專利名稱：一種基于arm的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種天然地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，應(yīng)用于于天然地震數(shù)據(jù)采集等相關(guān)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，利用流動地震臺站觀測記錄到的天然地震數(shù)據(jù)資料研究地殼上地幔的精細(xì)結(jié)構(gòu)逐漸成為地震學(xué)發(fā)展的重要分支，國內(nèi)相關(guān)單位如中國科學(xué)院、中國地震局等在流動地震臺站觀測以及研究方面均取得了重大的成果，然而遺憾的是，觀測所用的設(shè)備90%以上是從美國、加拿大等單位購進(jìn)的進(jìn)口設(shè)備，為了盡快形成具備自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，減弱對進(jìn)口設(shè)備的依賴，研制適合當(dāng)前國內(nèi)野外觀測需求的地震觀測設(shè)備無疑具有重要意義。用于天然地震流動觀測的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)就是長時間不間斷的連續(xù)觀測，最重要的指標(biāo)包括時間服務(wù)的精度高、信號的畸變小、系統(tǒng)的便攜性和操控性好等幾方面，國內(nèi)早期研制的采集系統(tǒng)由于當(dāng)時技術(shù)局限，大多采用單片機(jī)作為控制與處理核心，模擬數(shù)據(jù)經(jīng)過前放電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及數(shù)字處理芯片濾波處理，輸出到機(jī)械硬盤完成數(shù)據(jù)的采集存儲，系統(tǒng)的擴(kuò)展性差，外觀笨重，很難適應(yīng)當(dāng)前的觀測需求；時間服務(wù)精度很難控制在毫秒以內(nèi)，數(shù)據(jù)回收之后還必須進(jìn)行鐘差的校正；數(shù)據(jù)存儲格式五花八門，必須配備專用的后處理軟件，操控方式相對于進(jìn)口設(shè)備也要復(fù)雜一些。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計一套適用于當(dāng)前野外流動地震觀測的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高精度的時間服務(wù)系統(tǒng)，信號畸變小，便攜性和操控性好，輸出數(shù)據(jù)格式國際通用。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種基于ARM的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于:包括信號放大電路模塊，用于放大來自地震計的微弱信號；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將經(jīng)過放大的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；數(shù)字信號處理器，將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號進(jìn)行處理；中央控制與處理單元ARM，經(jīng)處理的數(shù)字信號傳入中央控制與處理單元ARM，中央控制與處理單元ARM包括數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括控制模塊、采集模塊、授時模塊、存貯模塊。進(jìn)一步的，所述授時模塊包括一個單片機(jī)作為處理核心，一個可電壓控制的晶體振蕩器提供采集主頻，一個溫度傳感器用來測量溫度，一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器來轉(zhuǎn)換控制電壓，在單片機(jī)中存儲有晶體振蕩器壓控值與溫度的關(guān)系表。進(jìn)一步的，所述晶體振蕩器為數(shù)據(jù)采集提供采集主頻，通過比較GPS秒號和晶體振蕩器分頻產(chǎn)生的秒號之間的差異用逐步試錯的方法得到正確的壓控值，用這個壓控值重新來控制VCXO即可得到精確的頻率。進(jìn)一步的，所述單片機(jī)內(nèi)部的存儲器中還設(shè)置有關(guān)系表，經(jīng)過逐步試錯所得到的正確的壓控值和溫度傳感器所測到的溫度之間的對應(yīng)關(guān)系存儲在所述關(guān)系表中，在特定溫度點(diǎn)優(yōu)先使用這個關(guān)系表進(jìn)行晶體振蕩器的頻率調(diào)整，以便在沒有GPS信號的情況下也能為數(shù)據(jù)采集提供較高的時間精度。進(jìn)一步的，所述中央控制與處理單元ARM中，采集模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化、配置初始參數(shù)并且對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析存儲，對采集過程中的錯誤信息進(jìn)行處理，在采集過程中，控制模塊隨時響應(yīng)外部的操作，并通知采集模塊進(jìn)行相應(yīng)的處理和回應(yīng)；存儲模塊隨時檢查當(dāng)前的存儲情況，將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到外接存儲裝置；授時模塊提供時間服務(wù)，進(jìn)行鐘差測量，并協(xié)同采集模塊與GPS時間同步。進(jìn)一步的，所述外接存儲裝置為支持熱插拔的USB存儲裝置。進(jìn)一步的，所述數(shù)字信號處理器通過外圍邏輯接口與中央控制與處理單元ARM連接。進(jìn)一步的，所述外圍邏輯接口包括一緩存FIFO，ARM通過對FIFO的讀寫完成數(shù)據(jù)米集。進(jìn)一步的，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器型號為CS5372，所述數(shù)字信號處理器型號為CS5376，所述外圍邏輯接口采用型號為A42MX16的接口邏輯電路，所述中央控制與處理單元ARM采用型號為AT91RM9200的芯片。進(jìn)一步的，所述數(shù)字信號處理包括多級抽樣和濾波。本發(fā)明的技術(shù)效果包括:由于來自于地震計的信號非常微弱，一般在微伏級別，因此本發(fā)明首先采用放大電路對地震計獲得的微弱信號進(jìn)行放大，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將放大后的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)字處理器芯片多級抽樣、濾波，再通過外圍邏輯接口被中央控制與處理單元ARM接收，本發(fā)明為了 ARM處理方便，在邏輯接口處設(shè)計有一個緩存FIFO，ARM通過對FIFO的讀寫完成數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)存儲采用外接Usb盤的方式，在指示燈滅時隨時可熱插拔，數(shù)據(jù)壓縮采用國際通用的steiml/2型壓縮算法。系統(tǒng)的操作控制采用RS232協(xié)議，通過筆記本或者palm型掌上電腦均可完成，簡單易行。對于地震數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域而言，天然地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要長時間不間斷進(jìn)行監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，其時間服務(wù)的精確性至關(guān)重要，現(xiàn)有的地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)一般采用高精度的晶體振蕩器來提供基準(zhǔn)頻率信號，同時定時接收GPS信號，通過二者協(xié)同工作來提供高精度的時間服務(wù)。然而，即使是很高精度的晶體振蕩器，由于晶體本身固有的頻率-溫度特性，使得晶振的頻率隨著溫度變化而變化，經(jīng)過一段時間的積累就會產(chǎn)生較大誤差?；谶@一點(diǎn)，本發(fā)明采用了全新的時間服務(wù)模塊進(jìn)行授時服務(wù)，原理框圖如圖2所示，采用可電壓控制的晶體振蕩器(VCXO)為數(shù)據(jù)采集提供采集主頻，通過比較GPS秒號和晶體振蕩器分頻產(chǎn)生的秒號之間的差異用逐步試錯的方法得到正確的壓控值，將正確的壓控值和溫度傳感器所測到的溫度之間的對應(yīng)關(guān)系存儲在單片機(jī)MCU內(nèi)部的存儲器里，在特定溫度點(diǎn)優(yōu)先使用這個關(guān)系表進(jìn)行晶體振蕩器的頻率調(diào)整，這樣以后即使在沒有GPS信號的情況下也能為數(shù)據(jù)采集提供較高的時間精度。本發(fā)明的中央控制與處理單元ARM及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用Linux環(huán)境下應(yīng)用層的多線程架構(gòu)，共包括采集、授時、存盤、控制四個模塊(或線程，以下統(tǒng)稱線程)，各線程間的通信通過信號燈方式進(jìn)行同步。采集線程是其中主要的線程，負(fù)責(zé)初始化采集設(shè)備、配置初始參數(shù)并且對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析存儲，對采集過程中的錯誤信息進(jìn)行處理。在采集過程中，需要控制線程隨時響應(yīng)外部控制設(shè)備的操作，由控制線程通知采集線程進(jìn)行相應(yīng)的處理和回應(yīng)；需要存儲線程隨時檢查當(dāng)前的存儲情況，必要時將采集數(shù)據(jù)從芯片直接或經(jīng)壓縮后轉(zhuǎn)存到外接存儲裝置中；需要授時線程提供時間服務(wù)，進(jìn)行鐘差測量，必要時還需協(xié)同采集進(jìn)程完成與GPS時間同步的操作。


圖1是本發(fā)明的原理框圖。圖2是時間服務(wù)模塊原理框圖。圖3是系統(tǒng)工作流程圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。作為一種實(shí)施例，圖1中，放大電路采用的放大器型號為CS3301，將微弱的來自于地震計的信號進(jìn)行放大并輸出到模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器型號為CS5372，共有兩個，每個可單獨(dú)處理兩道模擬信號，將采集的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)字信號處理器型號為CS5376，對數(shù)字信號進(jìn)行多級抽樣、濾波再通過外圍邏輯接口可被中央控制與處理單元ARM接收，外圍邏輯接口器件采用A42MX16，對于CS5376的控制以及數(shù)據(jù)的交互采用SPI接口協(xié)議完成。系統(tǒng)架構(gòu)采取基于Linux操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用層編程方式，操作系統(tǒng)的存在簡化了開發(fā)難度，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，然后同時也帶來了實(shí)時性不好的缺點(diǎn)，為了解決這個問題，在采集數(shù)據(jù)進(jìn)入ARM之前設(shè)計了一個容量為8K的緩沖存儲FIFO(先進(jìn)先出)，同時在邏輯接口器件中設(shè)計了 FIFO是否為空指令、清空FIFO指令、GPS與采樣時鐘同步指令等接口用來滿足ARM對數(shù)據(jù)讀取的實(shí)時性要求，經(jīng)過實(shí)踐證明完全可行。數(shù)據(jù)存儲部分采用Usb盤的方式，可支持32GB，在指示燈滅時隨時可熱插拔，數(shù)據(jù)壓縮采用國際通用的steiml/2型壓縮算法。系統(tǒng)的操作控制采用RS232協(xié)議，通過筆記本或者palm型掌上電腦均可完成，簡單易行。本發(fā)明提供一種全新的時間服務(wù)模塊進(jìn)行授時服務(wù)，原理框圖如圖2所示，采用可電壓控制的晶體振蕩器(VCXO)為數(shù)據(jù)采集提供采集主頻，當(dāng)由于溫度變化引起晶振頻率發(fā)生變化時，系統(tǒng)的時間服務(wù)精度就會受到影響，這時，通過比較GPS秒號和晶體振蕩器分頻產(chǎn)生的秒號之間的差異用逐步試錯的方法可得到正確的壓控值，用這個壓控值重新來控制VCXO即可得到精確的頻率，一般講這個過程需要經(jīng)歷幾十分鐘甚至數(shù)小時，為了避免溫度變化時盲目的壓控調(diào)整，在每次試錯過程結(jié)束后，將正確的壓控值和溫度傳感器所測到的溫度之間的對應(yīng)關(guān)系存儲在MCU內(nèi)部的存儲器里，在特定溫度點(diǎn)即可優(yōu)先使用這個關(guān)系表進(jìn)行晶體振蕩器的頻率調(diào)整，即使在沒有GPS信號的情況下這個時間服務(wù)系統(tǒng)也能為數(shù)據(jù)采集提供較高的時間精度。本發(fā)明的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作流程包括四個線程，分別是采集、授時、存盤、控制四個線程，線程間的通信通過信號燈方式進(jìn)行同步，下面結(jié)合圖3詳細(xì)說明。
采集線程是其中主要的線程，首先它等待來自于控制線程的命令，當(dāng)收到采集開始命令后，需要做的工作包括初始化采集設(shè)備、配置初始參數(shù)以及清空FIFO，之后對FIFO的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、分析，暫時在片上的存儲空間存儲，每半個小時向授時線程申請進(jìn)行GPS與采樣時鐘之間的鐘差讀取，當(dāng)鐘差不超過閥值時繼續(xù)下一輪的FIFO數(shù)據(jù)讀取過程，否則請求同步鐘差，重新啟動采集過程，由于時間服務(wù)模塊按照學(xué)習(xí)得到的壓控值與溫度關(guān)系表進(jìn)行調(diào)整晶振頻率，一般情況下很少會出現(xiàn)鐘差超過閥值的現(xiàn)象。在采集過程中，需要授時線程提供時間服務(wù)，當(dāng)收到授時請求后打開GPS模塊電源，解析GPS模塊的信號來判斷是否GPS鎖定有效，有效后進(jìn)行鐘差測量，將測量結(jié)果通知采集線程，必要時還需協(xié)同采集進(jìn)程完成與GPS秒號同步的工作。在采集過程中，需要控制線程隨時響應(yīng)外部控制設(shè)備的操作，外部控制設(shè)備通過RS232接口向控制線程發(fā)送控制命令，由控制線程進(jìn)行解析，當(dāng)校驗(yàn)通過并證實(shí)是有效的命令后，控制線程需要檢查是否需要通知采集線程進(jìn)行相應(yīng)的處理和回應(yīng)，如果不需要直接獲取需求信息給外部的控制設(shè)備，否則由采集線程回應(yīng)控制線程再由控制線程響應(yīng)外部的控制設(shè)備。在采集過程中，需要存儲線程隨時檢查當(dāng)前的片內(nèi)存儲情況，當(dāng)片內(nèi)存儲空間超過一個閥值時，進(jìn)行Usb盤的掛接，將采集數(shù)據(jù)從片上存儲轉(zhuǎn)存到外接存儲，之后斷開掛接，重復(fù)進(jìn)行這個過程。
權(quán)利要求
1.一種基于ARM的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于:包括 信號放大電路模塊，用于放大來自地震計的微弱信號； 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將經(jīng)過放大的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號； 數(shù)字信號處理器，將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號進(jìn)行處理； 中央控制與處理單元ARM，經(jīng)處理的數(shù)字信號傳入中央控制與處理單元ARM，中央控制與處理單元ARM包括數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括控制模塊、采集模塊、授時模塊、存貯模塊。
2.如權(quán)利要求1所述的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于:所述授時模塊包括一個單片機(jī)作為處理核心，一個可電壓控制的晶體振蕩器提供采集主頻，一個溫度傳感器用來測量溫度，一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器來轉(zhuǎn)換控制電壓，在單片機(jī)中存儲有晶體振蕩器壓控值與溫度的關(guān)系表。
3.如權(quán)利要求2所述的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于:所述晶體振蕩器為數(shù)據(jù)采集提供采集主頻，通過比較GPS秒號和晶體振蕩器分頻產(chǎn)生的秒號之間的差異用逐步試錯的方法得到正確的壓控值，用這個壓控值重新來控制VCXO即可得到精確的頻率。
4.如權(quán)利要求3所述的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于:所述單片機(jī)內(nèi)部的存儲器中還設(shè)置有關(guān)系表，經(jīng)過逐步試錯所得到的正確的壓控值和溫度傳感器所測到的溫度之間的對應(yīng)關(guān)系存儲在所述關(guān)系表中，在特定溫度點(diǎn)優(yōu)先使用這個關(guān)系表進(jìn)行晶體振蕩器的頻率調(diào)整，以便在沒有GPS信號的情況下也能為數(shù)據(jù)采集提供較高的時間精度。
5.如權(quán)利要求1所述的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于:所述中央控制與處理單元ARM中，采集模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化、配置初始參數(shù)并且對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析存儲，對采集過程中的錯誤信息進(jìn)行處理，在采集過程中，控制模塊隨時響應(yīng)外部的操作，并通知采集模塊進(jìn)行相應(yīng)的處理和回應(yīng)；存儲模塊隨時檢查當(dāng)前的存儲情況，將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到外接存儲裝置；授時模塊提供時間服務(wù)，進(jìn)行鐘差測量，并協(xié)同采集模塊與GPS時間同步。
6.如權(quán)利要求5所述的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于:所述外接存儲裝置為支持熱插拔的USB存儲裝置。
7.如權(quán)利要求1所述的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)字信號處理器通過外圍邏輯接口與中央控制與處理單元ARM連接。
8.如權(quán)利要求7所述的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于:所述外圍邏輯接口包括一緩存FIFO，ARM通過對FIFO的讀寫完成數(shù)據(jù)采集。
9.如權(quán)利要求1所述的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于:所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器型號為CS5372，所述數(shù)字信號處理器型號為CS5376，所述外圍邏輯接口采用型號為A42MX16的接口邏輯電路，所述中央控制與處理單元ARM采用型號為AT91RM9200的芯片。
10.如權(quán)利要求1所述的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)字信號處理包括多級抽樣和濾波。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于ARM的天然地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。能同時處理三道來自于傳感器的模擬信號，由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)由數(shù)字信號處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)接口邏輯電路與中央控制與處理單元ARM相連，通過ARM完成系統(tǒng)的控制、采集、授時、存儲等過程，同時該系統(tǒng)設(shè)計有一個高精度的時間服務(wù)系統(tǒng)，能夠長時間穩(wěn)定地為數(shù)據(jù)采集提供百微秒以下級別的時間服務(wù)，數(shù)據(jù)存儲采用Usb盤的方式，系統(tǒng)的操作控制采用RS232協(xié)議，通過筆記本或palm型掌上電腦均可完成。
文檔編號G01V1/22GK103176208SQ20131004865
公開日2013年6月26日 申請日期2013年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月7日
發(fā)明者許衛(wèi)衛(wèi), 倪大來, 李保祥 申請人:中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所