小型化多道地震信號采集系統設計與實現

李懷良 ， 庹先國 ， 任家富 ， 朱麗麗

（1.地球探測與信息技術教育部重點實驗室（成都理工大學），四川 成都 610059；2.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室（成都理工大學），四川 成都 610059）

0 引 言

淺層地震（即工程地震）勘探作為尋找隱伏斷層、地質構造勘查及隧道超前預報的主要技術手段，在工程地質調查與評價領域發揮了極為重要的作用[1-3]。而地震數據的采集則是地震勘探的核心，目前主流的淺層地震勘探通常采用多道覆蓋疊加的采集方法，即多道地震信號的并行采集。基于FPGA或工控機的多道信號采集方法已經被廣泛應用于集中式地震儀中[4-5]，如DZQ48采取單板集成12道A/D，由4個FPGA來控制。這種方式具有較強的并行采集能力，但卻大大增加了儀器自身的體積和重量，尤其是集中式的設計結構更限制了設備在復雜環境下的施工能力[6]。針對上述問題，方案采用分布式的采集結構，前端設計可動態配置的信號調理系統，并利用低功耗的MSP430F149結合集成4路差分輸入的ADS1256來實現地震數據的采集和存儲，從而在保證其性能的同時增加采集站的集成化程度和便攜性。

1 多路地震信號采集方案分析

1.1 采集電路

地震勘探野外施工的條件和地質環境、勘探方法的不同，均要求采集系統的參數能夠根據實際情況進行調整，以保證系統能夠最大程度地拾取到人工震源激發的微弱地震信號。其設置參數主要包括放大增益、濾波器截止頻率、采樣率、采樣長度等。同時設計中需要提高采集裝置的集成化程度及便攜性。結合這種需求，采用4路并行的前置放大器、程控放大器、抗混疊濾波器等組合成能拾取微弱信號的前端信號調理電路，同時將處理后的信號送入單端轉差分電路以匹配后端A/D轉換器。為了滿足集成化及低功耗需求，方案采用單片集成4路差分輸入的ADS1256來完成模數轉換功能，由16位的低功耗處理器MSP430F149來控制各單元功能，其中大量的地震數據暫存工作也由處理器內部存儲空間完成。由于需要將數據傳輸至主控中心，因此采集系統需要擴展對應的無線通信接口，即硬件SPI控制方式的nRF24L01。整個采集電路結構如圖1所示。整個電路可以實現4路地震信號的并行處理和采集，供電部分采用內置可充電鋰電配合開關電源的方式，以提高系統便攜性和電源轉換效率。

圖1 多路地震信號采集電路框圖

1.2 電路參數分析

系統前端的動圈式檢波器，主要是靠高靈敏度地感應地下震動拾取人工地震信號，這種微弱信號是一種衰減較快的瞬時信號，而且不同的施工條件下，其信號幅度及變化范圍也有所不同。設計中采用程控放大器配合固定增益放大器實現可調增益放大功能，主要是由于系統采用的PGA205，其輸入失調電壓是當前程控放大器中最低的50μV，為進一步提高系統的弱信號響應水平，電路前端先采用OPA2188以5倍固定增益對信號進行放大，OPA2188的輸入失調電壓為10μV，這就大大提高了系統的輸入動態范圍。

通常情況下，不同的勘探方法有效波范圍不同，所采用的采樣率也不同，如有效反射波范圍為20～60 Hz，甚至更低，而且人工激發的地震信號頻帶較寬，包括野外現場所產生的各種噪聲，在采樣頻率固定的情況下，極易由原始信號中的高頻諧波產生假頻，即頻率混疊現象，濾除這種假頻干擾的有效方式是采用截止頻率和A/D采樣頻率相同的低通濾波器，同時為滿足截止頻率可調的功能，方案采用開關電容濾波器MAX263組合實現低通濾波功能。由于MAX263實現可調功能需要控制的引腳較多，為了節省控制器IO口，設計中將MAX263的控制參數引腳固定，轉而控制其輸入時鐘頻率來達到調整截止頻率目的，這種方式僅僅需要控制占用較少IO口的時鐘分頻器即可實現可調功能。

模數轉換部分采用集成4路差分輸入的24位轉換器ADS1256，由MSP430F149通過SPI端口控制，這進一步提高了采集電路的集成化程度。ADS1256在參考電壓為2.5 V時，輸入范圍達±5 V，但其差分信號輸入端均要求其輸入電平高于0.2V，而且經過信號調理的原始地震信號為單端信號。系統采用放大器AD8138構成四臂相同電阻的跟隨器，其調整共模輸出的Vocm設置為與ADS1256相同的參考電壓，這樣就能將單端地震信號轉換為適合于ADS1256的差分信號，尤其是ADS1256的差分輸入端電平要求。

系統所采用的鋰電池單節為3.6V，而系統采用的是±5V供電，需要兩節電池串聯為7.2V進行轉換，如果直接采用線性穩壓芯片轉換，雖然系統中不會引入紋波噪聲，但是2.2V的壓差及其在穩壓芯片上的損耗太大。因系統功能采用的鋰電池配合開關電源來實現，但這種供電方案中會引入DC-DC開關電源固有的較大紋波干擾（50mV以上）[7]，應用電路中根據開關電源的開關頻率加入π型的LC濾波電路，這種方式可以將電源紋波壓制在10mV以下。

2 分時切換采集與暫存

四通道地震數據的采集和暫存是整個系統核心。由于MSP430F149是通過硬件SPI控制單片ADS1256進行分時切換采集的，這種采集方式是無法做到嚴格并行操作的。同時四道的地震數據量較為龐大，以單道2048個采樣點計算，在24位分辨率時單道數據量為6kB，則四道總計24kB。而MSP430F149的RAM空間僅有2kB[8]，為了減少外圍器件的擴展和功耗，設計中地震數據的暫存工作由MSP430F149的內部Flash來完成，其內部Flash的操作有頻率限制，這也增加了A/D轉換器在分時切換時的延時時間。

為了保證ADS1256分時切換采樣的均勻性，采用單道采集單道暫存的連續操作方式。ADS1256在7.68 MHz工作時鐘條件下以30kS/s采樣率執行四路分時切換時，其等效的采樣率僅為4374kS/s，而Flash操作的最大頻率為476kHz[9]，加上控制器內部諸多指令執行的時間，使得暫存數據到Flash的操作以不可預知的延時影響系統的等效采樣率，最終導致系統等效采樣率無法計算，甚至是一個非整數值，這也導致了后期的地震數據處理極為不便。為了固定這一等效采樣率，設計中將通道切換操作中加入等間隔延時調整等效采樣率，通過采集標準信號進行頻譜分析來調整加入的延時函數，即加入延時后采集的數據以某一固定采樣頻率計算的頻譜，應和原始標準信號的頻譜對應。反復測試調整后的結果表明，分時切換單道操作中需要加入6μs的延時，才能保證系統在30kS/s采樣率時，實現標準的最大1kS/s等效采樣頻率。其他采樣頻率的調整，則可以通過編程調整ADS1256的原始采樣頻率實現。

3 性能及功耗測試

3.1 A/D穩定性及噪聲有效位測試

為充分反映ADC在采集地震數據時長時間測量的穩定性，測試中設置ADC的采樣率為1kS/s，參考電壓為2.5 V，系統增益為1，濾波器截止頻率為1 kHz，任意接入一穩定的直流電壓以差分輸入方式采樣，采樣長度為13 500 s，觀察其特定穩定輸入的情況下采集信號的波動情況，具體的測試結果如圖2所示。可以觀察有一定微小的波動，其波動影響應是來自于單端轉差分芯片或提供參考電源的穩壓芯片，總體而言，其能夠穩定在平均線上工作。

針對系統噪聲及有效位測試，采用直接將信號輸入端短接連續采集2s長度數據的方式，系統增益為1，濾波器截止頻率為1 kHz，實際的測試波形如圖3所示。可以看出，系統的噪聲水平為40μV，這主要受開關電源紋波的影響。而這也反應了ADS1256的有效分辨率在19位以上，充分滿足了系統的動態范圍要求。

3.2 現場應用測試

為驗證這種設計方法的可行性，將該系統與重慶地質儀器廠生產的DZQ48地震儀進行對比測試，其中系統增益設置為20倍，DZQ48為32倍，濾波器截止頻率均為1kHz，采樣率均為1kS/s，512ms的采樣長度，采用人工激發震源的方式，道間距50m，炮點偏移距為50m，連續采樣疊加30次。測試的波形對比效果如圖4所示，不難看出兩套系統所采用的地震波形走勢基本相同。而且從圖5的本系統單道頻譜圖來看，其主頻能量集中在40Hz的有效反射波范圍內。

圖2 A/D穩定性測試波形

圖3 噪聲及有效位測試波形

圖4 現場測試波形

圖5 本系統地震波形頻譜圖

3.3 功耗測試

由于單個信號采集站需要集成12道檢波器，即3組本系統共用一組電源，實際測試表明整個采集站在啟動所有功能的情況下工作電流為860mA，而單節鋰電池為3.6V/2.6Ah，實際應用中采用六并兩串的方式進行組合，即7.2V/15.6Ah。考慮到DC-DC開關電源的效率為85%，其理論工作時間可達15.6h，而實際測試采集站工作時間為13.5h左右，被損耗的能量主要是由于開關電源轉換效率的不穩定，以及采集板中為主控制器供電的5 V轉3.3 V線性穩壓損耗。

4 結束語

采用低功耗的MSP430F149、ADS1256及可程控的信號處理模塊，設計具有4路采集、暫存地震信號的小型化系統，其信號處理模塊的各單元可根據實際需求進行配置，包括系統的采樣率和采樣長度。這種采用單芯片集成多路轉換功能、內置存儲空間的方式保證了系統的高度集成化及低功耗要求，進而提高了整個系統的便攜性。同時采取分時切換采集暫存的方式保證了系統的均勻采樣性能，其最大準并行等效采樣率達1ks/s，最小輸入響應信號低至10μV。實際的測試結果顯示1ks/s采樣率時其有效分辨率可達19位，最終應用于分布式地震儀的現場測試表明系統充分滿足地震勘探需求。

[1]戴朝強，汪瑞良，劉軍，等.中淺層高分辨率二維地震技術在惠州地區的應用[J].石油天然氣學報，2011，33（11）：63-68.

[2]王運生，王瑞琪，張啟洲，等.無線淺層地震儀實現方法及其在隧道工程中的應用[J].現代隧道技術，2011，48（5）：163-166.

[3]盛儉，薄景山，佴磊，等.淺層人工地震在長春市斷層探測中的應用[J].自然災害學報，2007，16（5）：116-120.

[4]林學龍.高分辨率低功耗淺層地震勘探儀器的研究與實現[D].上海：上海大學機電工程與自動化學院，2008.

[5]張波，周云耀，吳濤.一種新的地震數據采集系統的設計[J].大地測量與地球動力學，2011，27（s1）：122-124.

[6]陳祖斌，滕吉文，林君，等.BSR_2寬頻帶地震記錄儀的研制[J].地球物理學報，2006，49（5）：1475-1481.

[7]蘆守平，姜瀚文，徐千.基于單片機控制的程控開關電源研究[J].電子技術應用，2011，37（5）：78-81.

[8]Liu K，Zhao Z W，Jiang H L.A wireless microbial fuelcellvoltage data acquisition system based on MSP430F149[J].Applied Mechanics and Materials，2012：105-107，1961-1965.

[9]Jia W，Xie P，Feng G Q.Wireless temperature measurement and control system based on MSP430F149[C]∥Proceedings-4th International Conference on Genetic and Evolutionary Computing，ICGEC，2010：822-825.