一種新型分量式鉆孔應變儀數據采集單元的設計及應用1

李 濤 陳 征 吳立恒

（中國地震局地殼應力研究所，地殼動力學重點實驗室，北京100085）

引言

RZB系列分量式鉆孔應變系統主要包括：井下測量探頭、信號測量主機、數據記錄儀、供電單元4個部分。自上世紀70年代研制至今（歐陽祖熙等，2004；邱澤華等，2004），經過多次測試與改進，目前已逐步投入到中國鉆孔應變觀測臺網的觀測中，并獲取了大量、連續的地殼應力應變觀測數據，為地震預報、地球動力學研究積累了豐富的觀測資料。隨著電子測量技術的不斷進步，新的RZB型分量式鉆孔應變儀已完成了測量傳感器的數字化設計以及測量單元的井下集成，實現了數字化的測量探頭。本文基于嵌入式工業控制核心板EM9260為主控平臺，完成了一套新的數據采集系統主控單元設計，實現了新型分量式鉆孔應變儀數據的采集、存儲、傳輸以及遠程監控；設計了基于24位高精度ADC（模數轉換器）板，可實現多通道模擬信號的高精度采集。軟件采用 WinCE作為系統軟件開發平臺，構建了基于C/S結構的遠程監控系統，完成了Web server、ftp server以及Socket server設計，可實現設備的遠程信息共享以及設備的遠程維護。

1 系統設計

本設計根據新的RZB型分量式鉆孔應變觀測探頭的信號特點，采用分立式模塊化軟硬件設計，分別完成了數字總線信號和多通道高精度模擬信號采集與轉換、存儲與傳輸。系統結構框圖如圖1所示，其主要包括采集模塊、主控模塊以及電源模塊三大部分。

1.1 硬件平臺設計

為了簡化系統設計，降低開發成本，設計中采用了基于32位的ARM的核心模塊EM9260（http：//www. emtronix. com/download/EM9260 data. Pdf，2009）為基礎，完成主控模塊硬件平臺的設計與開發。該核心模塊是一款面向工業自動化領域的高性價比嵌入式網絡模塊，其內核CPU采用工業級品質的AT91SAM9260，模塊已經預裝正版WinCE實時多任務操作系統，自帶10M/100M自適應以太網卡、USB接口、SD卡接口、精簡ISA總線接口以及5個標準UART串口。該模塊不斷接口豐富，其5V/150mA的供電參數也是其它工控模塊無法比擬的。目前，新的RZB型分量式鉆孔應變觀測探頭采用RS485總線作為數據的傳輸與控制。本設計基于核心模塊的UART串口完成RS485總線接口，實現應變探頭總線信號的采集與控制。

在模擬信號采集單元部分，單獨設計了基于24位高精度ADC芯片的多通道模數轉換單元。使用高性能多路復用器芯片實現多通道信號切換，完成多通道信號模數轉換。中央控制器（MCU）采用STC系列1T高速單片機STC12C5410AD（http：//www. mcu-memory.com/data sheet/stc/STC-AD-PDF/STC12C5410AD. pdf，2006），完成對ADC芯片的控制，以及轉換數據的計算與傳輸。模數轉換芯片采用了Analog Devices公司的超低噪聲∑-△ADC芯片 AD7190（http：//www. analog. com/static/imported-files/zh/data sheets/AD 7190.pdf，2009），該芯片可廣泛應用于電子稱、應變計傳感器、壓力測量、溫度測量、醫療以及科學研究儀器中。它除了具有其它高分辨率ADC性能參數外，在增益為1（G=1）的情況下，可達22.5位無噪聲分辨率，完全符合設計中的分辨率需求。圖2為AD采集板原理框圖。

圖2 AD采集板原理框圖Fig. 2 Schematic diagram of the AD board

為了實現單端正負信號的采集轉換，設計中采用了隔離電源設計。高精度AD板采用單獨的供電單元，與整個供電系統完全隔離。除了在電源端放置相應的旁路電源外，還在模擬供電電源電路上增加了π型電源濾波器，并使用了鉭電容和陶瓷電容結合的方式作為模擬電源去耦電容。另外，在ADC芯片以及多路復用器的數字控制信號線上還增加了合適的小電阻，用以降低數字電路對模擬電路的干擾，并在模擬輸入端增加了RC低通濾波器，可降低輸入端高頻噪聲。

1.2 應用程序設計

應用程序設計主要包括AD板的數據采集與通信程序設計以及主控單元應用程序設計兩部分。AD采集板的控制芯片為基于 51系列的 STC12C54xx系列芯片，程控軟件開發平臺采用Keil C51開發環境。程序主要包括AD芯片控制、數據計算、數據傳輸程序三個部分。程序流程如圖3所示。

主控單元是基于安裝正版WinCE系統的工控核心模塊的硬件平臺，支持Embedded Visual C++(eVC)開發環境（汪冰，2005）。主控單元程控軟件主要包括：數據采集、格式化存儲與傳輸、人機交換、Socket服務器、Web服務器等軟件模塊。軟件結構框圖如圖4所示。

圖3 AD轉換軟件流程框圖Fig. 3 Flowchart of the AD board

圖4 主控單元應用軟件結構框圖Fig. 4 Structure diagram of the main control units and application programs

本程序采用多線程技術完成數據采集、存儲等功能，利用 HTML與 vbScript語言結合COM組件，實現Web服務器，完成遠程監控功能，采用C/S結構，實現Socket服務器，完成數據傳輸與控制功能。

2 主要參數測試及應用

2.1 實驗室參數測試

作者對所設計的數據采集器樣機的分辨率、線性度等主要參數進行了實驗室測試。在開展分辨率測試時，采用10uV的步長完成了輸入范圍內信號采集分辨率測試，由于篇幅所限，圖5只給出了模擬通道第3道在3個電壓輸入區間的分辨率測試曲線圖（采集頻率為1Hz），其中，橫坐標為信號輸入，縱坐標為轉換輸出，單位均為V。從實際測試曲線結果可以看出，AD轉換采集的最小分辨率低于10uV。

圖5 AD轉換分辨率測試結果Fig. 5 The test results of AD conversion resolution

在開展線性度測試時，采用了步長為0.1V，完成了在輸入范圍內信號采集線性度測試。圖6給出了8個模擬通道的線性度測試曲線，其中，橫坐標為信號輸入，縱坐標為轉換輸出，單位均為V。從圖6可以看出，在輸入范圍內，AD采集單元8個輸入通道的線擬合標準差（SD值）均小于0.002，具有非常好的滿量程線性度。

圖6 AD轉換線性度測試結果Fig. 6 The test results of AD conversion linearity

經過實驗室測試，數據采集系統的主要參數達到了如下預期指標：

（1）模擬信號采集通道：8個；

（2）模擬信號輸入范圍：-2.5V—+2.5V；

（3）AD板實際轉換頻率：1Hz；

（4）模擬信號輸入阻抗：＞10MΩ；

（5）有效分辨率：＜10uV；

（6）帶RS485接口，可完成總線數據采集；

（7）帶以太網口，可實現遠程數據收集與監控；

（8）功耗：＜2.5W

2.2 實際應用結果

作者將設計的數據采集器應用于中國南北帶RZB分量式鉆孔應變觀測臺網，安裝到四川省西昌宏模臺開展實際運行試驗。經過1年多的試驗運行，曾經出現操作系統啟動失敗的情況，后檢查發現，是由于WinCE系統在對FAT文件讀寫操作中存在不足而導致，這是由WinCE系統本身驅動不足造成的。在應用程序中修改了WinCE下采集數據的存儲方式，基本上可解決該問題。圖7給出了西昌宏模臺實際觀測長周期分鐘數據，從中可以看出，記錄到了清晰的固體潮汐。圖8給出了西昌宏模臺秒數據記錄到的2013年4月20日8時02分，四川省雅安市蘆山縣境內發生的7.0級地震的同震應變地震波。

圖7 四川省西昌宏模臺鉆孔應變觀測記錄曲線實例Fig. 7 Borehole strain recorded at Hongmo station in Sichuan

圖8 四川省西昌宏模臺記錄到的四川省蘆山縣7.0級地震的4分量應變地震波Fig. 8 Strain seismic wave plot of MS7.0 earthquake in Lushan, Sichuan

3 結論

經過實驗室測試以及實際臺站運行結果可以看出，本設計研制的數據采集系統分辨率高、可靠性好、功耗低，可同時采集多通道、高精度數字總線數據及模擬信號，同時能記錄到清晰的應變固體潮汐和應變地震波，其軟硬件接口以及性能指標符合新RZB型分量式鉆孔應變觀測系統的需求。其數據存儲格式以及傳輸方式也符合地震前兆規范。基本達到了設計的預期目標，可廣泛應用于新型鉆孔應變觀測系統。

歐陽祖熙，張宗潤，舒桂班，2004. 中國西部鉆孔應變儀臺網工作回顧與前瞻．巖石力學與工程學報，23（23）：4058—4063.

邱澤華，謝富仁，蘇愷之等，2004. 發展鉆孔應變觀測的戰略構想. 國際地震動態，（1）：7—14．

汪冰，李存斌，陳鵬等，2005．EVC高級編程及其應用開發. 北京：中國水利水電出版社.