準時間上。

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊選用挪威Nordic公司的NRF905無線通信單元，工作于433/868/915MHz頻段，內(nèi)置SPI總線接口和可編程選擇的8/16位CRC校驗，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，1.9-3.6V的工作電壓，低功耗，待機模式電流消耗僅為2.5μA，發(fā)射功耗11mA-30mA，接收功耗10mA，在l0dbm發(fā)射功率條件下，配置外置鞭狀天線有效通信距離為300m左右。

2.4 GPS接收機

GPS接收機采用瑞士u-blox公司的RCB-4H，以及ANN-MS有源GPS接收天線。利用GPS接收機，可以接收到GPS發(fā)布的導航授時信息并產(chǎn)生精確的1PPS[7]信號傳給同步系統(tǒng)實現(xiàn)時間同步。

2.5 PC機虛擬儀器

PC機作為人機接口，主要任務是通過系統(tǒng)操控軟件發(fā)送測試命令和接收測試數(shù)據(jù)，并將所有測試節(jié)點的數(shù)據(jù)進行實時顯示、存儲與處理。

2.6 電源模塊

電源模塊主要由供電電池、電池電量檢測單元和可控電源單元組成，電池電量檢測單元主要通過對供電電池的輸出電壓進行取樣，以獲取電池的實時電量信息，并反饋給數(shù)據(jù)控制中心，以保證系統(tǒng)能正常工作。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)操控軟件是由具有完善串口數(shù)據(jù)接收和發(fā)送功能的VisualC++通信控件Mscomm[8]編制，主要分為三個組成部分：參數(shù)配置命令界面、控制命令界面和數(shù)據(jù)回傳命令界面。

圖2 系統(tǒng)軟件設計方案框圖

參數(shù)配置命令主要是對數(shù)據(jù)采集模塊中采樣頻率、內(nèi)觸發(fā)值、采樣總長度的設置，控制命令界面主要由電源控制管理命令、時間同步命令、時統(tǒng)清零命令、進入睡眠模式命令、數(shù)據(jù)管理格式化命令等組成。數(shù)據(jù)回傳命令界面主要由讀電源狀態(tài)命令、讀時統(tǒng)數(shù)據(jù)命令、讀全部數(shù)據(jù)命令和數(shù)據(jù)顯示命令。控制系統(tǒng)電路工作流程如圖3所示，左邊的流程圖a表示主站系統(tǒng)電路串口中斷接收計算機發(fā)送的測試命令，直到接收完測試命令，保存在數(shù)組中，并產(chǎn)生一個接收到測試命令標志置為1。右邊的流程圖b表示主站系統(tǒng)電路主程序流程圖，在系統(tǒng)工作開始時，通過初始化設備，配置無線收發(fā)模塊NRF905、啟動并配置GPS接收機模塊，初始化NRF905為接收模式，NRF905一直處在監(jiān)聽外部的無線信號；判斷接收到測試命令標志是否為1，如果為1，再對左邊中斷接收的測試命令一級譯碼，判斷測試命令的功能與類型，如時間同步命令、控制命令、功能模塊的參數(shù)配置命令、數(shù)據(jù)回傳與處理命令等，根據(jù)相應的功能與類型打包測試命令并發(fā)送出去；然后主程序進入判斷無線接收標志是否為1，也就是說判斷測試基站是否回傳數(shù)據(jù)包發(fā)送給PC機，如果為1，表示無線收發(fā)模塊已經(jīng)接收到測試基站發(fā)送來的數(shù)據(jù)包，此時無線模塊將數(shù)據(jù)通過串口傳給PC機進行處理和實時顯示；如果為0，程序返回繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行。

圖3 控制系統(tǒng)電路工作流程圖

4 實際應用及結果分析

該系統(tǒng)應用于地下震動測試系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗，能實現(xiàn)分布式測試系統(tǒng)的基本控制、管理、操作等功能。8套裝置分別布置在距爆心0.4米和0.8米處，并且規(guī)律的布置在兩個同心圓上。爆心深度為1.5米，1至4號裝置布置在深度為1米，半徑為0.4米的圓周上，5至8號布置在深度為1.5米，半徑為0.8米的圓周上。PC機控制平臺布置在距爆心50米的掩體內(nèi)。現(xiàn)場布設如圖4所示：

圖4 地下爆炸驗證試驗現(xiàn)場布設圖

現(xiàn)場對小劑量炸藥進行爆炸實驗，裝置1測得的數(shù)據(jù)通過無線模塊NRF905回傳到掩體內(nèi)的計算機上，經(jīng)過處理后的裝置1的震動傳感器測得的質(zhì)點震動速度時間歷史結果如圖5所示：

圖5 爆破震動的實測結果

圖5顯示的曲線完整，說明該測試系統(tǒng)各模塊能夠協(xié)同有效的工作，達到了測試系統(tǒng)的總體要求。

5 結論

根據(jù)地震動信號的特點，設計了一種具有多點多參數(shù)的具有現(xiàn)場處理和無線控制功能的地震動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)通過AVR單片機與CPLD組合使用，對現(xiàn)場信號進行采集與處理，將測試后的大量數(shù)據(jù)信息通過無線收發(fā)系統(tǒng)實時地傳到PC機進行處理和顯示，基本上達到了測試系統(tǒng)的要求。

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