PBS型32位宽频带流动地震仪

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摘 要： 在此介绍一种基于STM32F437微处理器和嵌入式系统设计技术，用于超长观测距人工地震探测的微型一体化宽频带地震仪的设计原理和实现方法。在对有源差容式地震计进行了微型化和低功耗设计的基础上，使得pbs型32位宽频带流动地震仪兼具宽频带和低功耗、小体积的特点，方便野外运输、安装，还具有互联网接入能力。该仪器也可应用于天然地震宽频带流动观测，地震余震观测和水库地震观测等。该仪器在4・20四川芦山地震应急观测试验中取得了较高质量的地震观测数据，性能完全满足地震观测要求。

关键词： 宽频带； 流动地震仪； STM32F437微处理器； 有源差容式地震计

中图分类号： TN919?34； TP29 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）18?0121?04

0 引 言

地震学方法是研究地球内部结构和构造的有效手段。近年来，人工源地震测深方法的不断进步以及野外观测系统和数据处理方法的进一步完善和发展，对地震勘探精度的要求越来越高，探测目标也在不断地向地球更深处延伸。这就要求地震仪器不但要有足够高的分辨率、更高的勘探精度，而且还要能够记录到反映地球深部信息的低频信号。 测线上密集的观测点位设置，长达数百公里甚至上千公里的超长观测距成为人工地震探测野外工程的重要特征[1]。本文介绍一种适用于超长观测距人工地震探测，具备大动态范围、低功耗、微型化、宽频带的高性能地震仪。该地震仪体积小、重量轻，布放灵活，操作简便，可以提高野外数据采集的效率和质量，并有效降低野外工程成本。本仪器也可应用于天然地震宽频带流动观测，地震余震观测和水库地震观测等。

1 硬件设计

PBS型地震仪采用一体化设计方案，由有源差容式力平衡速度传感器及CPU核心控制电路板组成，系统原理图如图1所示。传感器是一款经小型化和低功耗设计的有源差容式速度型地震计；CPU核心控制板以Cortex??M4F STM32F437微处理器为核心，由模数转换、CF卡存储、数据缓存SRAM，GPS授时模块，标定信号发生，环境参数传感电路以及以太网和串口通信接口组成[2?4]。

1.1 微处理器

STM32F437微处理器是意法半导体公司推出的一款基于ARM Cortex?M4内核，具有数字信号处理和浮点运算指令的高性能微控制器。 Cortex?M4内核工作频率可达168 MHz，独特的ART Accelerator总线加速器使得程序在FLASH中无等待周期地执行，极大提高了代码在FLASH中的执行速度。内嵌浮点运算单元（FPU），支持DSP指令，具备全功能的MPU。STM32F437微处理器内部集成容量达2 MB的FLASH存储器，256 KB的高速SRAM存储器；具有丰富的片上设备，包括支持MII和RMII模式的10/100 Mb/s以太网MAC控制器、3路12 b模/数转换器、4路USART、6路SPI发送接收器、外部存储控制器等。

1.2 A/D转换

TI公司的ADS1282是一款2通道复用高性能、单片模/数转换器，内置低噪声可编程增益控制器，适合于对性能有苛刻要求的地震监测应用。该A/D转换器内部集成稳定的4阶ΔΣ调制器，具备优异的噪声和线性性能。片上PGA具有低噪声（4 nV/[Hz]）和高阻抗特性，便于连接地震检波器；片山数字FIR/IIR滤波器可配置产生250?4 KSPS的数据率，高通滤波器拐角频率可调；片上的增益和偏移定标寄存器方便系统标定设计。在本设计中，传感器输出的模拟差分地动波形信号经放大后，分别输入到AD1282的AINP和AINN端。开始采集数据时，STM32F437微处理器发出同步采集信号SYNC，使三路数据采集具有相同的采集时刻。

当一次三路模/数转换完成后，DRDY1，DRDY2，DRDY3经与非门逻辑运算后，向微处理器发出数据采集中断，并有采集中断处理程序通过SPI接口完成数据到缓存的采集。

一路A/D转换原理电路图2所示。

1.3 CF卡数据存储

CF卡的全称为“Compact FLASH”卡，意为“标准闪存卡”，简称“CF卡”，Compact FLASH技术是由Compact FLASH协会（CFA）提出的一种与PC机ATA接口标准兼容的技术。CF卡作为一种先进的移动数码存储产品，其优势是很明显的，它具有高速度、大容量、体积小、重量轻、功耗低等优点。工业级CF卡工作温度范围可达-40～85 ℃，可以很好地满足野外地震数据采集恶劣工作环境的要求。本设计中，利用STM32F437微处理器的FSMC外部存储控制器，模拟TrueIDE接口时序，实现对CF卡的读写操作[5?8]。CF卡的接口电路设计，如图3所示。

1.4 GPS授时定位

地震仪在野外独立工作期间，依靠自身的守时钟对采集的地震数据进行时间标记。但由于温补晶体随着环境温度的变化导致仪器产生比较大的钟差，为后期资料解释工作带来很不利的影响。为提高时间服务精度，本设计中利用GPS授时定位模块为地震仪器系统提供时间校准和经纬度高程等信息。GPS模块根据需要，可以设定为连续、间歇和手工等工作模式，既保证了系统的时间精度，又可降低系统整体功耗。GPS模块的设计，如图4所示。

1.5 通讯接口

通讯接口是实现人机交互和数据传输的重要手段。在本设计中，地震仪设计有2路UART串口和1路以太网接口。其中，一路串口用于接收GPS模块发送的报文信息；另一路串口用于对地震仪器的参数设置、状态检查等仪器监控操作等。网络接口除用于仪器监控操作外，用于实现地震仪器的地震观测组网、远程控制、远程数据传输等功能。

2 软件设计

仪器系统软件包括2部分，一部分是固化在地震仪内部，实现地震仪基本功能的固件程序，地震仪固件程序烧录在微处理器内部FLASH存储器中，仪器上电复位后，地震仪各基本功能功能模块即开始循环运行；另一部分运行在PC上，作为地震仪监控终端的监控软件。

2.1 地震仪固件程序

地震仪固件程序由命令控制模块、通讯控制模块、参数设置模块、标定信号发生模块、GPS解码及时钟控制模块、数据采集模块，IIR/FIR数字滤波[9]和CF卡读写控制模块等功能模块组成.固件程序框图如图5所示。 在本设计中为了便于地震记录数据在PC机上利用读卡器直接读取，在CF卡上实现了一种定制的FAT32文件系统，既方便了数据读取又没有过大增加代码规模。

2.2 PC机监控软件

PC机监控软件用于实现人机交互，使用户可以方便地进行仪器参数设置、定时记录列表编辑、文字助记信息编辑、仪器工作状态查看、实时波形显示等操作。在地震仪联机工作下，PC机监控软件实现动作命令、参数设置、状态检查、通道检查及实时波形显示等监控操作。在脱机状态下，PC机监控软件还可进行数据翻查、统计汇总、预处理、数据格式转换、质量评价、归档入库等操作[10]。监控软件界面如图6所示。

3 研制结果

目前，PBS型宽频带流动地震仪的初始样机已经基本研制完成，满足地震观测的性能要求。各项实测性能指标基本到达研制目标要求，另有一些性能指标正在改进中。

3.1 性能指标

3.2 野外试验观测

据中国地震台网测定，北京时间2013年4月20日08时02分，在四川省雅安市芦山县（北纬30.3°，东经103.0°）发生7.0级地震，震源深度约13 kg。震中距离雅安市约35公里，距成都市约110 kg。地震发生后，物探中心进行了大震余震观测。

PBS地震仪样机也在此次余震观测中清晰地记录到了大量的地震余震事件，如图7展示了由PBS地震仪记录下的某个地震余震事件。

3.3 几个问题

通过对PBS样机的实测，发现有如下的几个问题：

（1）为了适应电池从2.5～4.2 V的变化范围，电源系统设计了2级稳压。初级是升降压的开关稳压，次级是线性稳压。2级稳压简单了电源系统的设计，但电源的效率不够高。提高电源效率对降低整机功耗还有很大的潜力可挖。

（2）最初设计的时钟主频是8 MHz，后来发现网口要求时钟主频不得低于25 MHz，结果导至系统功耗高出了预期值。如能找到合适的CPU，功耗还可以有较大幅度的降低。

（3）样机的模/数转换部分，数字地和模拟地混在一起，不合理的地线系统大幅降低了动态范围，应为127 dB的动态范围只剩102 dB。

（4）样机是按6通道冗余设计的，后期发现无需冗余设计。按3通道设计时，4.5 kg的样机就只剩3 kg了。如有经费支持开模制作，可采用新材料，重量更轻。

（5）通过实测发现，振动传感器的通带展宽还有很大的潜力，通带低端完全可以达到0.02 Hz，甚至更低。

参考文献

[1] 原秦喜，孙鸿.人工地震测深和天然地震流动观测兼用的轻便数字地震仪系统[J].中国地震，1999（2）：29?32.

[2] 范云霄.测试技术与信号处理[M].2版.北京：中国计量出版社，2007.

[3] PALLAS A R.传感器和信号调理[M].北京：清华大学出版社，2003.

[4] KOV J H.地震观测技术与仪器[M].赵仲，赵建和，译.北京：地震出版社，2007.

[5] 周立功.ARM嵌入式系统软件开发实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[6] Anon. AT attachment interface with extensions （ATA?2）， Revision 4c [EB/OL]. （1996?03?18） [2012?04?25]. http：///p?80381255011.

[7] Anon. CF+ and compact flash specification， Revision 2.0 [EB/OL]. （2003?05?10） [2012?12?10]. /view/a53f31.

[8] 程佩青.数字信号处理教程[M].北京：清华大学出版社，2001.

[9] 曹飞飞.Visual C++程序开发范例宝典[M].3版.北京：人民邮电出版社，2012.

[10] 周铁军，顾晓辉，吕艳新.基于BP神经网络的地震动信号识别[J].现代电子技术，2012，35（10）：100?102.