地震監測系統的電磁信號的采集設計與實現

張國華

（陜西省地震局，陜西 安康 725000）

0 引 言

地震會給人們的生命帶來巨大威脅，給社會帶來危害，不利于社會的穩定。在地震發生前如果能得到預警，將可以為人們爭取更多的時間離開地震危險地，挽救眾多生命，極大地降低地震帶來的經濟損失[1-2]。現在使用的地震前電磁信號還不能有效預測地震，因為預測的可靠性和穩定性尚存在很多問題，對所使用的環境和安裝成本也有很高要求。此外，現在的儀器與數據采集部分是分離的，導致采集的數據不能進行快速且遠距離的傳輸[3]。

1 電磁信號采集設計的系統方案

電磁信號采集系統包括數據采集部分、數據終端進行的遠程升級部分、對原始數據的調理部分以及對遠程系統參數的配置部分。在原始數據的信號調理中，會將采集的0.1～10 Hz的原始電子信號，經過放大、反饋以及次級放大后傳輸給數據采集部分。新型的電磁信號采集系統包括信號的實時采集和信號調理兩部分。信號采集部分為了能夠采集和傳輸所有頻段電磁信號中的原始數據，利用高精度和速度極快的模數轉換器，以支持近百兆的數據利用TCP/IP協議在網絡中。信號調理是通過濾波放大模擬信號來處理靈敏度高的原始信號。通過一系列的傳輸和整合，電池信號采集系統完成對采集的原始電子數據的升級[4]。

1.1 信號數據的電路調節

電磁傳感器采集到大地發出的電磁信號時，需要經過一系列處理，并且通過AD轉換把數據傳送到數據采集部才能進一步分析數據。研究中設計的電磁信號的強度在1～1 000 nT，頻率在0.1 Hz～10 kHz。在對電磁信號進行處理時，即使感應式傳感器的線圈數有上萬匝且采用電磁頻率很高的傳感器，當電磁信號的頻率為0.5 Hz或者更低的時候，感應線圈磁場所輸出的電壓也很低，易被淹沒在線圈的噪聲里，因此需要對其進行放大才能進行處理。本文設計的電磁信號采取兩種放大模式，第一層次上的放大是為了減小噪音的信號，第二層次上的放大是為了更好地進行下一步的處理。

感應式磁傳感器的線圈在振點處有時會發生信號中斷。為了擴大傳感器的采集力度，解決這些突發問題，在傳輸的電磁信號的頻率大于1 Hz時，傳感器利用反饋的傳輸方法進行數據傳輸，傳輸時傳感器可以在較寬的范圍和頻率上進行曲線傳輸[5]。電子傳感器接收到的數據經過放大后，需要對收集的數據進行過濾。根據設計相關要求，要處理的信號需在0.1～15 Hz，并對前端信號的傳輸加以限制[6]。ADS8681是一個集成數據采集系統，可以準確調整所要輸入的范圍，避免電路發生偏移，從而使傳輸信號更加穩定。

1.2 信號采集電路

處理器采用SYM32F407，內部具有實用性強的加速器模塊，且包括1 MB的Flash存儲器，192 kB的RAM。處理器的主頻高達168 MHz，因此處理器的數據處理速度很快。SYM32F407處理器包含一個輸出寄存器和一個輸入寄存器。數據通過SYM32F407轉換后，可以通過TCP/IP網絡協議傳送到系統的數據控制中心。W5300的芯片與SYM32F407之間存在一定的交互，通過高速以太網通信接口實現。W5300使用的是兩種常見的供電方式，分別是+3.3 V的電源和+1.8 V的電源。其中，+3.3 V的電源為數據處理的接口部位供電，+1.8 V的電源為系統的內核供電。該芯片通過網絡協議處理技術中的管理單元和寄存器的管理單元實現以太網的高速數據傳送，從而使地震監測數據的傳輸量達到最大，實時性更高。網絡初始化時，SYM32F407先對W5300進行網絡初始化。初始化過程分為socket、connect以及bind共3部分。SYM32F407與地面終端完成連接后，W5300即可與終端數據服務器進行連接收發數據。

1.3 自動更新程序

地震系統的監測內部所要使用的軟件都可以進行更新，且在特定的環境下需要簡化和增加系統功能，使系統更加完善。為了使監測系統在可靠性、安全性以及便利性的基礎上進一步降低監測系統設備的維護成本，自動更新機制的設計是重點。系統具體的工作流程如圖1所示。

在地面終端需要存放兩個與升級工作相關的文件，分別命名為以VersIon.txt結尾和以app.bin結尾的文件。在升級過程中，VersIon.txt文件的建立是為了監控系統軟件的升級，防止系統在復位時反復進行升級。首先，在地下的連接器上采用電路板上電，或者在系統進行復位時從系統的地面終端下載VersIon.txt文件，后存放到SYM32F407內部的Flash軟件中并進行比較。如果流程和內容相同，跳過該升級流程，執行相應的應用和程序。如果所要升級的軟件的版本信息不一致，那么表示軟件在升級過程中并沒有按照系統規定的升級流程進行升級。其次，網絡文件的傳輸協議要通過VersIon.txt文件從地面終端進行下載，從app.bin文件里查找相應的程序文件，并且將相應的文件存放到Flash地址的應用程序中。下載完成后，再次將軟件中的信息放在特定的Flash存儲區域。最后，打開并且執行更新完成后的程序，如果軟件能夠順利打開，則表示已完成系統的升級。

圖1 自動更新機制框圖

2 功能測試

2.1 監測系統的性能測試

從圖2可以看出，在1 Hz～10 kHz范圍內，傳輸信號的頻率響應范圍可以覆蓋到平坦區的100 Hz～4 kHz，進一步證明了設計的監測電路達到了電磁信號傳輸規定的要求。

圖2 電磁探頭的頻響曲線

2.2 監測系統采集的數據

在地震監測系統中，感應式的電磁信號傳感器會把采集的數據信號，通過一定的處理和計算進行磁反饋、放大、次級放大以及濾波處理傳送到數據采集部，然后將其發送到數據遠程控制中心。數據傳輸時會在原始數據中加入校驗位，從而保證數據在傳輸過程中的穩定性和準確性。

2.3 軟件升級的測試結果

監測設備在進行復位或者上電時，從地面終端的一文件里下載Bootloader。下載完成后，下載的內容將存放到SYM32F407內部的一個Flash軟件中。然后，把下載好的軟件與version文件里所存儲的軟件信息進行比較。如果數據和信息都相同，那么升級流程可以直接跳過，執行下一步相應的應用程序；如果兩者比較后發現數據信息不一致，需執行相應的升級程序。完成上述過程后，網絡調試工具的窗口如果顯示update fireware ok，表明顯示系統在遠程控制中升級成功，也證明了系統遠程控制升級設計的正確性。

3 結 論

本次設計和討論實現了對原始電磁數據信號的設計和采集，能夠使地震監測系統實時傳遞數據和信息，并且在數據傳送過程中保證了傳輸的穩定性和可靠性，一定程度上減少了設備的運維成本，能夠對監測系統實現大規模的安裝和布置。經過一定的實驗和測試證明，感應式傳感器在特殊的工作狀態下具備良好的性能，系統的自動升級功能也能正常進行，進一步實現了地震監測系統數據分析的準確性和實時性，促進了地震監測系統的電磁信號的采集與實現。