文獻標識碼： B
文章編號： 0258-7998(2014)04-0092-04
人耳所能接收到的物體振動產生的彈性波的頻率范圍為20 Hz~20 kHz，凡是低于這個范圍的聲波都稱為次聲波。次聲波具有頻率低、能量大、穿透力強，易于接收等特點。
長期以來的科學試驗表明，地震、泥石流等自然災害事件在孕育、發生和發展的過程中均可能向大氣中輻射低頻的次聲波[1]。通過監測和分析這些次聲波信號，對次聲波源進行定位，研究次聲波的產生和傳播規律來揭示次聲波信號與自然事件的關聯性，可以達到預測和監測自然災害事件并進行短期預警的目的[2]。高精度、高動態范圍、穩定性強、可靠性高的次聲波數據采集系統對次聲波數據的采集以及進一步的研究應用都有著重要的意義。
本文設計采用低功耗、高可靠性的STM32作為主控制器，連接MAX293和24位精準模數轉換器ADS1246，同時掛載SD卡、溫濕度傳感器、GPS模塊構成一套無線次聲波數據采集系統，通過串口與上位機通信完成參數配置，并且通過網口連接無線路由器實現數據無線傳輸到主服務器，達到遠距離監測次聲波的目的。
1 系統總體設計方案
系統的總體結構如圖1所示，主要包括了次聲傳感器、信號調理電路、A/D轉換、數據存儲模塊、電源模塊、USB/串口、網口接口部分、GPS模塊、3G轉WiFi模塊以及基于LabVIEW平臺的上位機部分。
2 硬件部分
2.1 次聲信號的獲取
InSYS2008型超低頻次聲測量傳感器是一種電容式次聲傳感器，它具有溫度系數低、工作溫度范圍寬、工作濕度范圍寬，潮濕氣候對靈敏度影響極小等特點，該傳感器只對聲波敏感，而對振動不敏感，具有很好的抗振動干憂性能和良好的長期穩定性[3]。該傳感器的頻率響應范圍為0.001 Hz~100 Hz,靈敏度為750 mV/Pa，完全能夠滿足次聲信號的采集要求。
2.2 信號調理
次聲波在大氣中傳播的過程中因風噪及地形因素造成的信號混疊、偶然事件引起的噪聲以及系統噪聲等是主要的干擾[4]。濾波電路設計采用八階橢圓形濾波器MAX293，該濾波器具有很快的滾降速度，通帶到阻帶的過渡帶可以很窄，它具有固定的頻率響應函數，只需要設定所需要的截止頻率即可。在本設計中，由STM32根據預設截止頻率值的大小輸出相應的CLK信號來實現。濾波電路如圖2所示， 其中AVDD為5 V，DVDD為3.3 V。圖中的NCMOS電路完成電平雙向轉換的功能，經實際應用中測試，它能在保留所需要的次聲波信號頻段信息的前提下，有效地抑制干擾。
2.3 數據采集和處理
信號采集采用TI公司生產的ADS1246，它是一種24位Δ-Σ型高精度無失碼模數轉換器，最大數據輸出率為2 kS/s，可以根據需要配置相應的寄存器，設置不同的采樣率和PGA增益值。
數據處理采用STM32系列單片機作為系統的控制核心,它采用最新的32位ARM Cortex-M3內核,性能高、功耗小、成本低且處理速度快,工作頻率最高可達到72 MHz,并且還具有豐富的外設。在本設計中采用STM32F103ZE作為主控芯片，通過SPI外設接口分別與ADS1246和網絡接口芯片ENC28J60直接進行通信,實現數據的采集和發送。相關原理圖如圖3所示。
2.4數據存儲
在本設計中，網絡暫時不通或服務器關機時，將數據保存在數據暫存器上，等到網絡連通之后，再將暫存器上的數據文件發送到網口進行傳輸。暫存器采用大容量SD卡及USB盤,并且設置暫存優先級為：USB盤，SD卡。網絡恢復后數據續傳的優先級依然是：USB盤，SD卡。這樣就能夠達到將數據存儲到USB盤中實現數據現場獲取的目的。
3 軟件部分
3.1 LabVIEW通信部分設計
上位機軟件開發平臺采用LabVIEW，它采用圖形化編程的G語言，擁有面向數據采集、GPIB、串行儀器控制等豐富的擴展函數庫，并且采用流程圖式的編程方式，具有十分強大的功能。LabVIEW的編程設計分為前面板部分和程序框圖部分，前者可以模擬真實儀器的前面板，用于設置數值和觀察輸出量，后者則是對應于前面板的G語言程序[5]。在本設計中，LabVIEW上位機設計主要包括控制面板和顯示面板部分。前者主要向下位機發送控制命令，完成對采集系統采樣率，濾波器截止頻率等相關參數的配置，同時在收到下位機發送的配置完成信號后發啟動命令啟動數據采集等工作;后者主要用于現場監察儀器的工作情況,確保相關參數配置生效，同時也可以實現數據的現場實時觀測和保存。
上位機和下位機通過串口中斷的方式完成交互和握手。圖4是LabVIEW上位機與STM32下位機部分通信的下位機軟件設計流程圖，主要包括控制命令的發送和ADC采集數據的接收和顯示。
3.2 STM32軟件設計
STM32采用MDK作為開發環境，STM32軟件設計主要包含SPI方式控制ADS1246，SPI方式控制網絡接口芯片ENC28J60以及SDIO模式控制SD卡。相應設計部分的流程如圖5所示。
系統上電以后進行初始化，然后接收LabVIEW上位機通過串口發送來的控制命令，完成相關參數的配置和啟動數據采集。同時完成ENC28J60復位、工作方式設置等相關操作，然后等待網絡連通。如果網絡不通則將采集到的數據存放到暫存器中，當檢測到網絡連通時則根據設置的優先級將暫存器中的數據通過網口發送到遠程服務器。
在本設計中，單片機接收到信號數據后可以將數據實時或者以固定的時間間隔分批進行傳輸，即可以通過LabVIEW控制面板設置傳輸以固定時間間隔T、每次傳輸數據長度為N的方式進行數據傳輸。數據采用二進制格式，每個數據為4 B的二進制碼依次排列。另外，設計中又在每個數據文件的頭部再加上64 B的字符數據，用以記錄時間、經緯度等一些必要的信息，這樣兩部分構成了實際的數據文件。然后，再將每個數據文件發送到網口進行傳輸,傳輸采用TCP/IP協議。
4 測試與總結
圖6為應用本無線次聲波采集系統在服務器端用MATLAB繪制的次聲信號時域波形圖。圖中的尖峰表示振動下次聲場產生異常。反復實驗測試表明本系統可以在噪聲場存在的條件下較好地完成對次聲信號的測量和傳輸，對次聲信號的進一步處理、研究和應用都有著重要的意義。
參考文獻
[1] 劉俊民, 唐偉，王曉明，等. 次聲信號產生機理與特性分析[J]. 環境工程,2010,28(4):92-96.
[2] 夏雅琴,胡爭杰,鄭菲.震前次聲波特征信號研究[J].北京工業大學學報,2005,31(5):461-470.
[3] 謝金來,陶中達,謝照華.高靈敏度寬頻帶次聲傳感器[J].核電子學與探測技術,2003,23(5):428-432.
[4] 夏雅琴,王微，張斌，等. 次聲信號的數據采集系統[J].北京工業大學學報，2006,32(6):573-576.
[5] 孫秋野,柳昂,王云爽.LabVIEW 8.5快速入門與提高[M].西安:西安交通大學出版社,2009.