地震監測系統的電磁信號的采集設計與實現

龐瑞濤，雍珊珊，王新安，金秀如，曾敬武，韓朝相

(北京大學深圳研究生院 集成微系統科學工程與應用重點實驗室，廣東 深圳 518055)

0 引 言

我國是世界上地震災害最嚴重的國家之一，能夠在地震發生前給出預警，為人民爭取更多的時間準備并逃離震源發生地，將極大地降低人民生命及財產的損失。電磁輻射是一種在地震發生前地下巖石破裂面附近出現以壓電效應、電子熱發射為主的電磁脈沖，其作為一種地震前兆信號用于地震短臨預報已經有較多的觀測和研究基礎[1]。然而電磁輻射在傳播過程中是有損耗的，且頻率越高，損耗越大，因此目前的監測頻段以超低頻監測為主，極低頻和甚低頻也有所覆蓋。

目前地震前電磁異常雖然存在但還不能有效地進行地震預測，現有儀器多以高性能和高環境為要求，在設備的性能穩定性、可靠性和一致性等方面存在問題，對安裝成本和安裝環境要求非常高。同時，現有儀器多為模擬量輸出，與數據采集部分是分離的，不能實現數據的快速全頻帶信號采集和遠距離傳輸的要求。筆者認為，地震電磁異常沒能被有效利用的原因在于設備的布設密度不夠，不能充分排除各地地質結構的差異性帶來的異常差異性，而要進行廣泛的布設就需要有行之有效的、低成本和易安裝的監測設備給予支持[2]。北京大學提出的多分量地震監測系統AETA由地聲傳感探頭、電磁傳感探頭、數據處理終端以及云平臺數據存儲和分析系統組成，具有低成本、易安裝、監測頻段廣等特性，可支撐大區域的密集布設。

基于AETA對電磁前兆異常信號的監測需求，文中提出了一種電磁信號的實時采集系統并對其進行設計和實現。系統包括信號調理和實時采集兩部分，其中原始信號調理部分采用各種高性能的微電子器件設計了放大、濾波電路，獲得了高靈敏度的原始信號。實時采集部分針對原始數據量大的特點，基于STM32F407設計了軟件系統，選擇支持百兆數據傳輸的TCP/IP網絡傳輸協議，實現了與高速以太網通信接口器件W5300的交互，確保了數據傳輸的實時性和穩定性[3-6]。同時設計了遠程自動更新機制，提高了系統的運維效率[7]，減少了人工成本，使得大面積密集布設成為可能。最后對該系統進行測試。

1 電磁信號采集系統方案

電磁信號采集系統主要包括原始數據信號調理部分、數據采集部分及數據中心對地面終端進行的遠程升級和參數配置部分，其中原始數據信號調理部分將采集到的0.1 Hz～10 kHz的原始電磁信號進行放大、磁反饋電路、濾波、次級放大、A/D轉換后傳給數據采集部分，數據采集部分基于STM32F407與W5300的交互將采集到的數據打包發送到遠程數據中心，數據中心再對數據進行后續處理并遠程實時監控設備情況。通過這幾部分，電磁信號采集系統可實時采集到原始的電磁數據并通過遠程得到有效的升級和維護。

1.1 信號調理電路

由電磁傳感器采集的大地電磁信號，需要經過放大、磁反饋電路、濾波、次級放大、A/D轉換等處理，才能進行下一步的分析。文中設計的電磁信號處理電路需要處理的電磁信號強度范圍為1～ 1 000 nT，頻帶為0.1 Hz～10 kHz。即使對采用了高磁導率、擁有上萬匝線圈的感應式傳感器，當電磁信號頻率為0.5 Hz或者更低時，磁場強度為1 nT時感應線圈輸出的電壓也低至微伏級，容易淹沒于噪聲之中，要放大至毫伏級信號才便于處理[8]。因此采用了兩級放大，第一級放大主要是為了提高信噪比，第二級放大是為了方便下一步的處理。

根據感應式磁傳感器線圈的幅頻特性和相頻特性，在諧振點處線圈相位會發生突變現象。為解決相位突變問題、擴展傳感器采集頻帶，在頻率高于1 Hz時電磁傳感器采用磁反饋方法，這樣傳感器在諧振頻率附近較寬的范圍內可以獲得平坦的幅頻特性曲線。

電磁傳感器采集的信號經過前級放大后，低頻噪聲及失調電壓和有效信號仍舊一起輸出，所以在放大電路之后需要加入濾波器濾除。根據設計要求，所需要處理的信號頻帶在0.1 Hz～15 kHz范圍內，采用未放大的通帶內平坦、實現簡單的四階巴特沃斯帶通濾波器對前端信號進行帶寬限制[9]。

A/D采用了高速、18位高精度的模數轉換器ADS8681。ADS8681是一款基于16位逐次逼近寄存器(SAR)模數轉換器(ADC)的集成數據采集系統，工作吞吐量達1 MSPS。對于每個輸入范圍，均可在指定的數值范圍內精確調整AFE電路的增益誤差和偏移誤差，從而實時、穩定地采集原始電磁信號。

1.2 信號采集電路

1.2.1 采集電路框架

信號采集電路的邏輯框架如圖1所示。

圖1 采集電路框架

處理器采用STM32F407。STM32F407是基于ARM Cortex(tm)-M4內核的一款32位閃存微處理器。內部具有自適應的實時加速器模塊ART，含有1 MB大小的FLASH存儲器，192 KB大小的RAM。其主頻高達168 MHz，使得其處理能力達到210DMIPS，且電流消耗僅為38.6 mA。寄存器方面，STM32F407含有一個輸入和一個輸出寄存器，一個Reset寄存器，一個Lock寄存器和兩個功能選擇寄存器。結構清晰，參數功能設置獨立，使用方便。STM32F407控制高速以太網通信接口器件W5300將A/D轉換后的數據通過TCP/IP協議傳輸到遠程數據中心。軟件系統主要實現與W5300芯片的交互設計以及系統升級機制。下面重點講述STM32F407與W5300芯片的交互設計部分以及基于Bootloader的升級機制[10-13]。

1.2.2 基于STM32F407與W5300的交互實現

系統采用了一種高速以太網通信接口器件W5300，W5300采用常見的+3.3 V和+1.8 V兩種電源方式供電。其中+1.8 V電源為其內核系統供電，+3.3 V電源為接口等部件供電。該芯片內部集成了10BaseT/100BaseTX的以太網PHY和基于WIZnet網絡協議處理技術進行硬件邏輯化的TCP/IP內核，內含主機接口管理單元、存儲器管理單元、寄存器管理單元以及介質接口管理單元，能夠實現以太網高速數據傳輸，滿足了實時監測地震的數據傳輸量大的需求。

圖2為STM32F407與W5300芯片之間的交互過程框架。

圖2 STM32F407與W5300交互框架

STM32F407與W5300芯片之間的交互主要包括網絡初始化、發送數據、接收數據、中斷處理四個過程。

(1)網絡初始化：首先由STM32F407對W5300進行網絡初始化，即初始化socket，bind和connect這三個過程。在完成了與地面終端的連接之后，W5300就可以與終端服務器進行收發數據。

(2)發送數據：STM32F407首先將數據發送到W5300的發送緩沖區，由W5300根據TCP/IP協議自動將數據發往遠程終端服務器。

(3)接收數據：遠程終端服務器往設備下發數據，W5300首先將數據接收到接收緩沖區，然后STM32F407從接收緩沖區讀取數據。

(4)中斷處理：在W5300連接遠程終端服務器、STM32F407發送數據到W5300接收緩沖區以及W5300往遠程終端服務器發送數據的過程中均可能產生中斷，中斷處理部分根據中斷類型做出不同的處理。整個系統內部有兩個中斷源，分別為兼容TCP和UDP協議的網絡芯片W5300和STM32F407內置定時器，前者用于網絡連接和通信，后者為ADC采集的采樣觸發器。整個軟件系統主要由這兩個中斷源來控制數據的接收與發送。

1.2.3 基于bootloader的自動更新機制

考慮到系統內采集軟件存在更新換代的可能，增加系統需求或者簡化系統功能。為了保障系統的便利性、安全性、可靠性，降低設備維護成本，設計了基于Bootloader的自動更新機制。

圖3為系統自動更新機制的邏輯框圖。

具體升級流程為：

(1)在地面終端的TFTP Server工作目錄下面需要存放兩個軟件升級工作相關的文件，文件名分別為stm32f407_earthquake_version.txt和stm32f407_earthquake_app.bin，其中version.txt文件是為了控制系統軟件升級，并防止系統上電或復位時進行反復升級而設立的。

圖3 自動更新機制邏輯框圖

(2)在地下信號采集電路板上電或者系統復位時，Bootloader作為tftp client從地面終端的tftp server下載stm32f407_earthquake_version.txt文件，然后跟存放于STM32F407內部FLASH的當前的軟件version信息進行比較，如果相同，則跳過升級流程，執行應用程序。

(3)如果版本信息不相同，則表示需要進行軟件升級，進入系統軟件升級流程。通過TFTP網絡文件傳輸協議，Bootloader作為tftp client從地面終端的tftp server下載stm32f407_earthquake_app.bin應用程序文件，并將其燒錄到存放應用程序的FLASH地址，燒錄完成后，再將本次軟件的version信息也存放在特定的給version分配的FLASH存儲區域，最后執行新的應用程序，升級完成。

2 測試結果

2.1 性能測試

測試所得到的儀器頻響曲線如圖4所示。由圖4可知，在1 Hz～10 kHz范圍內，頻率響應平坦區覆蓋100 Hz～4 kHz范圍。證明所設計的電路基本達到設計要求。

圖4 電磁探頭頻響曲線

2.2 功能測試

(1)數據采集測試結果。

感應式電磁傳感器將采集到的原始電磁信號進行放大、磁反饋電路、濾波、次級放大、A/D轉換后傳給數據采集部分，數據采集部分基于STM32F407與W5300的交互將采集到的數據打包發送到遠程數據中心，在這個過程中，系統在數據中加入了校驗位，保證了數據的正確、穩定傳輸。圖5為使用原始數據所畫的實時波形圖。

圖5 原始數據波形圖

(2)軟件升級測試結果。

設備上電或者系統復位時，Bootloader作為tftpclient從地面終端的tftp server下載stm32f407_earthquake_version.txt文件，然后跟存放于STM32F407內部FLASH中當前的軟件version信息進行比較，如果相同，則跳過升級流程，執行應用程序。在版本信息不一樣時，執行升級程序。如圖6所示，在版本信息不一樣時，使用tftpd32工具和網絡調試助手進行測試。tftpd32工具提示如下：其中請求了兩次下載APP鏡像，第一次是探測APP鏡像是否存在于地面終端的tftp server中，如果tftp server中只有version版本文件而沒有APP鏡像文件，要跳過升級過程；第二次才是真正的下載鏡像文件，并燒錄到STM32F407內部FLASH中[14-17]。圖6網絡調試工具中黑框部分顯示：Update fireware ok，表示系統遠程升級成功，也說明了系統遠程升級設計的正確性[18]。

圖6 系統軟件升級調試圖

3 結束語

文中實現了電磁原始信號的數據采集系統的方案設計，為了使系統能夠實時傳輸電磁信號并保障系統運行的可靠性和穩定性，基于STM32F407設計了與W5300的交互機制以及自動升級機制，使得遠程維護成為可能，減少了設備維護成本，也使得大規模布設設備成為可能。測試結果表明，感應式磁傳感器的信號調理系統具有良好的性能指標，采集電路可實現快速采集和傳輸，自動升級功能均正確實現，為進一步的數據分析工作打下了堅實的基礎。

[1] 希玉久.地震電磁輻射觀測是短臨預測重要手段之一[J].國際地震動態，2009(7):39-46.

[2] 曾敬武，雍珊珊，鄭文先，等.適用于大地震臨震預測的地聲傳感單元[J].計算機技術與發展，2015，25(12):133-137.

[3] 魯 力,張 波.嵌入式TCP/IP協議的高速電網絡數據采集系統[J].儀器儀表學報,2009,30(2):405-409.

[4] 焦繼業.單片機嵌入式TCP/IP協議的研究與實現[D].西安：西安科技大學,2003.

[5] 孔金生,任平英.TCP網絡擁塞控制研究[J].計算機技術與發展,2014,24(1):43-46.

[6] 郭 銳，馮志杰，高宗寧.一種新型網絡通信協議的設計與研究[J].計算機技術與發展,2017,27(1):75-79.

[7] 顏麗莎,朱力宏.基于ARM-linux嵌入式系統運行參數的配置方法和實現[J].電子商務,2011(8):56-57.

[8] CRESCI A, DE ROSA R, PUTMAN N F, et al. Earth-strength magnetic field affects the rheotactic threshold of zebrafish swimming in shoals[J].Comparative Biochemistry and Physiology Part A:Molecular & Integrative Physiology,2017,204:169-176.

[9] LOPETEGI T,LASO M A G,FALCONE F,et al.Microstrip “wiggly-line” bandpass filters with multispurious rejection[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2004,14(11):531-533.

[10] NICHOLS T J,LINBERG K R.Apparatus and method to automatic remote software updates of medical device systems:U.S.，6363282[P].2002-03-26.

[11] BARTEL M A,SKINNER C,JOHNSON K,et al.Method and system for automatic firmware updates in a portable hand-held device:U.S.，6754895[P].2004-06-22.

[12] 康文軍,鄢 萍,胡新元.在內核下的BootLoader自動更新方法[J].計算機工程,2012,38(4):215-217.

[13] 趙宏偉,孫永清,崔宇寅.一種軟件自動更新方法[J].電腦知識與技術,2012,8(1):74-76.

[14] 謝希仁．計算機網絡[M]．北京:電子工業出版社，2008.

[15] 游雪峰,文玉梅,李 平．以太網分布式數據采集同步和實時傳輸研究[J].儀器儀表學報，2006，27(4):384-388.

[16] 肖積濤,馬幼鳴,周鳴爭,等.基于FPGA的高速數據采集系統的設計與實現[J].計算機技術與發展,2012,22(6):217-220.

[17] 曾 浩,張 祺,鄭斯凱.基于STM32F407的圖像遠程采集終端[J].工業控制計算機,2014,27(11):81-83.

[18] 林曉松,陳惠濱,林少芬,等.工程機械車載監測終端軟件遠程升級的實現[J].電子技術應用,2015,41(5):156-158.