李懷良 ， 庹先國(guó) ， 任家富 ， 朱麗麗

（1.地球探測(cè)與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），四川 成都 610059；2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），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(zhì)構(gòu)造勘查及隧道超前預(yù)報(bào)的主要技術(shù)手段，在工程地質(zhì)調(diào)查與評(píng)價(jià)領(lǐng)域發(fā)揮了極為重要的作用[1-3]。而地震數(shù)據(jù)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(hào)的并行采集?；贔PGA或工控機(jī)的多道信號(hào)采集方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)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(gè)FPGA來控制。這種方式具有較強(qiáng)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更限制了設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境下的施工能力[6]。針對(duì)上述問題，方案采用分布式的采集結(jié)構(gòu)，前端設(shè)計(jì)可動(dòng)態(tài)配置的信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)，并利用低功耗的MSP430F149結(jié)合集成4路差分輸入的ADS1256來實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，從而在保證其性能的同時(shí)增加采集站的集成化程度和便攜性。

1 多路地震信號(hào)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(zhì)環(huán)境、勘探方法的不同，均要求采集系統(tǒng)的參數(shù)能夠根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，以保證系統(tǒng)能夠最大程度地拾取到人工震源激發(fā)的微弱地震信號(hào)。其設(shè)置參數(shù)主要包括放大增益、濾波器截止頻率、采樣率、采樣長(zhǎng)度等。同時(shí)設(shè)計(jì)中需要提高采集裝置的集成化程度及便攜性。結(jié)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(hào)的前端信號(hào)調(diào)理電路，同時(shí)將處理后的信號(hào)送入單端轉(zhuǎn)差分電路以匹配后端A/D轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)暫存工作也由處理器內(nèi)部存儲(chǔ)空間完成。由于需要將數(shù)據(jù)傳輸至主控中心，因此采集系統(tǒng)需要擴(kuò)展對(duì)應(yīng)的無線通信接口，即硬件SPI控制方式的nRF24L01。整個(gè)采集電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)電路可以實(shí)現(xiàn)4路地震信號(hào)的并行處理和采集，供電部分采用內(nèi)置可充電鋰電配合開關(guān)電源的方式，以提高系統(tǒng)便攜性和電源轉(zhuǎn)換效率。

圖1 多路地震信號(hào)采集電路框圖

1.2 電路參數(shù)分析

系統(tǒng)前端的動(dòng)圈式檢波器，主要是靠高靈敏度地感應(yīng)地下震動(dòng)拾取人工地震信號(hào)，這種微弱信號(hào)是一種衰減較快的瞬時(shí)信號(hào)，而且不同的施工條件下，其信號(hào)幅度及變化范圍也有所不同。設(shè)計(jì)中采用程控放大器配合固定增益放大器實(shí)現(xiàn)可調(diào)增益放大功能，主要是由于系統(tǒng)采用的PGA205，其輸入失調(diào)電壓是當(dāng)前程控放大器中最低的50μV，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的弱信號(hào)響應(yīng)水平，電路前端先采用OPA2188以5倍固定增益對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，OPA2188的輸入失調(diào)電壓為10μV，這就大大提高了系統(tǒng)的輸入動(dòng)態(tài)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(fā)的地震信號(hào)頻帶較寬，包括野外現(xiàn)場(chǎng)所產(chǎn)生的各種噪聲，在采樣頻率固定的情況下，極易由原始信號(hào)中的高頻諧波產(chǎn)生假頻，即頻率混疊現(xiàn)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(shí)為滿足截止頻率可調(diào)的功能，方案采用開關(guān)電容濾波器MAX263組合實(shí)現(xiàn)低通濾波功能。由于MAX263實(shí)現(xiàn)可調(diào)功能需要控制的引腳較多，為了節(jié)省控制器IO口，設(shè)計(jì)中將MAX263的控制參數(shù)引腳固定，轉(zhuǎn)而控制其輸入時(shí)鐘頻率來達(dá)到調(diào)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(shí)鐘分頻器即可實(shí)現(xiàn)可調(diào)功能。

模數(shù)轉(zhuǎn)換部分采用集成4路差分輸入的24位轉(zhuǎn)換器ADS1256，由MSP430F149通過SPI端口控制，這進(jìn)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(shí)，輸入范圍達(dá)±5 V，但其差分信號(hào)輸入端均要求其輸入電平高于0.2V，而且經(jīng)過信號(hào)調(diào)理的原始地震信號(hào)為單端信號(hào)。系統(tǒng)采用放大器AD8138構(gòu)成四臂相同電阻的跟隨器，其調(diào)整共模輸出的Vocm設(shè)置為與ADS1256相同的參考電壓，這樣就能將單端地震信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合于ADS1256的差分信號(hào)，尤其是ADS1256的差分輸入端電平要求。

系統(tǒng)所采用的鋰電池單節(jié)為3.6V，而系統(tǒng)采用的是±5V供電，需要兩節(jié)電池串聯(lián)為7.2V進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如果直接采用線性穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換，雖然系統(tǒng)中不會(huì)引入紋波噪聲，但是2.2V的壓差及其在穩(wěn)壓芯片上的損耗太大。因系統(tǒng)功能采用的鋰電池配合開關(guān)電源來實(shí)現(xiàn)，但這種供電方案中會(huì)引入DC-DC開關(guān)電源固有的較大紋波干擾（50mV以上）[7]，應(yīng)用電路中根據(jù)開關(guān)電源的開關(guān)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(shí)切換采集與暫存

四通道地震數(shù)據(jù)的采集和暫存是整個(gè)系統(tǒng)核心。由于MSP430F149是通過硬件SPI控制單片ADS1256進(jìn)行分時(shí)切換采集的，這種采集方式是無法做到嚴(yán)格并行操作的。同時(shí)四道的地震數(shù)據(jù)量較為龐大，以單道2048個(gè)采樣點(diǎn)計(jì)算，在24位分辨率時(shí)單道數(shù)據(jù)量為6kB，則四道總計(jì)24kB。而MSP430F149的RAM空間僅有2kB[8]，為了減少外圍器件的擴(kuò)展和功耗，設(shè)計(jì)中地震數(shù)據(jù)的暫存工作由MSP430F149的內(nèi)部Flash來完成，其內(nèi)部Flash的操作有頻率限制，這也增加了A/D轉(zhuǎn)換器在分時(shí)切換時(shí)的延時(shí)時(shí)間。

為了保證ADS1256分時(shí)切換采樣的均勻性，采用單道采集單道暫存的連續(xù)操作方式。ADS1256在7.68 MHz工作時(shí)鐘條件下以30kS/s采樣率執(zhí)行四路分時(shí)切換時(shí)，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(nèi)部諸多指令執(zhí)行的時(shí)間，使得暫存數(shù)據(jù)到Flash的操作以不可預(yù)知的延時(shí)影響系統(tǒng)的等效采樣率，最終導(dǎo)致系統(tǒng)等效采樣率無法計(jì)算，甚至是一個(gè)非整數(shù)值，這也導(dǎo)致了后期的地震數(shù)據(jù)處理極為不便。為了固定這一等效采樣率，設(shè)計(jì)中將通道切換操作中加入等間隔延時(shí)調(diào)整等效采樣率，通過采集標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析來調(diào)整加入的延時(shí)函數(shù)，即加入延時(shí)后采集的數(shù)據(jù)以某一固定采樣頻率計(jì)算的頻譜，應(yīng)和原始標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻譜對(duì)應(yīng)。反復(fù)測(cè)試調(diào)整后的結(jié)果表明，分時(shí)切換單道操作中需要加入6μs的延時(shí)，才能保證系統(tǒng)在30kS/s采樣率時(shí)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的最大1kS/s等效采樣頻率。其他采樣頻率的調(diào)整，則可以通過編程調(diào)整ADS1256的原始采樣頻率實(shí)現(xiàn)。

3 性能及功耗測(cè)試

3.1 A/D穩(wěn)定性及噪聲有效位測(cè)試

為充分反映ADC在采集地震數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量的穩(wěn)定性，測(cè)試中設(shè)置ADC的采樣率為1kS/s，參考電壓為2.5 V，系統(tǒng)增益為1，濾波器截止頻率為1 kHz，任意接入一穩(wěn)定的直流電壓以差分輸入方式采樣，采樣長(zhǎng)度為13 500 s，觀察其特定穩(wěn)定輸入的情況下采集信號(hào)的波動(dòng)情況，具體的測(cè)試結(jié)果如圖2所示?？梢杂^察有一定微小的波動(dòng)，其波動(dòng)影響應(yīng)是來自于單端轉(zhuǎn)差分芯片或提供參考電源的穩(wěn)壓芯片，總體而言，其能夠穩(wěn)定在平均線上工作。

針對(duì)系統(tǒng)噪聲及有效位測(cè)試，采用直接將信號(hào)輸入端短接連續(xù)采集2s長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的方式，系統(tǒng)增益為1，濾波器截止頻率為1 kHz，實(shí)際的測(cè)試波形如圖3所示。可以看出，系統(tǒng)的噪聲水平為40μV，這主要受開關(guān)電源紋波的影響。而這也反應(yīng)了ADS1256的有效分辨率在19位以上，充分滿足了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍要求。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試

為驗(yàn)證這種設(shè)計(jì)方法的可行性，將該系統(tǒng)與重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DZQ48地震儀進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，其中系統(tǒng)增益設(shè)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(zhǎng)度，采用人工激發(fā)震源的方式，道間距50m，炮點(diǎn)偏移距為50m，連續(xù)采樣疊加30次。測(cè)試的波形對(duì)比效果如圖4所示，不難看出兩套系統(tǒng)所采用的地震波形走勢(shì)基本相同。而且從圖5的本系統(tǒng)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(nèi)。

圖2 A/D穩(wěn)定性測(cè)試波形

圖3 噪聲及有效位測(cè)試波形

圖4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試波形

圖5 本系統(tǒng)地震波形頻譜圖

3.3 功耗測(cè)試

由于單個(gè)信號(hào)采集站需要集成12道檢波器，即3組本系統(tǒng)共用一組電源，實(shí)際測(cè)試表明整個(gè)采集站在啟動(dòng)所有功能的情況下工作電流為860mA，而單節(jié)鋰電池為3.6V/2.6Ah，實(shí)際應(yīng)用中采用六并兩串的方式進(jìn)行組合，即7.2V/15.6Ah?？紤]到DC-DC開關(guān)電源的效率為85%，其理論工作時(shí)間可達(dá)15.6h，而實(shí)際測(cè)試采集站工作時(shí)間為13.5h左右，被損耗的能量主要是由于開關(guān)電源轉(zhuǎn)換效率的不穩(wěn)定，以及采集板中為主控制器供電的5 V轉(zhuǎn)3.3 V線性穩(wěn)壓損耗。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用低功耗的MSP430F149、ADS1256及可程控的信號(hào)處理模塊，設(shè)計(jì)具有4路采集、暫存地震信號(hào)的小型化系統(tǒng)，其信號(hào)處理模塊的各單元可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行配置，包括系統(tǒng)的采樣率和采樣長(zhǎng)度。這種采用單芯片集成多路轉(zhuǎn)換功能、內(nèi)置存儲(chǔ)空間的方式保證了系統(tǒng)的高度集成化及低功耗要求，進(jìn)而提高了整個(gè)系統(tǒng)的便攜性。同時(shí)采取分時(shí)切換采集暫存的方式保證了系統(tǒng)的均勻采樣性能，其最大準(zhǔn)并行等效采樣率達(dá)1ks/s，最小輸入響應(yīng)信號(hào)低至10μV。實(shí)際的測(cè)試結(jié)果顯示1ks/s采樣率時(shí)其有效分辨率可達(dá)19位，最終應(yīng)用于分布式地震儀的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明系統(tǒng)充分滿足地震勘探需求。

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