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地震预警数据采集论文

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1预警站采集系统硬件设计

1.1采集系统方案采集系统方案如图2所示,系统由ST32F407单片机加FPGA结构组成,FPGA采用Altera公司的CYCLONEⅣ系列芯片EP4CE6E22C8N。单片机作为主控制器,用于控制FPGA采集,数据存储;外围电路包含以太网接口,GPS接口,SD卡存储器以及授时守时电路;FPGA部分用于产生AD同步时钟,控制六通道AD同步采集,并将采样值传入单片机中,外围电路包含6通道采集板和参考源;单片机与FPGA之间通过SPI接口与地址线A0进行通信。数字补偿晶体是整个系统的时钟源,该晶体的频率为16.384MHz,准确度为0.5×10-6,温漂为0.1×10-6。

1.2传感器选型本系统选用的传感器为ES-T型三分向力平衡式加速度计,传感器可以在±0.25gn到±4gn的范围内选择设定满量程,其动态范围优于155dB,带宽在DC-200Hz之间。

1.3信号调理与AD采集电路传感器输出为差分信号,信号动态范围为±5V,系统选用的AD芯片输入信号范围在±2.5V之间,所以传感器输出信号必须经过信号调理后才能进行采集,图3是其中一个通道的信号调理与AD采集电路,其余通道电路与该图完全一致。信号调理电路由全差动放大器OPA1632构成,该放大器的电压噪声密度为1.3nV/Hz1/2,在100Hz(高铁地震监测常用采样率为200sample/s)带宽范围内噪声有效值不超过15nV,满足地震信号采集要求。图中R2∶R1、R7∶R9均为2∶1,可将输入差分信号衰减2倍,实现将传感器输出的±5V信号衰减到±2.5V范围内,满足ADS1281的输入电压范围,图中二极管D1与D2是钳位二极管,将电压钳位在±3V左右,保护AD芯片。AD转换器是一款32bitΔ-Σ高精度模数转换器ADS1281,内部具有可编程FIR、IIR和SINC滤波器,0.6×10-6线性度,在250sample/s采样率下其SNR可达130dB,全速采样模式下功耗仅12mW,非常适用于电池供电的野外作业。通过配置PINMODE引脚,可将ADS1281设置为引脚控制模式(PINMODE=1)和寄存器控制模式(PINMODE=0),本系统将其配置成寄存器控制模式。系统为实现同步采样,将六通道ADS1281的低功耗控制PWDN,复位RST,同步SYNC,采样时钟CLK,SPI时钟SCLK,SPI数据输入DIN引脚分别连在一起,并由FPGA统一控制,达到时钟同步,统一配置AD的目的,从而实现同步采样;而ADS1281的数据输出引脚DOUT分别接在FPGA的6个不同IO口,用于读取六通道AD的数据。参考源是数据采集系统的关键部分,本系统利用DCDC产生-5V电压,低噪声LDO电源芯片LT1964产生-2.5V电压,作为六通道ADS1281的VREFN输入,LT1964噪声为30μVRMS(10Hz~100kHz);利用专用精准基准芯片LTC6655-2.5产生+2.5V电压,作为六通道ADS1281的VREFP输入,该芯片噪声0.25×10-6p-p(0.1Hz~10Hz),温飘为2×10-6/℃,经过试验,该方案是取得较好结果。

1.4FPGA采集控制与数据传输实现数据采集之前,STM32单片机需要通过FPGA对各通道采集卡(即ADS1281)进行配置;数据采集过程中,FPGA需要对六通道数据读取、打包并传入STM32单片机。控制线A0用于选择上述功能。当A0=0时,将STM32单片机与FPGA之间的SPI接口、FPGA与六通道采集卡之间的SPI接口直接相连,此时由STM32单片机直接完成采集卡配置;当A0=1,FPGA输出采样时钟CLK,六通道采集卡同时启动采样。FPGA数据采集与传输过程如图4所示。当六通道ADC数据准备就绪时,ADC_nDRDY信号将同时由高变低,FPGA收到下降沿信号后,将在ADC_SCLK引脚连续产生32个周期的SPI时钟,ADS1281在时钟上升沿输出数据(ADC_DOUT_1至ADC_DOUT_6),FPGA在时钟下降沿读取数据,六通道数据将被缓存在6个32bit寄存器ADC_DA-TA0至ADC_DATA5内;FPGA读取完六通道32bit数据后,在MCU_DRDY引脚产生一个高脉冲,通知STM32单片机读取数据,单片机在MCU_DRDY下降沿启动中断,并在中断中完成数据读取;数据读取过程中,单片机的SPI时钟MCU_SCLK连续产生时钟信号,FPGA在收到时钟信号时,将数据通过MCU_DIN输出,时钟信号共6×32=192个,正好读完六通道数据。

2预警系统C/S构架软件设计

2.1客服端LabVIEW编程PC机客服端界面与网络编程利用LabView软件实现。LabView是由美国国家仪器(NI)公司研制开发虚拟仪器开发软件,是一种图形化编程语言,使用较为方便[6-7]。LabView主界面包含采样率、量程设置,IP地址,端口,开始采集按钮,停止采集按钮和波形界面几个部分,其中波形界面由WaveChart控件实现,具体实现如下:将下位机上传的六通道数据绑定为簇,簇输出接到WaveChart控件的数据输入端,Wave-Chart控件的图形显示方式设置为分格显示曲线,由于簇输入是6个数组绑定而成,WaveChart自动将窗口分成6个子窗口,每个数据对应一个窗口;Wave-Chart界面更新模式设置为StripChart,此模式下波形从左至右绘制,达到右边边界时,旧数据从左边溢出,新数据从右边进入。LabView具有强大的网络编程功能,本系统客户端利用了其中的TCP/IP协议模块,主要涉及到以下几个函数:TCPOpen(打开),TCPRead(读取),TCPWrite(写入),TCPClose(关闭)。客户端程序工作流程如图5所示。从图中可以看出,从开始到结束采集一共用了两次TCP/IP连接,第1次用于发送采集命令,然后接收、处理、显示数据,当按下“停止采样”命令后,首先关闭第1次TCP/IP连接,此时服务器还在继续采集数据,但不发送,所以还需进行一次TCP/IP连接发送停止采集命令给服务器,服务器收到命令后即可停止采集,并进入低功耗模式。

2.2基于LWIP的服务器程序设计服务器的主控单片机是STM32F407,其内部集成了10/100M以太网MAC,结合PHY芯片DP83848即可完成以太网硬件搭建;以太网软件部分通过移植LWIP协议栈实现,已有较多文献或文档详细叙述了移植方法与过程,服务器接收命令、启动采样和传输数据等功能在tcp回调函数中实现。数据采集和传输是同时进行的,可在单片机中申请两个缓存,采用乒乓操作模式工作实现,即:其中一个用于中断采集数据存储,缓存满后,设置数据满标志,并查询另一个缓存的数据空标志,若为空,证明数据已经传输完成,可新的存储数据;另一个用于传输,传输完成后,设置数据空标志,并查询第1个缓存的数据满标志,若位满,证明数据可以传输;由于以太网的传输速度远大于数据采集的速度,以太网传输完成后会等待另一个缓存存满,所以整个过程中不会出现采样数据丢失的情况。

3采集系统性能测试

3.1噪声测试进行噪声测试时,将6通道输入短接,采样率设置为200sample/s;采集开始后,数据将以文本文档的形式实时存入SD卡。图6是由采集的一个通道数据用excel作图得到(取其中任意2000个点),从该图可以看出:该通道采集的输入短接噪声峰峰值在±1.5μV范围内。为进一步对噪声大小进行量化分析,分别进行了三次噪声测试,并在excel软件中利用STDEVA函数对每一次的六通道采集数据做均方差处理,处理结果如表1所示。从表中可以看出:每隔通道的噪声均方差低于0.5μV,噪声一致性较好;采集卡输入信号范围是±5V,按照ADC的信噪比计算公式可算出采集卡的信噪比优于140dB。

3.2地震信号采集实验实验时,把传感器放置于地面,传感器差分信号输出端接入采集卡第1通道,打开监测站电源,在PC机中启动LabVIEW界面,设定好采样率、量程、IP地址与端口,点击“启动采集”,在距传感器2m左右用硬物连续敲击地面,图7是截取的实时显示结果图,从图7可以看出,第1通道具有典型的地震波形输出,纵坐标单位为mV,第2通道~第6通道输出为随机噪声,纵坐标单位为μV。

4结束语

本论文通过预警站(服务器)采集系统硬件、软件设计和客服端软件设计,实现了基于C/S构架的高铁地震预警IP数据采集系统。在性能上,系统噪声均方差低于0.5μV,信噪比优于140dB;在功能上,可实现远程参数设置、远程实时数据传输并显示。该系统不仅可以用于高铁地震预警,还可用于矿山微震监测、金库震动监测和天然地震等与震动有关的应用领域。

作者:谭超苏超张海滨单位:三峡大学电气与新能源学院

地震预警数据采集论文责任编辑:杨雪    阅读:人次