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1預警站采集系統(tǒng)硬件設計

1．1采集系統(tǒng)方案采集系統(tǒng)方案如圖2所示，系統(tǒng)由ST32F407單片機加FPGA結(jié)構(gòu)組成，F(xiàn)PGA采用Altera公司的CYCLONEⅣ系列芯片EP4CE6E22C8N。單片機作為主控制器，用于控制FPGA采集，數(shù)據(jù)存儲;外圍電路包含以太網(wǎng)接口，GPS接口，SD卡存儲器以及授時守時電路;FPGA部分用于產(chǎn)生AD同步時鐘，控制六通道AD同步采集，并將采樣值傳入單片機中，外圍電路包含6通道采集板和參考源;單片機與FPGA之間通過SPI接口與地址線A0進行通信。數(shù)字補償晶體是整個系統(tǒng)的時鐘源，該晶體的頻率為16．384MHz，準確度為0．5×10－6，溫漂為0．1×10－6。

1．2傳感器選型本系統(tǒng)選用的傳感器為ES－T型三分向力平衡式加速度計，傳感器可以在±0．25gn到±4gn的范圍內(nèi)選擇設定滿量程，其動態(tài)范圍優(yōu)于155dB，帶寬在DC－200Hz之間。

1．3信號調(diào)理與AD采集電路傳感器輸出為差分信號，信號動態(tài)范圍為±5V，系統(tǒng)選用的AD芯片輸入信號范圍在±2．5V之間，所以傳感器輸出信號必須經(jīng)過信號調(diào)理后才能進行采集，圖3是其中一個通道的信號調(diào)理與AD采集電路，其余通道電路與該圖完全一致。信號調(diào)理電路由全差動放大器OPA1632構(gòu)成，該放大器的電壓噪聲密度為1．3nV/Hz1/2，在100Hz(高鐵地震監(jiān)測常用采樣率為200sample/s)帶寬范圍內(nèi)噪聲有效值不超過15nV，滿足地震信號采集要求。圖中R2∶R1、R7∶R9均為2∶1，可將輸入差分信號衰減2倍，實現(xiàn)將傳感器輸出的±5V信號衰減到±2．5V范圍內(nèi)，滿足ADS1281的輸入電壓范圍，圖中二極管D1與D2是鉗位二極管，將電壓鉗位在±3V左右，保護AD芯片。AD轉(zhuǎn)換器是一款32bitΔ－Σ高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1281，內(nèi)部具有可編程FIR、IIR和SINC濾波器，0．6×10－6線性度，在250sample/s采樣率下其SNR可達130dB，全速采樣模式下功耗僅12mW，非常適用于電池供電的野外作業(yè)。通過配置PINMODE引腳，可將ADS1281設置為引腳控制模式(PINMODE=1)和寄存器控制模式(PINMODE=0)，本系統(tǒng)將其配置成寄存器控制模式。系統(tǒng)為實現(xiàn)同步采樣，將六通道ADS1281的低功耗控制PWDN，復位RST，同步SYNC，采樣時鐘CLK，SPI時鐘SCLK，SPI數(shù)據(jù)輸入DIN引腳分別連在一起，并由FPGA統(tǒng)一控制，達到時鐘同步，統(tǒng)一配置AD的目的，從而實現(xiàn)同步采樣;而ADS1281的數(shù)據(jù)輸出引腳DOUT分別接在FPGA的6個不同IO口，用于讀取六通道AD的數(shù)據(jù)。參考源是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，本系統(tǒng)利用DCDC產(chǎn)生－5V電壓，低噪聲LDO電源芯片LT1964產(chǎn)生－2．5V電壓，作為六通道ADS1281的VREFN輸入，LT1964噪聲為30μVRMS(10Hz～100kHz);利用專用精準基準芯片LTC6655－2．5產(chǎn)生+2．5V電壓，作為六通道ADS1281的VREFP輸入，該芯片噪聲0．25×10－6p－p(0．1Hz～10Hz)，溫飄為2×10－6/℃，經(jīng)過試驗，該方案是取得較好結(jié)果。

1．4FPGA采集控制與數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集之前，STM32單片機需要通過FPGA對各通道采集卡(即ADS1281)進行配置;數(shù)據(jù)采集過程中，F(xiàn)PGA需要對六通道數(shù)據(jù)讀取、打包并傳入STM32單片機。控制線A0用于選擇上述功能。當A0=0時，將STM32單片機與FPGA之間的SPI接口、FPGA與六通道采集卡之間的SPI接口直接相連，此時由STM32單片機直接完成采集卡配置;當A0=1，F(xiàn)PGA輸出采樣時鐘CLK，六通道采集卡同時啟動采樣。FPGA數(shù)據(jù)采集與傳輸過程如圖4所示。當六通道ADC數(shù)據(jù)準備就緒時，ADC_nDRDY信號將同時由高變低，F(xiàn)PGA收到下降沿信號后，將在ADC_SCLK引腳連續(xù)產(chǎn)生32個周期的SPI時鐘，ADS1281在時鐘上升沿輸出數(shù)據(jù)(ADC_DOUT_1至ADC_DOUT_6)，F(xiàn)PGA在時鐘下降沿讀取數(shù)據(jù)，六通道數(shù)據(jù)將被緩存在6個32bit寄存器ADC_DA-TA0至ADC_DATA5內(nèi);FPGA讀取完六通道32bit數(shù)據(jù)后，在MCU_DRDY引腳產(chǎn)生一個高脈沖，通知STM32單片機讀取數(shù)據(jù)，單片機在MCU_DRDY下降沿啟動中斷，并在中斷中完成數(shù)據(jù)讀取;數(shù)據(jù)讀取過程中，單片機的SPI時鐘MCU_SCLK連續(xù)產(chǎn)生時鐘信號，F(xiàn)PGA在收到時鐘信號時，將數(shù)據(jù)通過MCU_DIN輸出，時鐘信號共6×32=192個，正好讀完六通道數(shù)據(jù)。

2預警系統(tǒng)C/S構(gòu)架軟件設計

2．1客服端LabVIEW編程PC機客服端界面與網(wǎng)絡編程利用LabView軟件實現(xiàn)。LabView是由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)虛擬儀器開發(fā)軟件，是一種圖形化編程語言，使用較為方便［6－7］。LabView主界面包含采樣率、量程設置，IP地址，端口，開始采集按鈕，停止采集按鈕和波形界面幾個部分，其中波形界面由WaveChart控件實現(xiàn)，具體實現(xiàn)如下:將下位機上傳的六通道數(shù)據(jù)綁定為簇，簇輸出接到WaveChart控件的數(shù)據(jù)輸入端，Wave-Chart控件的圖形顯示方式設置為分格顯示曲線，由于簇輸入是6個數(shù)組綁定而成，WaveChart自動將窗口分成6個子窗口，每個數(shù)據(jù)對應一個窗口;Wave-Chart界面更新模式設置為StripChart，此模式下波形從左至右繪制，達到右邊邊界時，舊數(shù)據(jù)從左邊溢出，新數(shù)據(jù)從右邊進入。LabView具有強大的網(wǎng)絡編程功能，本系統(tǒng)客戶端利用了其中的TCP/IP協(xié)議模塊，主要涉及到以下幾個函數(shù):TCPOpen(打開)，TCPRead(讀取)，TCPWrite(寫入)，TCPClose(關(guān)閉)。客戶端程序工作流程如圖5所示。從圖中可以看出，從開始到結(jié)束采集一共用了兩次TCP/IP連接，第1次用于發(fā)送采集命令，然后接收、處理、顯示數(shù)據(jù)，當按下“停止采樣”命令后，首先關(guān)閉第1次TCP/IP連接，此時服務器還在繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，但不發(fā)送，所以還需進行一次TCP/IP連接發(fā)送停止采集命令給服務器，服務器收到命令后即可停止采集，并進入低功耗模式。

2．2基于LWIP的服務器程序設計服務器的主控單片機是STM32F407，其內(nèi)部集成了10/100M以太網(wǎng)MAC，結(jié)合PHY芯片DP83848即可完成以太網(wǎng)硬件搭建;以太網(wǎng)軟件部分通過移植LWIP協(xié)議棧實現(xiàn)，已有較多文獻或文檔詳細敘述了移植方法與過程，服務器接收命令、啟動采樣和傳輸數(shù)據(jù)等功能在tcp回調(diào)函數(shù)中實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集和傳輸是同時進行的，可在單片機中申請兩個緩存，采用乒乓操作模式工作實現(xiàn)，即:其中一個用于中斷采集數(shù)據(jù)存儲，緩存滿后，設置數(shù)據(jù)滿標志，并查詢另一個緩存的數(shù)據(jù)空標志，若為空，證明數(shù)據(jù)已經(jīng)傳輸完成，可新的存儲數(shù)據(jù);另一個用于傳輸，傳輸完成后，設置數(shù)據(jù)空標志，并查詢第1個緩存的數(shù)據(jù)滿標志，若位滿，證明數(shù)據(jù)可以傳輸;由于以太網(wǎng)的傳輸速度遠大于數(shù)據(jù)采集的速度，以太網(wǎng)傳輸完成后會等待另一個緩存存滿，所以整個過程中不會出現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)丟失的情況。

3采集系統(tǒng)性能測試

3．1噪聲測試進行噪聲測試時，將6通道輸入短接，采樣率設置為200sample/s;采集開始后，數(shù)據(jù)將以文本文檔的形式實時存入SD卡。圖6是由采集的一個通道數(shù)據(jù)用excel作圖得到(取其中任意2000個點)，從該圖可以看出:該通道采集的輸入短接噪聲峰峰值在±1．5μV范圍內(nèi)。為進一步對噪聲大小進行量化分析，分別進行了三次噪聲測試，并在excel軟件中利用STDEVA函數(shù)對每一次的六通道采集數(shù)據(jù)做均方差處理，處理結(jié)果如表1所示。從表中可以看出:每隔通道的噪聲均方差低于0．5μV，噪聲一致性較好;采集卡輸入信號范圍是±5V，按照ADC的信噪比計算公式可算出采集卡的信噪比優(yōu)于140dB。

3．2地震信號采集實驗實驗時，把傳感器放置于地面，傳感器差分信號輸出端接入采集卡第1通道，打開監(jiān)測站電源，在PC機中啟動LabVIEW界面，設定好采樣率、量程、IP地址與端口，點擊“啟動采集”，在距傳感器2m左右用硬物連續(xù)敲擊地面，圖7是截取的實時顯示結(jié)果圖，從圖7可以看出，第1通道具有典型的地震波形輸出，縱坐標單位為mV，第2通道～第6通道輸出為隨機噪聲，縱坐標單位為μV。

4結(jié)束語

本論文通過預警站(服務器)采集系統(tǒng)硬件、軟件設計和客服端軟件設計，實現(xiàn)了基于C/S構(gòu)架的高鐵地震預警IP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在性能上，系統(tǒng)噪聲均方差低于0．5μV，信噪比優(yōu)于140dB;在功能上，可實現(xiàn)遠程參數(shù)設置、遠程實時數(shù)據(jù)傳輸并顯示。該系統(tǒng)不僅可以用于高鐵地震預警，還可用于礦山微震監(jiān)測、金庫震動監(jiān)測和天然地震等與震動有關(guān)的應用領(lǐng)域。

作者：譚超蘇超張海濱單位：三峽大學電氣與新能源學院