CN113484905A - 一种自适应甄别微震信号的嵌入式采集电路及采集方法 - Google Patents

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CN113484905A CN202110611261.7A CN202110611261A CN113484905A CN 113484905 A CN113484905 A CN 113484905A CN 202110611261 A CN202110611261 A CN 202110611261A CN 113484905 A CN113484905 A CN 113484905A
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杨柳
朱星
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何召庆
朱青松
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Abstract

本发明公开了一种本发明公开了一种自适应甄别微震信号的嵌入式采集电路及采集方法，包括地震检波器、模数转换器、比较器、嵌入式微控制器、SD卡、锂电池，与现有技术相比，本发明通过对地震检波器输出的微震电信号幅度进行自适应甄别，并将甄别结果以触发信号的方式传输至嵌入式微控制器，嵌入式微控制器根据当前触发信号的种类，进入不同的运行模式，实现不同的功能。本发明可以通过比较器的微震触发值自适应的对微震信号进行甄别和采集，所形成的新的微震信号采集方法和嵌入式电路可以有效的降低系统功耗、减小电池容量、减小整机尺寸、大幅减少冗余数据，有利于复杂地理环境下的设备安装与维护，具有推广应用的价值。

Description

一种自适应甄别微震信号的嵌入式采集电路及采集方法
技术领域
本发明涉及地质工程探测与信息技术领域，尤其涉及一种自适应甄别微震信号的嵌入式采集电路及采集方法。
背景技术
在地质工程探测与信息技术领域，岩体微震信号可以反映岩体的相对变形、破坏程度。通常崩塌、滑坡等自然灾害在孕育过程中，会出现岩土体内部岩体的变形与破坏，使岩土体内部应力状态不断发生调整，最终导致岩土体失稳而引发自然灾害，造成一定的经济损失。因此，微震信号可以用作于崩塌、滑坡等动力自然灾害的临兆信息研究，对崩塌、滑坡等动力自然灾害的预警起着十分关键的作用。
目前，在地质工程探测与信息技术领域，岩体微震信号采集方法是连续进行的，该方法有如下缺陷：1.整个数据采集系统一直运行，系统功耗很高。2.需要大容量电池，促使系统整机尺寸相对较大，安装费时费力。3.产生了大量冗余的数据，不利于后期自然灾害临兆信号特征的研究。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，有效的降低系统功耗、减小电池容量、减小整机尺寸、大幅减少冗余数据，有利于复杂地理环境下的设备安装与维护的自适应甄别微震信号的嵌入式采集电路及采集方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种自适应甄别微震信号的嵌入式采集电路，包括地震检波器、模数转换器、比较器、控制器和SD卡和电源；
所述电源分别连接各用电单元的电源端，为其供电；
所述地震检波器经模数转换器连接控制器的SPI端口，用于实时获取岩体变形、破坏过程中发出的微震信号并转化为模拟电信号；
所述模数转换器连接地震检波器，用于将模拟电信号转化为数字信号；
所述比较器连接地震检波器和控制器，比较器内部预设触发阈值，用于将实时的模拟电信号与触发阈值进行对比并输出触发信号，且当模拟电信号＞触发阈值，触发信号为高电平，电信号≤触发阈值，触发信号为低电平；
所述控制器用于在触发信号为高电平时，控制模数转换器和SD卡工作，并获取模数转换器数据转化的数字信号，在触发信号为低电平时，关闭电源，模数转换器和SD卡不工作；
所述SD卡用于存储控制器获取的数字信号。
作为优选：所述电源为锂电池，所述控制器为嵌入式微控制器，所述模数转换器采用芯片AD7124-4BRUZ-RL7。
作为优选：所述地震检波器的两输出端分别连接一接口保护电路。
作为优选：所述地震检波器和比较器之间还设有一前置放大器，所述前置放大器为ADA4051-1AKSZ-R7，其输出信号基线为1.5V。
作为优选：还包括一电源稳压电路，所述电源经电源稳压电路为各用电单元供电。
一种自适应甄别微震信号的嵌入式采集电路的采集方法，包括以下步骤：
（1）在探测区域布设一自适应甄别微震信号的嵌入式采集电路，预设休眠模式和工作模式；
所述休眠模式为：地震检波器获取实时的微震信号并转化为模拟电信号，送入比较器中进行判断，输出触发信号；
所述工作模式为：控制器驱动模数转换器、以SPI通信方式对地震检波器的模拟电信号进行采集，并模数转换成数字信号，再以SPI通信方式将数字信号存储至SD卡中；
（2）开启自适应甄别微震信号的嵌入式采集电路，预设为休眠模式，地震检波器和比较器工作，输出触发信号；
（3）若触发信号为高电平，自适应甄别微震信号的嵌入式采集电路进行工作模式，同时，比较器继续工作输出触发信号，若触发信号持续10s以上为低电平，则再次进入休眠模式。
其中：地震检波器是将岩体变形、破坏过程中发出的微震信号转为成等比例的电压幅度值，也就是模拟电信号。
另外，比较器的选择中，我们可选用双限比较器，进行自适应甄别。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过对地震检波器输出的微震信号的电压幅度进行自适应甄别，并将甄别结果以触发信号的方式传输至嵌入式微控制器，嵌入式微控制器根据当前触发信号的种类，进入不同的运行模式，实现不同的功能。
若比较器结合预先设定的触发阈值监测到地震检波器输出的模拟电信号为有效的岩体变形与破坏信号时，则嵌入式微控制器以中断的方式对比较器发出的触发信号进行响应，让系统退出休眠模式并进入工作模式，同时驱动模数转换器对地震检波器输出的模拟电信号进行采集，采集完成后系统再次进入休眠模式，等待响应下一次比较器发出的触发信号。
本发明可以通过比较器的触发阈值自适应的对震动信号进行甄别和采集，所形成的新的微震信号采集方法和嵌入式电路可以有效的降低系统功耗、减小电池容量、减小整机尺寸、大幅减少冗余数据，有利于复杂地理环境下的设备安装与维护，具有推广应用的价值。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2是是本发明的微震信号自适应甄别示意图；
图3是本发明的系统运行模式示意图；
图4是本发明流程图；
图5为实施例2中地震检波器连接至前置放大器电路图；
图6为实施例2比较器电路图；
图7为实施例2模数转换器电路图；
图8为实施例2中电源稳压电路图；
图9为实施例2的整体电路图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：参见图1-图4，一种自适应甄别微震信号的嵌入式采集电路，包括地震检波器、模数转换器、比较器、控制器和SD卡和电源；
所述电源分别连接各用电单元的电源端，为其供电；
所述地震检波器经模数转换器连接控制器的SPI端口，用于实时获取岩体变形、破坏过程中发出的微震信号并转化为模拟电信号；
所述模数转换器连接地震检波器，用于将模拟电信号转化为数字信号；
所述比较器连接地震检波器和控制器，比较器内部预设触发阈值，用于将实时的模拟电信号与触发阈值进行对比并输出触发信号，且当模拟电信号＞触发阈值，触发信号为高电平，电信号≤触发阈值，触发信号为低电平；
所述控制器用于在触发信号为高电平时，控制模数转换器和SD卡工作，并获取模数转换器数据转化的数字信号，在触发信号为低电平时，关闭电源，模数转换器和SD卡不工作；
所述SD卡用于存储控制器获取的数字信号。
一种自适应甄别微震信号的嵌入式采集电路的采集方法，包括以下步骤：
（1）在探测区域布设一自适应甄别微震信号的嵌入式采集电路，预设休眠模式和工作模式；
所述休眠模式为：地震检波器获取实时的微震信号并转化为模拟电信号，送入比较器中进行判断，输出触发信号；
所述工作模式为：控制器驱动模数转换器、以SPI通信方式对地震检波器的模拟电信号进行采集，并模数转换成数字信号，再以SPI通信方式将数字信号存储至SD卡中；
（2）开启自适应甄别微震信号的嵌入式采集电路，预设为休眠模式，地震检波器和比较器工作，输出触发信号；
（3）若触发信号为高电平，自适应甄别微震信号的嵌入式采集电路进行工作模式，同时，比较器继续工作输出触发信号，若触发信号持续10s以上为低电平，则再次进入休眠模式。
本发明中：本发明整体在上电后，地震检波器不断的监测附近岩体的变形与破坏情况，并输出与微震信号响应的模拟电信号至比较器，比较器在接收到模拟电信号后将对微震信号进行自适应甄别。
本发明微震信号自适应甄别示意图如图2所示，比较器将接收到的与实时的微震信号对应的实时模拟电信号时，与预先设定的触发阈值进行甄别，触发阈值是依据监测现场没有发生或可以忽略岩体变形与破坏的情形下所获取到的微震信号的最大电压幅度值，若当前模拟电信号的值大于预先设定的触发阈值，这时比较器的输出由低电平变换为高电平，即触发信号为高电平且为上升沿，该情形代表着岩体正在发生变形与破坏且不可忽略，嵌入式微控制器以中断的方式对比较器发出的上升沿触发信号进行响应，让系统退出休眠模式并进入工作模式，紧接着嵌入式微控制器开始对当前地震检波器输出的有效岩体变形与破坏微震信号以SPI通信的方式驱动模数转换器进行数据采集，采集完成后嵌入式微控制器以SPI通信的方式将数据存储至SD卡中，以便于后期对自然灾害的临兆信号特征分析，存储完数据后，嵌入式微控制器关闭外设电源并自动的将运行模式切换为休眠模式；若当前实时微震信号的电压幅度值，也就是实时的模拟电信号的值小于触发阈值，这时比较器输出低电平，即触发信号为低电平，当前状态代表着岩体没有发生变形与破坏或者正在发生的变形与破坏可以忽略，此时嵌入式微控制器在处理完当前任务后，如采集数据、数据写入SD卡、关闭外设电源等，将自动的进入休眠模式，直到地震检波器输出的信号为有效的岩体变形与破坏微震信号后才会将运行模式由休眠模式调整为工作模式，以达到降低功耗的目的。
本发明的系统运行模式示意图如图3所示，系统具有两种运行模式，分别是休眠模式和工作模式。当比较器对地震检波器输出的实时模拟电信号进行自适应甄别后，若输出的触发信号电平为低电平，此状态代表着岩体没有发生变形与破坏或者正在发生的变形与破坏可以忽略，系统将自动进入休眠模式，在休眠模式中，仅地震检波器和比较器在不停的工作，嵌入式微控制器、模数转换器、SD卡都将进入休眠，以便于降低系统功耗；若输出的触发信号电平由低电平变为高电平形成上升沿触发信号，此情形代表着岩体正在发生变形与破坏或者正在发生的变形与破坏不可忽略，系统将自动退出休眠模式并进入工作模式，在工作模式中，地震检波器、比较器、模数转换器、嵌入式微控制器、SD卡都将正常工作，嵌入式微控制器会驱动模数转换器对微震信号进行采集，采集完一段数据后，通过SPI通信的方式将采集到的数据存储至SD卡中，若接下来触发信号没有引起嵌入式微控制器的中断，系统将退出工作模式并进入休眠模式。
本发明的流程示意图如图4所示，电路上电后，嵌入式微控制进行相应外设的初始化，初始化完成后若没有触发中断，嵌入式微控制器将关闭外设电源并进入休眠模式；若比较器将微震信号对应的模拟电信号进行自适应甄别后，触发信号由低变高形成上升沿触发信号，促使嵌入式微控制器响应外部中断，此时嵌入式微控制器将退出休眠模式并进入工作模式，开启外设电源并驱动模数转换器采集一段微震信号数据，采集完成后将数据写入SD卡中，若接下来触发信号没有引起嵌入式微控制器的中断，系统将退出工作模式并进入休眠模式。
实施例2：参见图1到图9，为了更好的说明本发明的方案，我们在实施例1的基础上，进一步给出一种基于本发明的电路图，并描述如下：
本实施例中，所述电源为锂电池。所述控制器为嵌入式微控制器，所述模数转换器采用芯片AD7124-4BRUZ-RL7。
参见图5：本实施例中，地震检波器经地震检波器连接器、接口保护电路、前置放大器才连接到比较器。其中，地震检波器连接器为HX25003-2A，目的是将地震检波器接入本发明电路中。HX25003-2包括2个引脚，接口保护电路为2组分别设在2个引脚上的二极管组。所述二极管组包括两串联的二极管，串联后，一端接地，一端接电源，中部接引脚。这里，二极管选用BAT54S。前置放大器选用ADA4051-1AKSZ-R7，其输出信号基线为1.5V。地震检波器采集到微震信号后转化为模拟电信号，经前置放大器对其进行放大，前置放大器的输出信号基线为1.5V，再将放大后的模拟电信号输入至比较器中。
参见图6，本实施例中比较器为双限比较器，主要由两个比较器U4、U6和一个DAC构成，DAC选用DAC8552IDGKR，图6中标记为U2，用于提供进行甄别的上限触发阈值和下限触发阈值。甄别的结果通过U4的第4引脚和U6的第4引脚输出至嵌入式微控制器，若甄别的结果为唤醒嵌入式微控制器，被唤醒后的嵌入式微控制器将驱动模数转换器对当前实时输入的模拟电信号进行数据采集，采集完成后继续进入休眠状态。除此之外，系统还具备SD卡电路和电源稳压电路。
电源稳压电路参见图8，锂电池的电压需要经过U11稳压至直流正3V电压为系统提供电源。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种自适应甄别微震信号的嵌入式采集电路，其特征在于：包括地震检波器、模数转换器、比较器、控制器和SD卡和电源；
所述电源分别连接各用电单元的电源端，为其供电；
所述地震检波器经模数转换器连接控制器的SPI端口，用于实时获取岩体变形、破坏过程中发出的微震信号并转化为模拟电信号；
所述模数转换器连接地震检波器，用于将模拟电信号转化为数字信号；
所述比较器连接地震检波器和控制器，比较器内部预设触发阈值，用于将实时的模拟电信号与触发阈值进行对比并输出触发信号，且当模拟电信号＞触发阈值，触发信号为高电平，电信号≤触发阈值，触发信号为低电平；
所述控制器用于在触发信号为高电平时，控制模数转换器和SD卡工作，并获取模数转换器数据转化的数字信号，在触发信号为低电平时，关闭电源，模数转换器和SD卡不工作；
所述SD卡用于存储控制器获取的数字信号。
2.根据权利要求1所述的一种自适应甄别微震信号的嵌入式采集电路，其特征在于：所述电源为锂电池，所述控制器为嵌入式微控制器，所述模数转换器采用芯片AD7124-4BRUZ-RL7。
3.根据权利要求1所述的一种自适应甄别微震信号的嵌入式采集电路，其特征在于：所述地震检波器的两输出端分别连接一接口保护电路。
4.根据权利要求1所述的一种自适应甄别微震信号的嵌入式采集电路，其特征在于：所述地震检波器和比较器之间还设有一前置放大器，所述前置放大器为ADA4051-1AKSZ-R7，其输出信号基线为1.5V。
5.根据权利要求1所述的一种自适应甄别微震信号的嵌入式采集电路，其特征在于：还包括一电源稳压电路，所述电源经电源稳压电路为各用电单元供电。
6.根据权利要求1所述的一种自适应甄别微震信号的嵌入式采集电路的采集方法，其特征在于：包括以下步骤；
（1）在探测区域布设一自适应甄别微震信号的嵌入式采集电路，预设休眠模式和工作模式；
所述休眠模式为：地震检波器获取实时的微震信号并转化为模拟电信号，送入比较器中进行判断，输出触发信号；
所述工作模式为：控制器驱动模数转换器、以SPI通信方式对地震检波器的模拟电信号进行采集，并模数转换成数字信号，再以SPI通信方式将数字信号存储至SD卡中；
（2）开启自适应甄别微震信号的嵌入式采集电路，预设为休眠模式，地震检波器和比较器工作，输出触发信号；
（3）若触发信号为高电平，自适应甄别微震信号的嵌入式采集电路进行工作模式，同时，比较器继续工作输出触发信号，若触发信号持续10s以上为低电平，则再次进入休眠模式。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105353695A (zh) * 2015-12-10 2016-02-24 成都理工大学 一种反馈型事件驱动式模拟信号变频采集电路和集采方法
CN106052844A (zh) * 2016-05-19 2016-10-26 杭州电子科技大学 一种基于外部中断的振动信号调理电路
CN208872879U (zh) * 2018-10-30 2019-05-17 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心 一种微地震数据采集系统

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