（安全技术及工程专业论文）便携式多通道工程振动数据采集系统.pdf

a bs tra c t i nt h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i n ga n du s i n gt h eu n d e r g r o u n db u i l d i n g ，i ti s i m p o r t a n to fm o n i t o r i n gt h es t a t u so f r o c km a s st o a v o i da c c i d e n t t h ef i r s t s t e pi sc o l l e c t i n gt h es i g n a lo fr o c km a s sv i b r a t i n g t h ed e s i g no fp o r t a b l e m u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo fv i b r a t i o ni ne n g i n e e r i n gi s t 0 f e a l i z ei t t h i sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mc a nr u nb yi t s e l fi n ah o l e ，i t i n c l u d e ss e n s o r ，d a t al o g g e f ，c o m p u t e ra n ds o f t w a r e t h es o f t w a r er u n n l n g o nt h ed a t a1 0 9 9 e rw a sd e v e l o p e di n d e p e n d e n t l y t h em a i nc o n t r 0 1u n i ti sm c u ，o t h e rd e p a r t m e n t sa r es l g n a lc o n d l t l o n u n i t ，a n a l o g d i g i t a l c o n v e r t e r ，d a t a s t o r a g eu n i t ， d i s p l a y ， c o m m u n l c a t l o n u n i t ， e t c t h es i g n a lc o n d i t i o nu n i tr e g u l a t eo r i g i n a ls i g n a l t h a ti s c o m p l e x i t ya n dm i n u t e ，h a v ei t f i t t e dr e q u i r eo fa d ci n p u ti na m p l i t u d e ， f r e q u e n c y ，p o l a r ，i m p e d a n c e t h em a x i m u mg a i ni s 10 0 0 ，m i n i m u ml o wp a s s f i l t e rc u t o f ff r b q u e n c yi s6 6 h z ，t h et y p eo fc o n t r o li sb yp r o g r a m d a t aw a s c o n v e r t e dm i g h ti ss e n dt oc o m p u t e r ， o rs a v ei n t of l a s h t y p e o f c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o m p u t e ra n dd a t al o g g e ri s s e r l a la s y n c h r o n o u s f u n c t i o no fc o m p u t e rp r o g r a ma r em o n i t o rc o m ，d a t ap r e s e r v a t l o n ，d l s p l a y w a v e ，s e t t i n gd e v i c e u s i n gan e wt h r e a d m o n i t o r c o mc o u l dq u i c k l y t r a n s m i td a t aa n dd i s p l a yw a v e i nt h ep r o c e s so fc o n s t r u c t l n gp l a n e ， c a p a b i l i t y ，v o l u m ea n dc o s tw a st h o u g h t ，t h es e t o fd e v i c eh a sag o o dc o s t p e r f 6 r m a n c e k e y w or d s ：d a t a a c q u i s i t i o n ；s i g n a l c o n d i t i o n ；m c u ； s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ；m u l t i t h r e a d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 日期： 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 聊虢殄伽慨圳、“6 南午 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1 本研究课题的应用背景及理论与实际意义 地下建筑施工过程中出现的岩层顶板冒落、涌水、岩爆等现象直接威胁 到现场人员的生命安全，也威胁到财产安全和施工进度。产生这种现象的主 要原因是岩体在地下建筑物开挖之前处于应力平衡状态，挖掘后在岩体表面 形成自由面，岩体原有应力平衡受到干扰、破坏而产生应力重新分布。围岩 会因应力的释放而产生松弛并向开挖空间变形、位移以达到新的平衡。此时 岩石可能出现弹性变形和非弹性变形，围岩向开挖空间位移松动，形成一定 的松弛带。松弛带的岩体本身是不稳定的，随时可能崩落坍塌，需要使用支 撑、衬砌、喷混凝土支护和喷锚支护等方式加固。但这些方法受到支护点 分布、籀杆强度、岩体破裂程度等因素影响，不能完全避免前面提到的灾害 发生。技术人员应该了解围岩及更大范围内岩体的应力分布、受力状态和破 裂程度，对可能发生的危险提前做好防护措施，避免事故发生。借助地震监 测技术和相关探测仪器可以到岩体内部信息。 岩石受力产生破裂，并伴随着能量的释放，以弹性波的形式向外传递。 这种弹性波实质上是一种地震波，可通过检波器获得。所得数据包含了检波 器所在位置质点的运动速度、加速度、位移等物理量。在对数据进一步的分 析处理后可以计算出岩体内部破裂发生的位置、破裂强度等信息。 本课题的目标是设计一套用于监测岩体振动的数据采集系统，所得数据 用于岩体稳定状态分析，为制定施工计划与决策提供帮助，预测、预报地下 工程施工过程中可能出现的冒顶、岩爆等危险，是一种实现安全生产的有效 监测工具。此系统可在常规数据采集仪无法使用的环境下工作，使人们获得 的信息更加完整、有效。也为数据采集仪小型化提供一种思路。 1 2国内外文献综述 数据采集系统起始于2 0 世纪中期，并与计算机技术紧密结合。在2 0 世 纪的后2 0 年里，随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了极大的发展， 开始出现了通用的数据采集仪与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要 应用于实验室和工业现场，前者以仪器仪表、采集器、通用接口总线和计算 机等构成。后者以采集卡、标准总线和计算机构成。两者都向模块式结构发 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 展，改变系统功能只需在原有基础上增减设备即可实现。上世纪8 0 年代末， 数据采集系统发生了极大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的 应用与软件的发展，使系统成本降低，体积减小，功能成倍增加，数据处理 能力大大增强。 2 0 世纪9 0 年代后，数据采集技术在军事、航空航天、工业生产、科学 研究等领域广泛应用。由于集成电路技术的发展，数据采集的精度与速度飞 速提高，采集速度达每秒几十万次以上。该阶段并行总线数据采集系统向高 速模块化和即插即用方向发展，典型系统有v x i 总线系统，p c i 、p x i 总线 系统等，数据位已达到3 2 位总线宽度，采样频率可以达到1 0 0 m s p s 。由于 采用了高密度，屏蔽型，针孔式的连接器和卡式模块，可以充分保证其稳定 性及可靠性，同时价格也异常昂贵，在军事等领域应用较多。串行总线数据 采集系统向分布式系统结构和智能化方向发展，可靠性不断提高。物理层通 信多采用r s 4 8 5 、双绞线、电力载波、无线和光纤，在工业现场数据采集和 控制等众多领域得到了广泛的应用心，。由于局域网技术的发展，多部门间网 路可以有效地连接在一起，实现多车间、多部门生产环节的在线实时数据采 集与监控。 1 2 1国外数据采集仪发展现状 随着国外微电子技术、计数机技术、测控技术和数字通信技术的发展， 目前国外数据采集技术已经较初期有了很大的发展。从近来国外公司展示的 新产品来看，主要的发展可以概括为功能多样，体积减小和使用方便等三个 方面。此外，数据采集器的特点还反映在如下几个方面： 第一，它既是一台数据采集器，又是一台功能较全的机器状态分析仪， 不仅有常用的时域分析和频域f f t 分析，而且还可以做倒谱、细化、包络谱 和时频域分析等功能。第二，它既是采集器，又可以兼做其它仪器来用。如 法国迈威公司的m o v i l o g 数据采集器，就可作为一台动平衡仪来用，它不 但可以做单一平面的动平衡，还可以做六个平面的动平衡。第三，储存量大， 从低频到高频频测量范围宽，能适应机器从低速到高速的各种监测范围需 要。第四，可利用振动传感器、过程传感器或电量传感器等输入多种物理量， 如振动加速度、位移、相位、转速、温度、压力、流量、电压、电流和功率 等，形成多参数监测系统。第五，数据采集器配套的软件是以通用窗口的软 件为基础，功能较强。一套软件可同时支持数种不同型号与不同档次的数据 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 采集器。第六，有更多的外接设备可供选择，制作工艺更加完善。 1 2 2国内数据采集仪发展现状 上世纪8 0 年代末到9 0 年代初，我国一些仪器厂已研制出了多种数据采 集器，包括单通道、多通道和小型化仪器。所配套的软件包基本上包括了设 备维修管理和基本频谱分析两大部分，能够适应机器设备的一般状况监测和 故障诊断，基本已经达到了国外数据采集器的初期水平。 但是国内数据采集器与目前国外数据采集器相比，在技术上仍然存在着 一定的差距b ，。表现为信号采集受传感器性能限制，分析频率范围小；数据 采集器的内存不大，数据采集器本身的数据处理功能不强，在现场只能做一 些简单诊断，精密诊断需要离线到计算机上去做，实时处理功能较弱；设备 的软件水平仍在设备维修管理和基本频谱分析上徘徊，智能化水平不高，机 器故障诊断专家系统还需完善，软件人机界面有待改进。 ， 1 2 3 数据采集仪的结构组成 数据采集系统可以是独立的仪器，也可以作为某个系统的子系统，以部 件或模块的形式出现。以独立产品形式出现的数据采集系统功能相对完备， 能单独工作，与不同的传感器组合后，可采集多种信号，通用性强。增益， 采样频率，采集控制方式等可以预先设置和更改。通常含有多个通道，仪器 本身存储容量大，有独立的通讯接口。有些类型产品能够多台设备连接到一 起组成采集网络。系统多配有参数控制和数据分析软件，仪器参数设置与数 据采集、传输、存储、分析可同时进行。例如：成都环州科技有限公司开发 的微地震监测系统包含4 8 个通道，2 倍、l o 倍、1 0 0 倍、1 0 0 0 倍、l o o o o 倍五种增益选择。计算机程序控制参数设置、数据存储与显示，能够对地震 事件实时监测。 数据采集卡也是一种常见的数据采集设备。许多公司既出售成品，也接 受定制。它是将所有器件都设计在一张板卡上，插在计算机内预留的插槽中。 与计算机的接口方式有：p c i 、i s a 、p c m c i a 、u s b 等。同一p c 中可以插 入多块采集卡，通道数可增可减，配置灵活。但是其必须在p c 机一类设备 的内部工作，应用场合受限。 目前国内外在工程振动监测中面临许多类似问题。工程施工现场多在野 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 外、地下等自然条件恶劣的环境，存在温度、湿度变化剧烈等各种极端条件。 如煤矿巷道空间狭小，深入地下，需要实时监测周围岩体的破裂情况，分析 稳定状态。在这种煤尘、瓦斯浓度大，温度、湿度高的环境下，仪器的搬运、 供电、连续工作时间、数据实时分析、保养维护等都受到限制。在此环境下 进行数据采集，对设备的适应能力、性能和质量都有较高的要求。 便携式产品的优点是体积小、使用方便。但这限制了系统性能的扩充， 通道数、采集精度、前置放大倍数、连续工作时间等都受到制约。许多是数 据采集终端，无法进行数据处理、存储，需要连接p c 机工作，功能相对单 一。市场上各种采集仪的价格普遍较高，系统维护升级的价格不菲。因此设 计一套便携、功能全、价格低的数据采集系统很有必要。产品的生存空间广 阔。 。，显示打印 传感器信号调理 h 数据存储 ， 斗o 传感器信号调理 数据传输 转m c u 换 传感器h 信号调理卜 一叫其他功能 ，1 计算机 - j l 图1 1 多通道数据采集系统结构简图 f i g 1 1 s t r u c t u r eo f m u i t i c h a n n e l d a t aa c q u is i t j o ns y s t e m 数据采集系统的主要结构如图1 1 所示。通常由传感器、数据采集仪和 计算机组成。计算机用来控制系统运行参数和数据分析显示，有些数据采集 系统将这部分功能包含在数据采集仪中，可以脱离计算机运行。 传感器是将各种非电量( 包括物理量、化学量、生物量等) 按一定规律 转换成便于处理和传输的另一种物理量( 一般为电量) 的装置。传感器一般 由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加辅助电源。按 照输入量可以将传感器分为温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传 感器、湿度传感器等。测量原理主要是基于电磁原理和固体物理学理论。 数据采集仪的主要部分有多路选择器、信号调节电路、a d 转换器、电 源、微控制器、存储器、数据传输模块等。多路选择器的作用是当有多路信 号输入时，将其中一路信号接入a d c 中，多个通道轮流接通便可以实现多 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 通道数据采集。多路选择器可以是电子开关，由m c u ( m i c r oc o n t r o lu n i t ) 直接控制接通和断开。信号调节电路具有信号放大和滤波等功能。信号放大 电路可以是提升信号强度，也可以对信号进行衰减，扩大系统的动态范围， 提高测量精度，此电路一般由集成放大器芯片构成。滤波是指去除信号中某 一频段的信息。岩石振动信号中混杂着各种背景噪声和干扰噪声，滤波器能 够将无用部分滤除。a d 转换器是将模拟信号转换为数字信号。转换时首先 对信号进行采样，然后将每个采样点量化为数值供c p u 处理。数据采集仪 的主控单元通常是微控制器或d s p ，微控制器的运行速度相对要低一些，但 控制功能更全面。d s p 更适合用来进行数学运算。数据存储介质一般选用 f l a s h 和e e p r o m ，临时的数据交换缓冲可以选用r a m 。采集仪与计算机 的连接方式有r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、i e e e l 3 9 4 、u s b 、c a n 、p c m i c a 等，可 以根据不同的应用场合选择不同的连接方式。 数据采集仪的性能由多种指标决定，例如采样精度、采样速率、增益、 输入阻抗、动态范围等参数，不同的应用目的，有不同的要求。如地震波信 号的特点是强度弱、频率低、噪声干扰严重，采集这种信号对采样速率要求 不高，但对增益和低通滤波特性要求严格，对模拟通道的性能要求较高。 数据采集仪的固件程序通常使用汇编和c 编写，汇编语言与底层硬件结 合更紧密，对寄存器、存储器和数据位的读写控制方便，但编写时比较复杂， 开发周期长。c 是高级语言，同时兼有汇编的灵活，语法简单，可以方便的 进行各种数据运算，降低了程序编写难度，便于实现快速开发。 在计算机上运行的程序可以使用多种编程语言，如c 、c + + 、j a v a 、v b 、 d e l p h i 等。程序开发通常要依据操作系统进行，如w i n d o w s 平台下通常 是可视化的集成开发环境，便于界面控制。需要底层操作时可以与汇编语言 混合编程。 1 3本课题主要研究内容 本课题的主要内容是开发出一套为监测岩体破裂状况提供数据的数据 采集系统。其主要功能是实现地震波的采集、存储、传输、显示。能量微弱 的低频信号经采集仪转换后上传到计算机内存储，作为数据分析的原始资 料。同时采集仪也具有数据保存和显示功能。需要具体设计的功能单元有： 模拟信号调理电路 主控单元 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 数据存储单元 数据显示单元 数据传输单元 采集仪固件程序 计算机应用程序 小结：本章介绍了课题提出背景和研究意义，综述了当前国内外数据采 集系统的发展情况，概括地介绍了数据采集系统的组成结构和各部分功能， 提出主要的研究内容是开发一套便携式数据采集系统。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 2 系统总体设计 2 1 总体方案 整个数据采集系统由传感器、采集仪、计算机三部分组成，传感器和计 算机的选择依据采集仪的电器性能及工作场合决定。为增强系统的适应性， 要求采集仪具有较宽的动态范围，可以与多种传感器适配。仪器对机算机性 能要求较低，c p u 频率在1 g h z 以上，显示器符合v g a 标准，可以运行 w i n d o w sx p ，具备相应的通信接口即可。采集仪可以脱离计算机独立运行， 功耗低，可以使用干电池供电或外接电源供电，便于维护、升级。整个系统 的特点是使用方便、成本低，适应环境能力强。 根据上述思路，将采集仪从功能上划分为三路模拟信号电路、主控电路， 数据存储、显示、传输电路五大部分。传感器选择地震检波器。计算机机采 用带有串行接口的i b m 兼容机。系统整体结构如图2 1 所示。 图2 1 数据采集系统结构方案 f i g 2 1 s c h e m eo fd a t a ta c q u is i t i o ns y s t e m 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 系统性能指标 根据系统复杂度、开发开发周期、材料成本等因素，制订如下系统性能 指标： 工作电压： 电源： 通道数： 采样频率： 输入阻抗： 增益： 抗混叠滤波： 存储器容量： 事件记录长度： 触发方式： 通信接口： 5 v 9 v 干电池或电源适配器 3 2 0 h z 一2 0 0 0 h z 2 gq 1 0 一7 0 0 倍，此范围内1 0 0 个档位 随采样率设定 3 2 kb y t es r a m 4 mb i tf l a s 5 1 2 点 事件触发 r s 一2 3 2 2 3 主要功能单元设计 按照方案设计，仪器具有下列特点：多通道、体积小、功耗低、动态范 围大、成本低、使用方便。依照这个思路设计各单元功能和选择元件型号。 在仪器结构原理正确的前提下，做到各功能单元相互独立，尽可能实现模块 化，便于局部调试和局部功能升级。考虑到开发复杂度和成本，元件选择市 场上常见型号，不追求过高的性能指标。所选元件要有充足的文档与开发资 料，在遇到问题时便于查找帮助、及时解决。 2 3 1主控单元 数据采集仪是一台功能单一的计算机，控制单元的主要任务是执行用户 程序、接收外设输入、协调外设运行、产生时序信号，计算量不大。基于简 单指令集的单片机完全可以满足要求。基于复杂指令集( c i s c ) 的通用型 c p u 虽然具有强大的功能，但需要外围芯片支撑运行，功耗高、价格高，不 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 适合用于本设计。 当前用于嵌入式系统的处理器种类繁多，常见的有8 位、1 6 位和3 2 位 的单片机以及d s p 等。由于设计制造技术发展迅速，各种类型处理器间的 差别已不再十分明显，选择时不能只从运行速度、内存容量、外设配置来进 行区分，还要考虑到应用对象、采购成本、开发周期等因素。设计时应用较 多的是8 位机和3 2 位机。在功能与性能上，3 2 位机优势明显，可运行多种 操作系统，建立多任务、实时平台，便于设计出友好的人机交互界面，如 3 2 位a r m 芯片哺”。3 2 位d s p 具有较高的运算速度，易于实现滤波、时频 变换等复杂算法。一些型号的a r m 芯片内部集成了d s p 单元，适用范围非 常广泛。 本系统的性能指标和特点要求处理器能及时完成数据收发与外设控制 即可，运算量不大，要保证低功耗、低成本。虽然3 2 位机的性能完全胜任， 但资源量费，增加了开发复杂度和成本，外形结构基本采用贴片封装，在初 期试验阶段使用不便。采用8 位单片机可以避免上述缺点。 单片机又称微控制器( m i c r op r o c e s s i n gu n i t ，m c u ) 。与通用型微处理 器最大的不同之处在于把中央处理器与外设集成在一起，配以简单的外围电 路即可工作，在体积、功耗、成本等方面有优势。本设计选用m i c r o c h i p 公 司的p i c l 6 f 8 7 7 a 作为系统主控芯片。p i c l 6 f 8 7 7 a 是一款具有f l a s h 存储 器的8 位m c u ，片内资源丰富，含有8 通道1 0 位模拟数字转换器，1 个 s p i 接口，1 个i i c 接口，2 个定时器，2 个c c p 模块，可以满足设计要求。 p i c 系列单片机价格低廉，采购方便，相关资料文档丰富，便于解决开发中 遇到的问题。 2 3 2模拟通道 传感器送出的信号微弱，噪声混杂，为获得准确真实的数据，需要在 a d 转换前进行信号强度提升和噪声压制，即加入放大电路和滤波电路。为 适应多种工作场合，要求放大器和滤波器的工作参数可调。传统调节方式的 人机交互界面包括旋钮和按键等机械部件，这种方式很难克服磨损、灰尘、 电磁干扰、材料疲劳损坏等因素影响，更好的方式是采用程序控制。当前市 场上单片可编程放大器芯片和滤波器芯片已经很常见，但价格较高，基本在 百元以上，对于多通道设计，价格不菲。本设计采用集成仪表放大器a d 6 2 3 和低通滤波器m a x 2 9 2 作为电压放大和滤波单元，配以辅助电路实现程控 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 功能。实现了多档位增益值选择，抑制混叠现象发生。模数转换器集成在 单片机内，即降低成本，又便于控制。 2 3 3 存储器与通信接口 采集仪使用两种存储器，s r a m 和f l a s h 。一次事件的a d 转换数据 存储在s r a m 中，事件结束后再转存到f l a s h 中。这种设计的目的是利用 s r a m 的高速读写和f l a s h 的永久保存功能。p i c l 6 f 8 7 7 a 的内存容量有限， 无法保存一次事件所产生的全部数据，需要扩展存储器。模数转换和数据 保存都要占用c p u 时间，s r a m 的读写周期在纳秒级别，在很短的时间内 占用c p u ，对a d 转换影响不大。仪器设计为可以独立工作，数据无法上 传到计算机时在自身保存。为确保断电后数据不丢失，采用非易失性存储器 f l a s h 来保存数据。虽然f l a s h 可反复擦写，但写速度要比s r a m 慢许 多，这会大大降低a d 转换速率。因此，扩展两种不同的存储器是必要的。 采集仪与计算机采用串行异步方式通信，具体标准为r s 2 3 2 ，这一种 在工业上被广泛应用的串行接口表准。r s 2 3 2 被定义为一种在低速率串行 通讯中增加通讯距离的单端标准，最大传输距离约为l5 米，最高速率为 2 0 k b s 。采集仪每秒产生的最大数据量在2 k 左右，使用r s 2 3 2 标准能够满 足数据传输要求。 2 3 4 传感器与p c 机 传感器采用成都环洲科技有限公司生产的h z v 2 0 d x 2 8 p 3 c 型三分量地 震波检波器，可以同时测量水平和垂直方向的地壳震动。检波器使用6 根导 线输出信号，带有3 0 0 米长电缆，使用十分方便。 本系统对p c 机要求不高，c p u 主频1 g h z 以上，能够运行w i n d o w sx p 的i b m 兼容机即可。这里使用的是主频1 7 g h z ，内存2 5 6 m b ，带有a g p 图形加速卡、鼠标键盘接口、串行接口的台式机。 2 4 可行性分析 系统结构和性能指标确定后，可以参考各元器件手册，对各级电路的逻 辑结构和电器性能进行分析，从理论上证明设计方案的正确性和可行性。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 4 1 模拟通道各级电路匹配情况 2 4 1 1 阻抗匹配 组成模拟通道的各级元件通常具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点，以 有效获取前级信号并驱动下级负载，参照图2 1 和从表2 1 、表2 2 、表2 3 可以看出模拟通道各元件符合这一原则1 、1 。 ( 1 ) 主放大器a d 6 2 3 接收来自传感器的信号，输入阻抗2 gq ，受信 号源内阻变化影响不大。可驱动大于10 kq 的负载。滤波器m a x 2 9 1 作为a d 6 2 3 的负载，输入电阻4 4 mq ，可以直接连接。 ( 2 ) m a x 2 9 1 是一款有源滤波器，通常有源滤波器由无源器件连接运算 放大器构成，输出阻抗较低。m a x 2 9 l 下级元件运算放大器a d 8 6 0 9 的输入电 阻为1 0 0 mq ，用m a x 2 9 1 驱动a d 8 6 0 9 是可行的。 ( 3 ) a d 8 6 0 9 的反向输入端与输出端连接，构成电压跟随器。作用是减 小输入a d c 的信号源阻抗。a d 8 6 0 9 的输出电阻为3 6q 。a d c 要求信号源阻 抗小于1 0 kq 。所以，a d 8 6 0 9 与a d c 可以直接连接。 表2 1放大器匹配参数表 t a b i e2 1p a r a m t e ro fa m p li f i e r 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 2 4 1 2 电压匹配情况 ( 1 ) 传感器输出信号到放大器a d 6 2 3 ，a d 6 2 3 允许输入电压范围在 5 5 v 一+ 3 5 。a d 6 2 3 将输入的差分信号转换成单端信号，并向上平移2 5 v 后输出。大于2 5 v 的差分输入都可以转换到o v 以上输出。这要求传感器 的最大输出电压在2 5 一十2 5 之间，最大电压差小于等于5 v 。 ( 2 ) 放大器a d 6 2 3 的输出电压在+ 0 0 1 v 一+ 4 8 5 v ，下级元件m a x 2 9 1 的输入电压为1 一+ 4 v 。a d 6 2 3 的最大输出电压比m a x 2 9 1 的最大输入电压 高出0 8 5 v 。实际应用中，放大器很难达到最大上限输出，二者基本匹配。 ( 3 ) a d 8 6 0 9 的输入电压为一0 3 v 一+ 5 2 ，m a x 2 9 1 的满幅输出小于5 v ， 二者可以直接相连。 ( 4 ) 运算放大器a d 8 6 0 3 的输出电压在+ 0 1 6 v 一十4 9 7 v ，满足a d c 要 求的o 一5 v 输入标准。 表2 2滤波器参数 t a b i e2 2p a r a m t e ro ff ii t e r 表2 3a d c 参数 t a b i e2 3 p a r a m t e ro fa d c 2 4 1 3 模拟通道的传输延迟 压摆率表示了单位时间内信号电压变化幅度。建立时间表示了信号进入 放大器到产生稳定输出所用的时间。表2 1 给出了压摆率与输出4 v 电压时 的最大不失真信号频率，放大器通过5 0 0 h z 以下的信号不会产生失真。 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 按照最大采样速率l k h z 计算，放大器建立时间应该小于等于 1 1 k h z = 1 m s 。表中数据满足要求。 3 k h z 的信号通过滤波器m a x 2 9 1 时，输出波形基本没有延迟。可见 使用m a x 2 9 1 不会影响信号的传输时间。 2 4 2a d 转换时间计算 2 4 2 1理论上单道最大转换速率计算 表2 4模数转换器工作参数 t a b i e2 4w o r k in gp a r a m t e ro fa d c 参数时间 采样时间 a d 转换时间( 1 0 位分辨率) 放大器延迟时间( a d 6 2 3 + a d 8 6 0 3 ) 7 3 6 u s 2 4 u s 2 3 + 3 0 = 5 3 u s ( 2 5 ，信号源阻抗= 5 0 q ，m c u 时钟1 6 m h z ) 一次完整转换时间= 采样时间+ a d 转换时间+ 放大器延迟时间 单道最大转换速率= 1 ( 采样时间+ a d 转换时间+ 放大器延迟时间) = 1 ( 7 3 6 + 2 4 + 5 3 ) 1 0 - 6 = 1 1 8 5k h z 参考表2 4 ，放大器延迟时间应该是放大器a d 6 2 3 与a d 8 6 0 3 的建立时 间之和。上式没有包括滤波器的延迟时间，。 2 4 2 2 单道实际转换速率计算 进行一次事件的a d 转换，结果数据全部保存到s r a m 中。所以，计 算转换时间要考虑的因素有：写s r a m 时间( 每转换3 2 个点写s r a m 一次) 和执行相关程序语句时间。 设一次事件记录长度5 1 2 点，占用1 0 2 4 字节，需要完成如下操作： 执行5 1 2 次a d 转换 s r a m 执行写操作1 0 2 4 次 执行相关程序指令约为4 0 0 0 条 m c u 时钟为1 6 m h z 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第14 页 一条指令的平均执行时间为4 1 6 m h z ( 4 个时钟周期) 。 s r a m 的读写周期为4 5 n s 总时间= 转换时间+ s r a m 写时间+ 指令执行时间 = 5 1 2 8 4 3 6 u s + 1 0 2 4 4 5 n s + 4 0 0 0 4 ( 1 1 6 m h z ) = 4 4 2 3 8 4 u s 。 平均转换速率= 5 1 2 4 4 2 3 8 4 u s = 1 1 5 7 k h z 执行的指令条数是估计值。按照转换5 1 2 个点需要执行4 0 0 0 条指令计 算，硬件实际转换速率可以达到1 1 5 7 k h z 左右。若需要执行8 0 0 0 条指令， 平均转换速率可以达到1 1 3 2 k h z 。 三个通道同时开启后，转换速率会下降到1 3 ，也就是3 k h z 左右。仪 器设计最高采样频率为1 k h z 。硬件性能可以满足要求。 2 4 3 存储器容量及速度 2 4 3 1存储容量 存储器类型 3 2 kb y t es r a m 4 mb i tf l a s h 表2 5 列出了事件记录长度与保存事件个数的关系。事件长度是指记录 一次事件所需要的采样点数。 。 表2 5事件长度与存储事件个数 t a ble2 5 l e n g t ho fe v e n ta n dn u m b e ro fs t o r a g e de v e n t 2 4 3 2存储速度 假设事件发生后，数据要从s r a m 存放到f l a s h 中，然后再进行下一 次事件的触发判断。 f l a s h 页写入速度为1 4 m s ，2 6 4 b y t e 页。以事件长度4 0 9 6 点为例，需 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 要写入3 2 页，耗时3 2 1 4 = 4 4 8 m s 。三通道为1 3 4 4 m s s r a m 的型号为i s 6 1 c 2 5 6 ，兼容t t l 和c m o s 电平。读写速度4 5 n s 。 读出4 0 9 6 点( 8 k b ) 所需时间为8 k 4 5 n s = o 3 6 m s 。三通道为1 0 8 m s 读s r a m 时间与写f l a s h 时间相加为1 3 4 5 3 6 m s ，即两次事件的最大时 间间隔在1 5 秒左右。 2 4 4 数据通讯接口 数据采集仪与p c 机使用r s 2 3 2 接口连接。最大传输速度在2 0 k b s 。使 用r s 2 3 2 接口的好处是： 硬件电路简单 软件开发相对容易 另外，系统数据传输量较小，对传输时间要求不高。采集仪每秒产生的 最大数据量在2 k 左右，使用r s 一2 3 2 标准能够满足数据传输要求。 2 4 5单片机驱动负载能力 ， p i c l 6 f 8 7 7 a 的i o 引脚可输出2 0 0 m a 电流。耗电最多的应该是r d 口 的8 个i o 引脚，复用了2 片锁存器7 4 l s 3 7 3 和1 片s r a m 。7 4 l s 3 7 3 的输 入电流为0 1 m a 。s r a m 的输入电流为l m a 。m c u 可以驱动上述元件。 2 4 6电源供电时间 。 仪器电源使用了9 v 干电池。通过电压调整芯片l 7 8 0 5 和c x l l l 7 转换 为+ 5 v 和+ 2 5 v 输出。最大工作时间可在系统调试阶段具体测量。电源也可 以使用电源适配器将2 2 0 v 的照明用电调整为9 v 输出。 下面以一种实例进行讨论电池供电方式下仪器工作时间。 电池品牌：超霸( g p ) 电池型号：1 6 0 4 s 说明：一次性，碳性电池，电压9 v 。在终端设备使用5 4 v 电压时，电池输 出电阻为6 8 0 q ，可工作2 6 小时。假设为理想状态，即电池放电过程中， 电压不会降低，保持恒定。 则此时输出电流为： 9 6 8 0 o 0 1 3 2 3 5 a 电池容量( 毫安时) 为：9 2 6 6 8 0 o 3 4 4 l18 a h = 3 4 4 1 18 毫安时 西南科技大学硕士研究生学位论文第16 页 仪器内部各元件用电按照电流相加来计算 a d 8 6 0 9 ：o 0 5 m a( 3 通道) a d 6 2 3 ：o 5 7 5 m a( 3 片) m a x 2 9 l ：1 5 m a( 3 片) p i c l 6 f 8 7 7 a ：7 m a i s 6 2 c 2 5 6 ：2 0 m a a t d b 4 5 0 4lb ：4 m a ( a c t i v e ) o 0 0 2 m a ( s t a n d b y ) h d 7 4 l s 3 7 3 ： 0 0 2 m a( 2 片) m a x 2 3 2 ：o 0 0 5 m a l c d ：2 0 m a 耗电总计： 7 9 9 2 m a 总工作时间：3 4 4 1 1 8 7 9 9 2 = 4 3 小时 超霸9 v 一次性电池的容量为3 4 4 1 18 毫安时，仪器耗电7 9 9 2 毫安，理 想状态下可工作4 3 小时。 2 4 7软件设计 系统软件分为单片机固件程序和p c 机程序两个部分。固件主要功能有： 控制a d 转换、判断事件触发、参数保存、读写s r a m 、读写f l a s h 、l c d 控制、与p c 机通信。p c 机程序的主要功能有i 与采集仪通信、数据保存、 采集仪参数设置、数据图形显示。两个部分分别采用c 和c + + 编写。 小结：本章详细介绍了系统方案的设计思路和选择过程，给出系统的组 成结构和性能指标。对方案的可行性进行说明，从阻抗匹配、电压匹配、信 号传输延迟、电池供电时间等方面论证了方案的合理性和可行性。 西南科技大学硕士研究生学位论文第17 页 3 数据采集仪硬件设计 3 1三分量设计 本设计使用的模数转换器集成在m c u 内，共有8 个模拟信号输入通道。 这八个通道即可作为模拟信号输入端口，也可作为通用i 0 ，考虑到外设扩 展需要占用端口，这里使用了其中三个作为模拟信号输入通道，其余5 个作 为通用i o 。三个模拟通道可以分别连接单分量传感器，也可以连接一个三 分量传感器，便于使用三分量地震勘探技术。 三分量地震勘探技术在2 0 世纪8 0 年代开始发展旧，当前在海洋油气勘探、 陆地井下地震观测等方面得到应用。这种技术应用三分量检波器，可以同时 接收纵、横波，得到更多的地震信息。能够提高构造勘探、岩性勘探、裂缝 勘探及油气藏识别的精度和成功率，降低勘探风险n ”，。三分量检波器通常 是由轴向相互垂直的三个检波器组成，可以直接与采集仪的三个模拟通道连 接。 3 2程控放大电路 传感器输出信号电压在m v 或i lv 级，十分微弱，本方案使用的模数转 换器要求输入信号的电压范围在o v - 5 v 之间，在m v 级变化的信号无法被 a d c 有效识别，若信号直接输入a d c ，转换结果会有很大误差，所得数据 无法反映现场真实情况，因此需要加入放大电路提升信号强度来满足模数 转换器的输入要求。 3 2 1放大器电路 仪器在不同环境下工作，需要有不同增益值，增益调节通过程控实现。 一般情况下，单片可编程放大器的调节档位有限，价格较高，多通道设计使 成本大大增加。本方案采用仪表放大器与数字电位计组合的方法实现程序控 制增益调节，理论上有1 0 0 个档位，成本较低”。 设计放大器可以使用三极管、电阻、电容等分立元件搭建。这种设计 方法灵活多样，可是实现特定的要求。但是占用面积大、电路复杂，通常达 西南科技大学硕士研究生学位论文第18 页 不到很高的增益，众多的元件间难免产生干扰。常见的解决办法是使用集成 运算放大器，它是一种把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上的模拟集 成电路，体积小、重量轻，性能稳定、使用方便，应用极为广泛。这里采用 了a n a l o g 公司的仪表放大器a d 6 2 3 。 3 。2 1 1 放大器a d 6 2 3 介绍 a d 6 2 3 是一种单端供电、满幅输出的集成仪表放大器m ，电源范围在+ 3 v 一+ 1 2 v ，8 针脚封装。通过一只外接电阻设置增益，增益范围卜1 0 0 0 。 高输入阻抗，共模抑制比随增益的增加而增大，有效抑制线形噪声和线性失 调。具体参数如下： 单电源：+ 2 7 v 一+ 1 2 v ； 增益： 。 1 10 0 0 输入失调电压：2 5 | iv 输入失调电压温漂：0 1l lv 输出失调电压：2 0 0 | iv ， 输入偏置电流： 1 7 n a 输入失调电流： 0 2 5 n a 输入失调电流温漂：5 p a 输入差模电阻： 2 g q 输入共模电阻： 2 gq 共模抑制比： 8 0 d b( g = 1 ，6 0 h z 输入，1 kq 信号源内阻) 输出摆动：m i n = + 0 0 1 v ，m a x = + v s 一0 1 5 v( r l = 1 0 0 kq ) 转换速率：o 3 v i is 功耗： 6 5 0 m w 可驱动负载：大于1 0 k q 3 2 1 2 放大电路工作原理 放大器a d 6 2 3 的结构如图3 1 所示。输入信号加载到p n p 晶体管上进 行缓冲，同时被向上平移o 6 v 左右n r ”，的共模电压。每个放大器的反馈回路 中接了一只5 0 k q 的电阻。差分输出见式( 3 1 ) ： v o ：( 1 + 望塑) v c ( 3 一1 ) 、 尺g r g 单位为kq ，v c 为输入电压。 西南科技大学硕士研究生学位论文第19 页 p o ss u p p l y 7 4 n e gs u p p l y 图3 1a d 6 2 3 结构简图 flg 3 1s t r u c t u r eo fa d 6 2 3 图3 2信号极性转换 o u t 6 r e f 5 r e f ( 1 n p u t 信号通过第一级放大后在输出差分放大器上转换为单端输出，同时共模 电压得到抑制。a d 6 2 3 可以达到电源限输出，输入的共模电压可以扩到负电 源电压以下。 输出电压以5 脚( r e f ) 电压值作为参考，在单电源供电时，可以将双 极性信号调整到地电平之上。此时，r e f 需要外接参考电压，( 此电压由 l m 2 8 5 2 5 产生) 如图3 2 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 0 页 a d 6 2 3 的增益是通过电阻r g ，或者是加在l 脚和8 脚间的阻抗元件来 进行设置。电阻r g 的误差允许范围在o 1 1 ，若1 脚和8 脚间断路( r g =