劉小虎

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一種多上位機(jī)的地震儀采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉小虎

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

為提高地震儀信號(hào)采集系統(tǒng)集成化、智能化水平和信號(hào)采集的精度，以高性能多路模數(shù)轉(zhuǎn)換器件ADS1256為核心、高性能處理器STM32F103為主控制器，設(shè)計(jì)了多上位機(jī)的地震儀采集系統(tǒng)。采用基于LabVIEW編程的上位機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)之間的信號(hào)傳輸，可以單下位機(jī)服務(wù)多上位機(jī)。通過實(shí)測(cè)表明，該系統(tǒng)可以通過上位機(jī)自主設(shè)置量程和采樣速率，實(shí)現(xiàn)了采樣系統(tǒng)量程和采樣速率的實(shí)時(shí)調(diào)整。

ADS1256 STM32F103 LabVIEW 以太網(wǎng) 多上位機(jī)

0 引言

地震儀廣泛應(yīng)用于全國各地的地震情況狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制之中，在預(yù)防地震中起到了重要作用。目前地震儀主要的問題是配套的地震儀信號(hào)采集系統(tǒng)不完善[1-3]。為提高地震儀信號(hào)采集系統(tǒng)集成化、智能化水平和信號(hào)采集的精度，以高性能多路模數(shù)轉(zhuǎn)換器件ADS1256為核心、高性能處理器STM32F1為主控制器，結(jié)合基于LabVIEW編程的上位機(jī)，設(shè)計(jì)了一種多上位機(jī)的地震儀信號(hào)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過上位機(jī)自主設(shè)置量程和采樣速率，實(shí)現(xiàn)了采樣系統(tǒng)量程的實(shí)時(shí)調(diào)整，可以兼容多個(gè)上位機(jī)。在簡化測(cè)量裝置、提高地震預(yù)測(cè)能力上具有重大意義[4-7]。

1 系統(tǒng)概述

地震儀信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思路是：先將地震儀檢測(cè)到的信號(hào)通過前級(jí)信號(hào)處理，將差分信號(hào)轉(zhuǎn)成單端信號(hào)，通過模擬多路選擇開關(guān)對(duì)信號(hào)進(jìn)行選擇性衰減，利用濾波電路濾除高頻噪聲。濾除高頻噪聲后的信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。然后CPU模塊通過SPI總線實(shí)時(shí)讀取A/D模塊轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和判斷后發(fā)送給上位機(jī)，同時(shí)也將GPS信號(hào)發(fā)送給上位機(jī)，并實(shí)時(shí)將采集的地震儀數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)按格式存儲(chǔ)到SD卡中。上位機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，并發(fā)送量程、采樣頻率、上下限值、整定波輸出設(shè)置等命令給CPU模塊，CPU模塊根據(jù)上位機(jī)傳來的命令進(jìn)行相應(yīng)操作。該采集系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，通過選擇性信號(hào)衰減電路與ADS1256自帶的可調(diào)節(jié)增益放大器結(jié)合，可通過上位機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)整采樣系統(tǒng)量程和采樣速率。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

地震儀信號(hào)采集系統(tǒng)硬件部分有電源模塊、前級(jí)信號(hào)處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、CPU模塊、SD卡存模塊、GPS模塊、整定波輸出模塊、防雷電保護(hù)模塊。其中，電源模塊通過220 V/24 V的AC/DC電源適配器將電源接入系統(tǒng)，再通過IB2405S、RA2-2424P、LM1117-3.3等DC/DC轉(zhuǎn)換模塊為系統(tǒng)各硬件模塊供電，CPU、SD卡存儲(chǔ)等較成熟模塊這里不做詳細(xì)介紹。

2.1 前級(jí)信號(hào)處理模塊

由于從地震儀到信號(hào)處理模塊存在較長的距離，采用系統(tǒng)抗電磁干擾能力強(qiáng)的差分方式傳輸?shù)卣鸩ㄐ盘?hào)，能最大程度的減小信號(hào)的失真。在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到ADS1256為8通道芯片，只能單端8通道或者差分四通道采集。根據(jù)地震儀輸出差分信號(hào)的特點(diǎn)，項(xiàng)目采用INA134模塊將信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)。差分信號(hào)轉(zhuǎn)單端信號(hào)的電路如圖2所示。

圖2 差分信號(hào)轉(zhuǎn)單端信號(hào)電路

地震波信號(hào)幅值不允許超過AD1256最大測(cè)量幅值，故需要通過分壓電阻進(jìn)行信號(hào)衰減，分壓電阻的精度對(duì)采集系統(tǒng)具有極大的影響，所以分壓電阻要求是高精度、低溫漂的電阻。而ADS1256內(nèi)部可編程增益放大器的放大倍數(shù)由芯片內(nèi)的ADCON寄存器的PGAO、PGA1、PGA2聯(lián)合控制，PGA的值在1到64之間，結(jié)合硬件衰減，測(cè)量量程可最小可以到78.125 mV，最大可以到20 V。通過合理設(shè)置模塊的量程，能有效提高信號(hào)測(cè)量的分辨率。

2.2 A/D采樣模塊電路

對(duì)于模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，參考電壓的紋波直接影響采樣的性能，因此要求參考電壓具有極低的噪聲和溫漂，以得到最佳的轉(zhuǎn)換結(jié)果。為解決該問題，在A/D采樣模塊中，設(shè)計(jì)獨(dú)立的參考電源模塊。2.5 V參考電壓通過AD780芯片生成，該芯片溫度漂移低至3 ppm/℃、微功耗、低壓差、性能穩(wěn)定，能很好的滿足采集芯片對(duì)參考電壓的要求。參考電壓電路如圖3所示。

圖3 參考電壓電路

為防止模擬地和數(shù)字之間存在電壓，影響芯片的性能，故采用模擬地和數(shù)字地分開的方式，在單端用零歐姆電阻短接。由于ADS1256的數(shù)字IO引腳沒有使用，所以接地，以防止多余的功耗。由于模擬電源超過5.2 V時(shí)，容易燒毀ADS1256，因此使用REF5050芯片為A/D模塊提供模擬電源，并均在數(shù)字電源和模擬電源輸入端并聯(lián)0.1mF陶瓷電容和10mF鉭電容濾波，以穩(wěn)定電源并防止電壓變化幅度過大燒毀芯片。設(shè)置RC濾波器來限制信號(hào)的高頻噪聲，并在印制電路板上盡量縮短信號(hào)輸入線，減少噪聲引入。

2.3 以太網(wǎng)模塊電路設(shè)計(jì)

以W5500為核心的以太網(wǎng)模通信塊電路如圖所示，W5500正常工作時(shí)，需提供3.3 V數(shù)字電源和3.3 V模擬電源。W5500的XI、XO為時(shí)鐘引腳，共外接25MHz石英晶體振蕩電路；RSTn為復(fù)位引腳，低電平有效，和單片機(jī)I/O引腳連接，由單片機(jī)控制W5500進(jìn)行復(fù)位；PMODE2、PMODE1、PMOD0為網(wǎng)絡(luò)工作模式選擇引腳，設(shè)置為“所有功能，啟動(dòng)自動(dòng)協(xié)商”；EXRES1為外部參考電阻引腳，外接一個(gè)精度為1%的12.4 kΩ外部參考電阻，為內(nèi)部模擬電路提供偏壓；TOCAP為外部參考電容引腳，外接一個(gè)4.7 μF電容而且到該電容的走線要盡量短一些，以保證內(nèi)部信號(hào)的穩(wěn)定；1V2O為內(nèi)部穩(wěn)壓器1.2 V電壓輸出引腳，外接一個(gè)10nF電容；SCSn為W5500的SPI接口片選引腳，低電平有效；RXN、RXP為差分信號(hào)接收引腳；TXN、TXP為差分信號(hào)發(fā)送引腳；SCLK為SPI時(shí)鐘輸入引腳；MISO為SPI主機(jī)輸入從機(jī)輸出引腳；MOSI為SPI主機(jī)輸出從機(jī)輸入引腳；INTn為W5500中斷輸出引腳，低電平有效。

圖4 W5500為核心的以太網(wǎng)模通信塊電路

W5500是高頻芯片，容易受到電磁波干擾，芯片工作不穩(wěn)定會(huì)造成接收數(shù)據(jù)包的丟失，因此設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)注意電磁兼容性問題，在電路設(shè)計(jì)時(shí)PCB板應(yīng)當(dāng)合理敷銅。W5500硬件電路設(shè)計(jì)中的復(fù)位信號(hào)非常重要，但容易被忽略，若用簡單RC電路，即使能實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能，但效果并不理想。本次設(shè)計(jì)采用STM32F1的I/O口作為復(fù)位信號(hào)，這樣一方面能確保W5500與STM32F1之間的同步，另一方面，如果連接斷開或工作失敗，STM32F1能對(duì)W5500進(jìn)行及時(shí)控制。TCT和RCT兩引腳為變壓器收/發(fā)端的中心抽頭，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)接3.3 V。另外RJ-45的外殼應(yīng)當(dāng)接大地，但盡量不要連接供電電源的地。TXOP/TXON，RXIP/RXIN的PCB走線盡量平行且等長。

3 軟件設(shè)計(jì)

W5500芯片集成了TCP/IP協(xié)議棧，即芯片本身就集成了網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層相關(guān)的協(xié)議，在軟件只需要初始化芯片配置即可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的收發(fā)。即配置本機(jī)的MAC地址寄存器模式寄存器、中斷屏蔽寄存器、重發(fā)時(shí)間和次數(shù)寄存器、重發(fā)寄存器、網(wǎng)關(guān)地址寄存器、本機(jī)IP地址寄存器等。初始化過程結(jié)束后，W5500可以以TCP和UDP等模式打開Socket，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)[10]。本文采用W5500查詢寄存器方式工作，通過MCU定時(shí)中斷控制數(shù)據(jù)的發(fā)送速率，程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 W5500程序設(shè)計(jì)流程圖

圖6 波形顯示

4 系統(tǒng)測(cè)試

通過信號(hào)發(fā)生器模擬地震波橫波、縱波和垂直波的信號(hào)，并同時(shí)通過交換機(jī)連接5臺(tái)計(jì)算機(jī)，以測(cè)量采集系統(tǒng)的性能。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)兼容性強(qiáng)，能多臺(tái)上位機(jī)同時(shí)工作。上位機(jī)顯示如圖6所示，可以看出，地震儀信號(hào)采集系統(tǒng)能較好的采集并顯示信號(hào)模擬地震信號(hào)的波形。

5 小結(jié)

為提高地震儀信號(hào)采集系統(tǒng)集成化、智能化水平和信號(hào)采集的精度，設(shè)計(jì)了一種多上位機(jī)的地震儀信號(hào)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過硬件與軟件結(jié)合的方式來調(diào)整系統(tǒng)的測(cè)量量程，以適應(yīng)不同場(chǎng)合下地震波的測(cè)量。與地震儀進(jìn)行聯(lián)調(diào)，對(duì)采集系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，從結(jié)果看，信號(hào)采集系統(tǒng)測(cè)量精度高、誤差小、工作穩(wěn)定，能夠服務(wù)多上位機(jī)。

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Design of a Seismograph Aquisition System With Multi-position Machine

Liu Xiaohu

(School of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 30033, China)

TM933.2

A

1003-4862（2018）06-0052-04

2018-03-21

劉小虎（1976-），男，博士。研究方向：逆變技術(shù)及其應(yīng)用。Email：2847403138@qq.com