李 濤 陳 征 吳立恒

（中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100085）

引言

RZB系列分量式鉆孔應(yīng)變系統(tǒng)主要包括：井下測(cè)量探頭、信號(hào)測(cè)量主機(jī)、數(shù)據(jù)記錄儀、供電單元4個(gè)部分。自上世紀(jì)70年代研制至今（歐陽(yáng)祖熙等，2004；邱澤華等，2004），經(jīng)過多次測(cè)試與改進(jìn)，目前已逐步投入到中國(guó)鉆孔應(yīng)變觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的觀測(cè)中，并獲取了大量、連續(xù)的地殼應(yīng)力應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)，為地震預(yù)報(bào)、地球動(dòng)力學(xué)研究積累了豐富的觀測(cè)資料。隨著電子測(cè)量技術(shù)的不斷進(jìn)步，新的RZB型分量式鉆孔應(yīng)變儀已完成了測(cè)量傳感器的數(shù)字化設(shè)計(jì)以及測(cè)量單元的井下集成，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的測(cè)量探頭。本文基于嵌入式工業(yè)控制核心板EM9260為主控平臺(tái)，完成了一套新的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主控單元設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了新型分量式鉆孔應(yīng)變儀數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、傳輸以及遠(yuǎn)程監(jiān)控；設(shè)計(jì)了基于24位高精度ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）板，可實(shí)現(xiàn)多通道模擬信號(hào)的高精度采集。軟件采用 WinCE作為系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)，構(gòu)建了基于C/S結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，完成了Web server、ftp server以及Socket server設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程信息共享以及設(shè)備的遠(yuǎn)程維護(hù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)根據(jù)新的RZB型分量式鉆孔應(yīng)變觀測(cè)探頭的信號(hào)特點(diǎn)，采用分立式模塊化軟硬件設(shè)計(jì)，分別完成了數(shù)字總線信號(hào)和多通道高精度模擬信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)與傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tái)設(shè)計(jì)

為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低開發(fā)成本，設(shè)計(jì)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(chǔ)，完成主控模塊硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。該核心模塊是一款面向工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的高性價(jià)比嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊，其內(nèi)核CPU采用工業(yè)級(jí)品質(zhì)的AT91SAM9260，模塊已經(jīng)預(yù)裝正版WinCE實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，自帶10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)卡、USB接口、SD卡接口、精簡(jiǎn)ISA總線接口以及5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)UART串口。該模塊不斷接口豐富，其5V/150mA的供電參數(shù)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(yīng)變觀測(cè)探頭采用RS485總線作為數(shù)據(jù)的傳輸與控制。本設(shè)計(jì)基于核心模塊的UART串口完成RS485總線接口，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變探頭總線信號(hào)的采集與控制。

在模擬信號(hào)采集單元部分，單獨(dú)設(shè)計(jì)了基于24位高精度ADC芯片的多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換單元。使用高性能多路復(fù)用器芯片實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)切換，完成多通道信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換。中央控制器（MCU）采用STC系列1T高速單片機(jī)STC12C5410AD（http：//www. mcu-memory.com/data sheet/stc/STC-AD-PDF/STC12C5410AD. pdf，2006），完成對(duì)ADC芯片的控制，以及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的計(jì)算與傳輸。模數(shù)轉(zhuǎn)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(yīng)用于電子稱、應(yīng)變計(jì)傳感器、壓力測(cè)量、溫度測(cè)量、醫(yī)療以及科學(xué)研究?jī)x器中。它除了具有其它高分辨率ADC性能參數(shù)外，在增益為1（G=1）的情況下，可達(dá)22.5位無噪聲分辨率，完全符合設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)單端正負(fù)信號(hào)的采集轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)中采用了隔離電源設(shè)計(jì)。高精度AD板采用單獨(dú)的供電單元，與整個(gè)供電系統(tǒng)完全隔離。除了在電源端放置相應(yīng)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(jié)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(fù)用器的數(shù)字控制信號(hào)線上還增加了合適的小電阻，用以降低數(shù)字電路對(duì)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(yīng)用程序設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序設(shè)計(jì)主要包括AD板的數(shù)據(jù)采集與通信程序設(shè)計(jì)以及主控單元應(yīng)用程序設(shè)計(jì)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(fā)平臺(tái)采用Keil C51開發(fā)環(huán)境。程序主要包括AD芯片控制、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)傳輸程序三個(gè)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(tǒng)的工控核心模塊的硬件平臺(tái)，支持Embedded Visual C++(eVC)開發(fā)環(huán)境（汪冰，2005）。主控單元程控軟件主要包括：數(shù)據(jù)采集、格式化存儲(chǔ)與傳輸、人機(jī)交換、Socket服務(wù)器、Web服務(wù)器等軟件模塊。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖3 AD轉(zhuǎn)換軟件流程框圖Fig. 3 Flowchart of the AD board

圖4 主控單元應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)框圖Fig. 4 Structure diagram of the main control units and application programs

本程序采用多線程技術(shù)完成數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)等功能，利用 HTML與 vbScript語(yǔ)言結(jié)合COM組件，實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器，完成遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，采用C/S結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)Socket服務(wù)器，完成數(shù)據(jù)傳輸與控制功能。

2 主要參數(shù)測(cè)試及應(yīng)用

2.1 實(shí)驗(yàn)室參數(shù)測(cè)試

作者對(duì)所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集器樣機(jī)的分辨率、線性度等主要參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。在開展分辨率測(cè)試時(shí)，采用10uV的步長(zhǎng)完成了輸入范圍內(nèi)信號(hào)采集分辨率測(cè)試，由于篇幅所限，圖5只給出了模擬通道第3道在3個(gè)電壓輸入?yún)^(qū)間的分辨率測(cè)試曲線圖（采集頻率為1Hz），其中，橫坐標(biāo)為信號(hào)輸入，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)換輸出，單位均為V。從實(shí)際測(cè)試曲線結(jié)果可以看出，AD轉(zhuǎn)換采集的最小分辨率低于10uV。

圖5 AD轉(zhuǎn)換分辨率測(cè)試結(jié)果Fig. 5 The test results of AD conversion resolution

在開展線性度測(cè)試時(shí)，采用了步長(zhǎng)為0.1V，完成了在輸入范圍內(nèi)信號(hào)采集線性度測(cè)試。圖6給出了8個(gè)模擬通道的線性度測(cè)試曲線，其中，橫坐標(biāo)為信號(hào)輸入，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)換輸出，單位均為V。從圖6可以看出，在輸入范圍內(nèi)，AD采集單元8個(gè)輸入通道的線擬合標(biāo)準(zhǔn)差（SD值）均小于0.002，具有非常好的滿量程線性度。

圖6 AD轉(zhuǎn)換線性度測(cè)試結(jié)果Fig. 6 The test results of AD conversion linearity

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要參數(shù)達(dá)到了如下預(yù)期指標(biāo)：

（1）模擬信號(hào)采集通道：8個(gè)；

（2）模擬信號(hào)輸入范圍：-2.5V—+2.5V；

（3）AD板實(shí)際轉(zhuǎn)換頻率：1Hz；

（4）模擬信號(hào)輸入阻抗：＞10MΩ；

（5）有效分辨率：＜10uV；

（6）帶RS485接口，可完成總線數(shù)據(jù)采集；

（7）帶以太網(wǎng)口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收集與監(jiān)控；

（8）功耗：＜2.5W

2.2 實(shí)際應(yīng)用結(jié)果

作者將設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集器應(yīng)用于中國(guó)南北帶RZB分量式鉆孔應(yīng)變觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)，安裝到四川省西昌宏模臺(tái)開展實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)。經(jīng)過1年多的試驗(yàn)運(yùn)行，曾經(jīng)出現(xiàn)操作系統(tǒng)啟動(dòng)失敗的情況，后檢查發(fā)現(xiàn)，是由于WinCE系統(tǒng)在對(duì)FAT文件讀寫操作中存在不足而導(dǎo)致，這是由WinCE系統(tǒng)本身驅(qū)動(dòng)不足造成的。在應(yīng)用程序中修改了WinCE下采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式，基本上可解決該問題。圖7給出了西昌宏模臺(tái)實(shí)際觀測(cè)長(zhǎng)周期分鐘數(shù)據(jù)，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(tái)秒數(shù)據(jù)記錄到的2013年4月20日8時(shí)02分，四川省雅安市蘆山縣境內(nèi)發(fā)生的7.0級(jí)地震的同震應(yīng)變地震波。

圖7 四川省西昌宏模臺(tái)鉆孔應(yīng)變觀測(cè)記錄曲線實(shí)例Fig. 7 Borehole strain recorded at Hongmo station in Sichuan

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

3 結(jié)論

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試以及實(shí)際臺(tái)站運(yùn)行結(jié)果可以看出，本設(shè)計(jì)研制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分辨率高、可靠性好、功耗低，可同時(shí)采集多通道、高精度數(shù)字總線數(shù)據(jù)及模擬信號(hào)，同時(shí)能記錄到清晰的應(yīng)變固體潮汐和應(yīng)變地震波，其軟硬件接口以及性能指標(biāo)符合新RZB型分量式鉆孔應(yīng)變觀測(cè)系統(tǒng)的需求。其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式以及傳輸方式也符合地震前兆規(guī)范?；具_(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)，可廣泛應(yīng)用于新型鉆孔應(yīng)變觀測(cè)系統(tǒng)。

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