地震監(jiān)測系統(tǒng)的電磁信號的采集設計與實現(xiàn)

張國華

（陜西省地震局，陜西 安康 725000）

0 引 言

地震會給人們的生命帶來巨大威脅，給社會帶來危害，不利于社會的穩(wěn)定。在地震發(fā)生前如果能得到預警，將可以為人們爭取更多的時間離開地震危險地，挽救眾多生命，極大地降低地震帶來的經(jīng)濟損失[1-2]。現(xiàn)在使用的地震前電磁信號還不能有效預測地震，因為預測的可靠性和穩(wěn)定性尚存在很多問題，對所使用的環(huán)境和安裝成本也有很高要求。此外，現(xiàn)在的儀器與數(shù)據(jù)采集部分是分離的，導致采集的數(shù)據(jù)不能進行快速且遠距離的傳輸[3]。

1 電磁信號采集設計的系統(tǒng)方案

電磁信號采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)終端進行的遠程升級部分、對原始數(shù)據(jù)的調(diào)理部分以及對遠程系統(tǒng)參數(shù)的配置部分。在原始數(shù)據(jù)的信號調(diào)理中，會將采集的0.1～10 Hz的原始電子信號，經(jīng)過放大、反饋以及次級放大后傳輸給數(shù)據(jù)采集部分。新型的電磁信號采集系統(tǒng)包括信號的實時采集和信號調(diào)理兩部分。信號采集部分為了能夠采集和傳輸所有頻段電磁信號中的原始數(shù)據(jù)，利用高精度和速度極快的模數(shù)轉換器，以支持近百兆的數(shù)據(jù)利用TCP/IP協(xié)議在網(wǎng)絡中。信號調(diào)理是通過濾波放大模擬信號來處理靈敏度高的原始信號。通過一系列的傳輸和整合，電池信號采集系統(tǒng)完成對采集的原始電子數(shù)據(jù)的升級[4]。

1.1 信號數(shù)據(jù)的電路調(diào)節(jié)

電磁傳感器采集到大地發(fā)出的電磁信號時，需要經(jīng)過一系列處理，并且通過AD轉換把數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)采集部才能進一步分析數(shù)據(jù)。研究中設計的電磁信號的強度在1～1 000 nT，頻率在0.1 Hz～10 kHz。在對電磁信號進行處理時，即使感應式傳感器的線圈數(shù)有上萬匝且采用電磁頻率很高的傳感器，當電磁信號的頻率為0.5 Hz或者更低的時候，感應線圈磁場所輸出的電壓也很低，易被淹沒在線圈的噪聲里，因此需要對其進行放大才能進行處理。本文設計的電磁信號采取兩種放大模式，第一層次上的放大是為了減小噪音的信號，第二層次上的放大是為了更好地進行下一步的處理。

感應式磁傳感器的線圈在振點處有時會發(fā)生信號中斷。為了擴大傳感器的采集力度，解決這些突發(fā)問題，在傳輸?shù)碾姶判盘柕念l率大于1 Hz時，傳感器利用反饋的傳輸方法進行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸時傳感器可以在較寬的范圍和頻率上進行曲線傳輸[5]。電子傳感器接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過放大后，需要對收集的數(shù)據(jù)進行過濾。根據(jù)設計相關要求，要處理的信號需在0.1～15 Hz，并對前端信號的傳輸加以限制[6]。ADS8681是一個集成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以準確調(diào)整所要輸入的范圍，避免電路發(fā)生偏移，從而使傳輸信號更加穩(wěn)定。

1.2 信號采集電路

處理器采用SYM32F407，內(nèi)部具有實用性強的加速器模塊，且包括1 MB的Flash存儲器，192 kB的RAM。處理器的主頻高達168 MHz，因此處理器的數(shù)據(jù)處理速度很快。SYM32F407處理器包含一個輸出寄存器和一個輸入寄存器。數(shù)據(jù)通過SYM32F407轉換后，可以通過TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議傳送到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)控制中心。W5300的芯片與SYM32F407之間存在一定的交互，通過高速以太網(wǎng)通信接口實現(xiàn)。W5300使用的是兩種常見的供電方式，分別是+3.3 V的電源和+1.8 V的電源。其中，+3.3 V的電源為數(shù)據(jù)處理的接口部位供電，+1.8 V的電源為系統(tǒng)的內(nèi)核供電。該芯片通過網(wǎng)絡協(xié)議處理技術中的管理單元和寄存器的管理單元實現(xiàn)以太網(wǎng)的高速數(shù)據(jù)傳送，從而使地震監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸量達到最大，實時性更高。網(wǎng)絡初始化時，SYM32F407先對W5300進行網(wǎng)絡初始化。初始化過程分為socket、connect以及bind共3部分。SYM32F407與地面終端完成連接后，W5300即可與終端數(shù)據(jù)服務器進行連接收發(fā)數(shù)據(jù)。

1.3 自動更新程序

地震系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)部所要使用的軟件都可以進行更新，且在特定的環(huán)境下需要簡化和增加系統(tǒng)功能，使系統(tǒng)更加完善。為了使監(jiān)測系統(tǒng)在可靠性、安全性以及便利性的基礎上進一步降低監(jiān)測系統(tǒng)設備的維護成本，自動更新機制的設計是重點。系統(tǒng)具體的工作流程如圖1所示。

在地面終端需要存放兩個與升級工作相關的文件，分別命名為以VersIon.txt結尾和以app.bin結尾的文件。在升級過程中，VersIon.txt文件的建立是為了監(jiān)控系統(tǒng)軟件的升級，防止系統(tǒng)在復位時反復進行升級。首先，在地下的連接器上采用電路板上電，或者在系統(tǒng)進行復位時從系統(tǒng)的地面終端下載VersIon.txt文件，后存放到SYM32F407內(nèi)部的Flash軟件中并進行比較。如果流程和內(nèi)容相同，跳過該升級流程，執(zhí)行相應的應用和程序。如果所要升級的軟件的版本信息不一致，那么表示軟件在升級過程中并沒有按照系統(tǒng)規(guī)定的升級流程進行升級。其次，網(wǎng)絡文件的傳輸協(xié)議要通過VersIon.txt文件從地面終端進行下載，從app.bin文件里查找相應的程序文件，并且將相應的文件存放到Flash地址的應用程序中。下載完成后，再次將軟件中的信息放在特定的Flash存儲區(qū)域。最后，打開并且執(zhí)行更新完成后的程序，如果軟件能夠順利打開，則表示已完成系統(tǒng)的升級。

圖1 自動更新機制框圖

2 功能測試

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)的性能測試

從圖2可以看出，在1 Hz～10 kHz范圍內(nèi)，傳輸信號的頻率響應范圍可以覆蓋到平坦區(qū)的100 Hz～4 kHz，進一步證明了設計的監(jiān)測電路達到了電磁信號傳輸規(guī)定的要求。

圖2 電磁探頭的頻響曲線

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)

在地震監(jiān)測系統(tǒng)中，感應式的電磁信號傳感器會把采集的數(shù)據(jù)信號，通過一定的處理和計算進行磁反饋、放大、次級放大以及濾波處理傳送到數(shù)據(jù)采集部，然后將其發(fā)送到數(shù)據(jù)遠程控制中心。數(shù)據(jù)傳輸時會在原始數(shù)據(jù)中加入校驗位，從而保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的穩(wěn)定性和準確性。

2.3 軟件升級的測試結果

監(jiān)測設備在進行復位或者上電時，從地面終端的一文件里下載Bootloader。下載完成后，下載的內(nèi)容將存放到SYM32F407內(nèi)部的一個Flash軟件中。然后，把下載好的軟件與version文件里所存儲的軟件信息進行比較。如果數(shù)據(jù)和信息都相同，那么升級流程可以直接跳過，執(zhí)行下一步相應的應用程序；如果兩者比較后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息不一致，需執(zhí)行相應的升級程序。完成上述過程后，網(wǎng)絡調(diào)試工具的窗口如果顯示update fireware ok，表明顯示系統(tǒng)在遠程控制中升級成功，也證明了系統(tǒng)遠程控制升級設計的正確性。

3 結 論

本次設計和討論實現(xiàn)了對原始電磁數(shù)據(jù)信號的設計和采集，能夠使地震監(jiān)測系統(tǒng)實時傳遞數(shù)據(jù)和信息，并且在數(shù)據(jù)傳送過程中保證了傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，一定程度上減少了設備的運維成本，能夠對監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)大規(guī)模的安裝和布置。經(jīng)過一定的實驗和測試證明，感應式傳感器在特殊的工作狀態(tài)下具備良好的性能，系統(tǒng)的自動升級功能也能正常進行，進一步實現(xiàn)了地震監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的準確性和實時性，促進了地震監(jiān)測系統(tǒng)的電磁信號的采集與實現(xiàn)。