摘 要： 介紹了一種基于無線數(shù)據(jù)采集的地震波定位系統(tǒng)設計方法。該系統(tǒng)以C8051F020單片機為主控芯片，利用GPS模塊提供的PPS信號實現(xiàn)分布式采集系統(tǒng)的同步，利用無線射頻模塊XBee-Pro實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。整個系統(tǒng)通過上位機進行實時控制。實驗證明，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)嚴格同步采集，整個采集系統(tǒng)工作穩(wěn)定、操作簡單，具有較高的工程應用價值。
關鍵詞： 無線傳輸；數(shù)據(jù)采集；采集系統(tǒng)
0 引言
在靶場試驗中，經常需要確定炮彈的落點，利用炮彈落地激起的地震波信號可以實現(xiàn)彈著點的定位；在安全監(jiān)測領域，通過探測入侵目標引起的地面振動來實現(xiàn)目標識別及預警。但是，常規(guī)的有線地震采集系統(tǒng)在野外擺放排列、檢查連線要耗費大量的時間和人力，而且在一些惡劣環(huán)境中無法進行地震數(shù)據(jù)的采集作業(yè)。針對有線地震采集系統(tǒng)在實際應用中存在的問題，本文提出了一種基于無線網絡的自定位地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計。
1 系統(tǒng)總體結構
地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在野外進行采集作業(yè)，要求系統(tǒng)體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、適合長時間的野外作業(yè)，系統(tǒng)設計時應選用低功耗、環(huán)境適應性強的芯片，結構設計應考慮適應野外復雜的環(huán)境。本文設計的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括通信控制中心和4個無線地震數(shù)據(jù)采集單元，系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。
通信控制中心由MCU主控單元和無線通信模塊組成，完成PC與無線地震數(shù)據(jù)采集單元之間的通信控制。無線地震數(shù)據(jù)采集單元由MEMS地震檢波器、MCU主控單元、GPS授時與定位模塊、無線通信模塊和輔助單元組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。系統(tǒng)主要實現(xiàn)地震信號的采集、數(shù)據(jù)處理及無線傳輸。
地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有兩種狀態(tài)：休眠狀態(tài)和工作狀態(tài)。不工作時，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，降低功耗；當需要采集地震信號時，PC向通信控制中心發(fā)送喚醒命令，通信控制中心通過無線通信模塊向無線地震數(shù)據(jù)采集單元發(fā)送喚醒命令，MCU主控單元接收到喚醒命令后控制整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由休眠狀態(tài)轉入工作狀態(tài)。MEMS地震檢波器拾取地震信號，經過調理和A/D轉換電路，將拾取的振動信號轉換成數(shù)字信號，GPS授時與定位提供采集系統(tǒng)的三維坐標信息和秒脈沖同步時鐘信號，MCU主控單元將地震數(shù)據(jù)和坐標信息進行處理后，將數(shù)據(jù)通過無線通信模塊實時傳回到PC進行定位。輔助單元用于系統(tǒng)的狀態(tài)顯示。
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 無線地震數(shù)據(jù)采集單元硬件設計
2.1.1 地震數(shù)據(jù)采集部分
地震波在傳播過程中，由于波前擴散、吸收效應、反射和折射等對地震波振幅、頻率的影響，到達傳感器的地震信號微弱，因此對地震檢波器的靈敏度要求高。MEMS地震檢波器體積小、功耗低、動態(tài)范圍寬、靈敏度高、長期穩(wěn)定性好，系統(tǒng)選用模擬輸出的MEMS地震檢波器。MEMS地震輸出的地震信號微弱，而且有噪聲，信號調理電路對地震信號進行緩沖、放大、濾波等，使其適合A/D轉換輸入。系統(tǒng)的A/D轉換采用主控芯片自帶的ADC，A/D轉換采用單端輸入，采樣率為1 kHz。
2.1.2 主控單元
通過分析系統(tǒng)對各種資源的需求，MCU主控單元需要具有A/D轉換、UART，并且功耗低、接口資源豐富、工作溫度范圍大、適合野外環(huán)境工作，因此本系統(tǒng)選用混合信號ISP Flash微控制器C8051F020作為MCU主控單元。C8051F020有一個片內8位SAR ADC（ADC0）、一個8通道輸入多路選擇開關和可編程增益放大器，該ADC工作在500 ks/s的最大采樣速率時可提供真正的8位精度，INL為±1 LSB。另外，C8051F020采用高速、流水線結構CIP-51內核，峰值速度可達25 MIPS，具有多種節(jié)電休眠和停機方式，內部有硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C和兩個增強型全雙工UART串行接口，工作溫度范圍為-45℃～+85℃，完全滿足系統(tǒng)的設計需求。
2.1.3 GPS授時與定位模塊
全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）是全球性、全天候的衛(wèi)星無線電導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)向全球范圍用戶提供高精度的三維位置、速度和精確時間信息。每個自定位地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配備了GPS授時與定位模塊，為系統(tǒng)提供同步時間基準和空間位置信息。系統(tǒng)自身可以實現(xiàn)靜態(tài)自定位，定位精度可以達到cm級，省去了測量位置信息的工作，并能夠為后續(xù)地震數(shù)據(jù)處理提供高精度的位置信息。GPS模塊提供的秒脈沖輸出在定位成功后會輸出1 Hz的脈沖信號，該信號可作為系統(tǒng)的同步脈沖信號，采集電路的數(shù)據(jù)采樣觸發(fā)時刻與該同步脈沖信號對準，實現(xiàn)多個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的同步采樣。系統(tǒng)的GPS模塊選用AiAge的AI-GPS-V04，內部芯片為UBLOX NEO 6M，波特率在4 800～115 200 Baud間任意配置，刷新率在1～5 Hz間任意配置。
2.1.4 無線通信模塊
本設計中無線傳輸技術要保證無線地震數(shù)據(jù)采集單元之間的短程無線傳輸以及無線地震數(shù)據(jù)采集單元與通信控制中心之間的遠程有效傳輸，而且采集單元之間可以無線自組網，即所有采集單元在開機后即可以快速、自動地組成一個獨立的無線網絡，網絡的拓撲結構是動態(tài)變化的，每個采集單元既可以作為終端，也可以作為路由器，所有采集單元的地位平等，一起組成一個對等的網絡。這樣的無線網絡結構，即使某一個采集單元出現(xiàn)故障，網絡也可以自動發(fā)生拓撲結構變化，自動調整通信路由，以獲取最有效的傳輸路徑，不會影響系統(tǒng)的正常工作，系統(tǒng)拓展簡單。系統(tǒng)無線傳輸模式如圖3所示。
系統(tǒng)的無線通信模塊選用美國DIGI公司的遠距離低功耗數(shù)傳模塊XBee-Pro DigiMesh 900M，該模塊基于ZigBee協(xié)議，工作在ISM 900 MHz頻率波段，支持睡眠路由器功能，簡單拓撲，易于配置，傳輸距離達6 mile（10 km），可以組建Mesh網絡[1]。該模塊支持UART和SPI通信，系統(tǒng)選擇UART串口通信。
2.1.5 主控單元與各模塊接口設計
如圖4所示，地震信號經過調理電路后，由8位SAR ADC的AIN1.0通道輸入C8051F020進行A/D轉換，轉換完的數(shù)據(jù)暫存于片內寄存器。GPS模塊的通信連接由數(shù)據(jù)TTL信號輸入、數(shù)據(jù)TTL信號輸出和秒脈沖輸出完成，GPS模塊配置完成后，由主控單元C8051F020控制，與主控單元UART0的TX0和RX0進行異步串行通信，實現(xiàn)定位信息的接收，秒脈沖輸出接入主控單元的外部中斷源/INT0，控制數(shù)據(jù)采集同步。無線模塊的UART通信接口包括數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出、清除發(fā)送和請求發(fā)送。清除發(fā)送/CTS有效時，若串行接收緩沖區(qū)空間不足17 B時，則/CTS會被置高，主控單元停止發(fā)送數(shù)據(jù)；當串行接收緩沖區(qū)空間有34 B時，/CTS位恢復有效。請求發(fā)送/RTS有效時，無線模塊串行傳輸緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)將不會從DOUT口輸出，但主機不能長時間使/RTS有效，否則串行傳輸緩沖區(qū)的空間將被占滿，此時如果再收到RF數(shù)據(jù)，則收到的全部數(shù)據(jù)會被丟棄。
2.2 通信控制中心硬件設計
通信控制中心的主要功能是將PC發(fā)送的控制命令轉發(fā)給無線地震數(shù)據(jù)采集單元，接收無線地震數(shù)據(jù)采集單元傳回的數(shù)據(jù)并發(fā)送到PC進行數(shù)據(jù)后期處理。通信控制中心的MCU主控單元選用混合信號ISP Flash微控制器C8051F020，無線通信模塊選擇XBee-Pro DigiMesh 900M，主控單元與無線模塊的通信通過UART實現(xiàn)，接口連接部分與無線地震數(shù)據(jù)采集單元相同。
3 系統(tǒng)軟件設計
為了保證野外采集作業(yè)有足夠的時間，系統(tǒng)必須耗電少，因此分布式自定位地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在野外排布好之后，上電系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)，等待喚醒。系統(tǒng)的工作狀態(tài)由PC控制，通信控制中心轉發(fā)控制命令，無線地震數(shù)據(jù)采集單元接收命令轉入工作狀態(tài)或進入休眠。系統(tǒng)主流程如圖4所示。無線地震數(shù)據(jù)采集單元進入工作狀態(tài)，采集地震數(shù)據(jù)并進行初步處理后將數(shù)據(jù)實時傳回PC，系統(tǒng)接收到停止命令時，停止數(shù)據(jù)采集重新進入休眠狀態(tài)。
3.1 GPS模塊配置
GPS模塊AI-GPS-V04通過UART串口與MCU主控單元完成數(shù)據(jù)傳輸。需要配置GPS的波特率、刷新率，GPS的配置需要通過USB轉串口的TTL小板和u-center軟件來完成，系統(tǒng)配置GPS波特率為9 600 Baud，刷新率為1 s。配置完成后，GPS模塊每隔1 s按NMEA-0183標準協(xié)議輸出GPS定位和時間信息，并在PPS接口輸出1 kHz的脈沖信號[2]。
3.2 系統(tǒng)同步采集軟件設計
由于無線傳輸延時、分布采集單元電路延時等因素會造成非同步采集，影響后期數(shù)據(jù)處理，因此高精度的時間同步技術是系統(tǒng)的關鍵部分。GPS模塊可產生精確的PPS信號（50 ns～1 ns），并且與無線發(fā)送、中繼和接收存在的時延無關。
4 結論
本文設計的系統(tǒng)具有GPS，能夠自動記錄采集點空間位置和自動同步采集，通過無線網絡傳輸?shù)卣饠?shù)據(jù)，根據(jù)首波到達時間推算震源位置，且系統(tǒng)在野外排列不受地形限制，可以極大地提高野外施工效率。本文研究了開發(fā)小規(guī)模的自定位地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網絡關鍵技術，驗證了自主相關技術及系統(tǒng)在實際應用中的可行性，為大規(guī)模的無線自定位地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無線網絡數(shù)據(jù)傳輸技術及定位算法研究奠定了基礎。
參考文獻
[1] 陳湘平，房莉.基于ZigBee的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].測控自動化，2009，25（4-1）：99-100.
[2] 任家富，李懷良，陶永利.地震數(shù)據(jù)采集無線同步技術研究[J].中國測試技術，2008，6（34）：2-3.