分布式多通道同步采集系統設計

張法全，李宗敏，王國富，葉金才

(1.桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林541004;2.廣西無線寬帶通信與信號處理重點實驗室，廣西 桂林541004)

在微震采集系統中，為了能對微震位置準確定位，各個傳感器的數據必須同步采集［1］。在設計中不但要解決各個采集終端之間的同步問題，也要解決同一個采集終端不同通道之間的同步問題。本文開發了一種基于GPS 與ADS1278 的分布式多通道同步采集系統。該系統以24 bit 八通道同步采樣A/D 轉換器實現同一采集終端不同通道之間的同步采集，相比于傳統的頻分復用或多A/D 同步轉換，其結構更加簡單，同步精度更高［2－3］。不同采集終端之間采用GPS 同步，通過使用分相法測量本地秒脈沖信號和1 pps 信號的差值，然后通過PID 算法計算出誤差控制量，最后調制恒溫晶振，使本地秒脈沖與1 pps 信號同步［4－6］。相比于傳統方法，該方法具有同步精度高，實現方式簡單等特點。

1 系統設計方案

分布式多通道數據同步采集系統主要由信號調理模塊、ADS1278 采樣模塊、采集控制模塊、GPS 接收機模塊、液晶顯示模塊、恒溫晶振模塊、分頻器模塊、DAC 調理電路模塊組成，系統框圖如圖1 所示。系統原理:GPS 接收機模塊產生時間信息和定位信息在液晶顯示模塊上進行顯示，通過定位信息可以方便野外勘測時信號采集終端和傳感器的布設。GPS接收機模塊還產生1 pps 信號。恒溫晶振模塊通過鎖相環模塊(PLL)將輸出頻率20 MHz 倍頻到200 MHz，然后將信號分別延遲90°、180°、270°，這樣可以有效地減小計數誤差。通過分頻器將倍頻后的頻率進行分頻，得到本地秒脈沖信號和A/D 同步采集信號。利用時鐘分相算法測量穩定1 pps 信號和本地秒脈沖之間的誤差，用PID 控制算法對時間差進行處理，得到DAC 頻率偏差控制量。通過DAC 調理電路對恒溫晶振模塊輸出的頻率進行微調，進而使穩定1 pps 信號和本地秒脈沖信號同步，最終使各個采集終端進行高精度同步采集。

圖1 系統框圖

2 多通道同步數據采集

2.1 前端信號調理

由于接收到的微震信號非常微弱，而環境噪聲和干擾很強，故在AD 輸入端對微震信號進行調理，以濾除電路的環路噪聲，提高共模抑制比。前端調理電路如圖2 所示，選用THS4521 作為A/D 的驅動電路，通過差分方式輸入，以提高信號的抗干擾能力。由于A/D 差分輸入端對地的電壓都必須大于0，即

所以，給差分放大器提供2.5 V 的共模電壓，使輸入電壓范圍為－2.5 ～ +2.5 V，2.5 V 的共模電壓由AD1278 的VCOM 端經過跟隨器濾波后提供。為了減小信號的失真，電路中的元件參數應盡可能地對稱，設計中選用誤差為1%的優質金屬薄膜電阻和Panasonic 公司生產的PPS 薄膜電容。

2.2 A/D 轉換電路

設計中選用八通道同步采樣數模轉換芯片ADS1278，其內部集成了8 個并行工作的轉換器，每個通道之間的同步采樣誤差小于500 ps，采樣率可達144 kS/s，具有非常低的漂移和帶內噪聲。ADS1278 可以通過MODE 選擇高速、高分辨率、低功耗、低速四種模式。具體設計電路如圖3 所示，通過FORMAT 將數據輸出格式為SPI 時分復用模式。基準電壓使用低噪聲精密基準芯片REF5025 產生2.5 V 電壓，并經過濾波后輸出提供，提高了基準電壓的穩定性和抗干擾能力。

圖2 A/D 驅動電路

圖3 八通道A/D 轉換電路

3 GPS 時鐘同步

3.1 時間差測量

時鐘分相是把時鐘周期的多個相位加以利用，將一個周期按相位可分為360°，通過對原時鐘做一定延時就可以得到不同相位的時鐘信號，然后使用原時鐘信號和延時后的時鐘信號對時間差進行測量。通過鎖相環將20 MHz 的時鐘信號倍頻到200 MHz，然后將信號分別延遲90°，180°，270°，得到時鐘CLK2，CLK3，CLK4。如圖4 所示，若只用時鐘CLK1 對時間差測量，可測得6 個時鐘周期，測量結果為30 ns，其分辨率為5 ns。采用時鐘分相算法測量，4 路時鐘同時進行計數共測得21 個計數脈沖，即上升沿的個數為21 個，分辨率為1.25 ns，ΔI=26.25 ns，4 級時鐘分相算法誤差減少了3.75 ns，分辨率提高了4 倍。

圖4 時鐘分相算法原理

3.2 PID 算法

PID 算法執行過程為通過將本地秒脈沖與1 pps 信號比較，然后得出時間誤差，并用這個誤差來調節控制器，進而實現本地秒脈沖與1PPS 信號同步。

根據圖5，PID 算法可表達式為

其中，e(t)為系統偏差，e(t)=r(t)－c(t)，r(t)為期望設定值，c(t)為實際輸出值。Kp為增益常數，Ki為積分系數，Kd為微分系數。

圖5 模擬PID 原理框圖

對于數字系統，使用一系列離散的采樣點來表示連續時間，用累加和來代替積分，用增量代替微分，可以得到數字PID 控制算法:

式中:e(m)，e(m－1)，e(m－2)分別為當前、上次、前次測量的時間誤差，Δu(m)為電壓控制量的相對改變量。PID 控制器在ARM 內部完成，ΔT 由FPGA 通過SPI 接口發送給ARM，然后通過該值來計算電壓控制量Δu(m)，調整DAC 輸出電壓值來控制恒溫晶振的頻率。

3.3 恒溫晶振調理

DAC 轉換電路將轉換成電壓值，然后對恒溫晶振的輸出頻率進行微調。本設計選用的恒溫晶振壓控端的控制范圍為0 ～5 V，輸出頻率為20 MHz±10 Hz，中心電壓為2.5 V。如圖6 所示，設計中選用20 位的高精度數模轉換器DAC1220，采用5 V 電源供電，D/A 輸出電壓范圍為0 ～2.5 V，所以采用放大電路OP1177 將電壓放大到0 ～5 V，使其范圍落在恒溫晶振的有效控制范圍內。使用高精度和穩定的電壓基準芯片REF5025 提供2.5 V 的外部參考電壓，然后經過濾波處理后給DAC 提供參考電壓。

圖6 恒溫晶振調理電路

4 實驗結果

基于FPGA 和ARM 控制平臺，設計了分布式多通道同步微震信號采集電路，實現了時鐘分相算法和PID 控制算法。在野外進行勘測時，對同步時鐘的精度進行測量，地點選在陜西省府谷縣某礦廠附近進行實驗測試。使用3 個終端進行實驗測試，每個采集終端連接8 個傳感器。圖7 為其中一個采集終端采集到的微震信號的一段波形。圖8 是GPS 同步時鐘工作1 h 后，2 個不同采集終端之間的同步采集時鐘放大后的波形圖，從圖中可以清楚地看到，2 個不同采集終端之間的同步采集時鐘精度優于150 ns，滿足了微震信號采集同步采集的要求。

圖7 震動信號采集圖(截圖)

圖8 GPS 有效工作1 小時(截圖)

5 總結

針對微震采集系統中分布在不同位置的采集終端和同一采集端不同通道之間數據采集同步的要求，設計并且實現了硬件控制電路和軟件算法。使用ADS1278 八通道同步采集芯片實現同一采集終端各個通道之間的同步采集。將穩定1 pps信號和本地秒脈沖利用時鐘分相算法進行測量，通過PID 算法將時間差轉換成DAC 頻率偏差控制量，通過DAC 調理電路對恒溫晶振的輸出頻率進行微調，最終使穩定1 pps信號和本地秒脈沖信號同步，使各個采集終端之間能高精度同步工作。

［1］梁喆，彭蘇萍，鄭晶.一種微地震采集裝置自適應算法［J］.中國礦業大學學報，2013，42(4):580－585.

［2］陳紅遠，郭天太，吳俊杰，等. 多通道微弱電壓信號同步采集系統開發［J］.電子技術應用，2014，40(2):78－80.

［3］陶海軍，張一鳴，曾志輝. 基于AD7606 的多通道數據采集系統設計［J］.工礦自動化，2013，39(12):110－113.

［4］吳寧，潘小龍，虞皆俠. 高精度GPS 同步時鐘的研究與實現［J］.電力系統自動化，2008，32(10):61－65.

［5］張法全，賈少博，高平東，等. 基于FPGA 的高精度同步測量系統［J］.儀表技術與傳感器，2014(5):57－59.

［6］姜捷.用于雷電探測系統基于GPS 的時鐘頻率單元［D］.武漢:華中科技大學，2011.