CN203643617U - 一种高精度多通道微震信号采集系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种高精度多通道微震信号采集系统,包括传感器模块、信号调理电路、模数转换模块、信号处理模块、以太网通信模块、上位机、SD卡模块。其中除SD卡模外,其余模块依次相连,信号处理模块分别与信号调理电路、SD卡模块相连。微震信号经传感器采集,送往信号调理电路进行初步放大和滤波,然后经过模数转换,送入信号处理模块,信号处理模块中的FPGA模块对信号进行滤波、缓存处理,最后信号由ARM模块通过以太网传送给上位机,当有网络故障或上位机掉电时,数据存入SD卡。系统通过对采集信号多次处理,实现了数据的无缝传输,使采集的信号精度更高,抗干扰能力更强,速度更快,系统可靠性更高。
Description
技术领域:
本实用新型涉及微弱信号采集领域,具体涉及一种高精度多通道微震信号采集系统。
背景技术:
在一些地下工程尤其是煤矿井下开采过程中,因冲击地压、岩层断裂等地质活动引起的坍塌、突水等事故,常常造成大量的人员伤亡。在我国,这种情况尤其突出。如果能够监测和预警这些地质灾害,则能大大地减少事故发生的危害和几率。
目前,在地下工程中利用微震法监测施工安全是研究的热点之一,岩体发生破坏或原有的地质缺陷被激活产生错动,能量以弹性波的形式释放并传播出去,微震监测通过采集这种微震波信号,来推断和分析震源特征。微震法可以用于监测岩爆和矿震,岩体大冒落,边坡破坏,隧道施工等,它可以提供灾害定位和灾害预警,为地下结构设计提供参数,检测工程施工质量等。
现阶段国内在微震监测智能型仪器方面的研究还处在起步阶段,系统前端微震信号采集采用DSP芯片或ARM芯片来实现,但采集信号的精度不高,处理和传输速度也不太理想,对震源在时间和空间上定位存在较大的误差。在微震信号采集系统中,如何高精度地采集和传送微震信号,是上位机软件能够精确分析信号的前提和保证,也是目前微震监测亟需解决的问题之一。
发明内容:
本实用新型对微震信号采集系统进行改进,旨在解决信号采集精度不高,抗干扰能力不强,数据处理和传输速度不快等问题。
本实用新型采用的技术方案是:
一种高精度多通道微震信号采集系统,其特征在于,包括:传感器模块、信号调理电路、模数转换模块、信号处理模块、以太网通信模块、SD卡模块和上位机;所述传感器模块、信号调理电路、模数转换模块、信号处理模块、以太网通信模块、上位机依次相连。所述信号处理模块还与信号调理电路、SD卡模块相连。
所述传感器模块、信号调理电路、模数转换模块均为多路。所述传感器模块利用动圈式磁电传感器原理设计微震传感器,所述模数转换模块采用ADS1251实现。
所述信号调理电路包括放大器、滤波电路和差分电路,所述放大器采用运算放大器AD8231,所述滤波电路为二阶有源低通滤波。
所述信号处理模块包括FPGA模块和ARM模块,所述FPGA模块分别与模数转换模块、信号调理电路相连,所述ARM模块分别与以太网通信模块、SD卡模块相连。
所述FPGA模块选用EP3C25Q240C8,在QUARTUSII上设计了FIR滤波器、2个FIFO作为乒乓缓存的存储单元、SPI数据传输三个模块。
所述ARM模块选用STM32F407作为控制芯片,所述以太网通信模块采用ENC28J60芯片,ARM模块通过以太网与上位机进行数据传输。
本实用新型的有益效果是:通过FPGA模块的滤波和缓存,采集信号的精度更高,抗干扰能力更强,实现了数据无缝传输;信号处理模块采用FPGA和ARM模块,使设计更灵活,控制功能更强大,并且成本低;网络故障或上位机掉电时,可采用SD卡存储数据。
附图说明:
下面结合附图和具体实施例对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型的原理图
图2是信号处理模块内部结构图
图3是信号调理电路图
具体实施方式
如图1所示,本实用新型一种高精度多通道微震信号采集系统,由传感器模块1、信号调理电路2、模数转换模块3、信号处理模块4、以太网通信模块5、SD卡模块6和上位机7组成。
本实用新型工作原理:
传感器模块1采集多路微震信号,由于微震信号频率低,需要送往信号调理电路2,进行初步的放大和滤波,然后送入模数转换模块3进行A/D转换,转换后的数字信号送入信号处理模块4,进一步对信号滤波和缓存,并通过以太网模块5发送给上位机7,在网络出现故障或上位机7掉电时,将采集的数据存入SD卡模块6。
如图2所示,信号处理模块4由FPGA模块41和ARM模块42组成。FPGA模块41在开发软件QUARTUSII上进行设计,FPGA内部采用层次化的设计方法,将系统分为AD控制部分、乒乓缓存部分和SPI传输部分。AD控制部分采用FPGA设计了一个FIR滤波器,对信号再次滤波,提高微震信号的精度和抗干扰能力,低通滤波器的截止频率为10KHZ,采样频率200KHZ,用32阶的布莱克曼窗进行截取。在存储数据时,采用2个FIFO作为乒乓缓存的存储单元,通过正确的时序控制,实现数据的无缝传输,然后通过SPI协议送给ARM模块42。
ARM模块42在整个监控系统中起到桥梁作用,主要任务包括:通过以太网向上位机发送数据;接收FPGA采集的数据;向FPGA发送各路信号调理的放大倍数;读写SD卡。
如图3所示,信号调理电路2包括放大器21、二阶滤波、差分转换三部分,放大器21采用可控增益运算放大器AD8231,放大倍数最高可达128倍。上位机7给信号处理模块4发送增益值,传送给FPGA模块41后,可分别对多路采集进行不同的增益控制。放大后的信号通过二阶有源带通滤波后转换为差分信号,送入模数转换模块3,这里的滤波为初级带通滤波,运放采用精密运放OPA4350(22)。在放大器21放大后,采用电阻反馈的方式,将得到的差分信号送入模数转换模块3。
根据系统要求,传感器模块1利用动圈式磁电传感器原理设计微震传感器,其灵敏度可达0.28V/cm/s。所述模数转换模块3利用24位低功耗Σ-Δ模数转换器ADS1251实现,其内部由一个4阶的Σ-Δ调制器和数字滤波器构成,符合系统信号转换要求。
以太网模块5通过TCP/IP协议将采集的信号发送给上位机7,上位机7通过软件分析采集的数据,判断震源位置,预测微震发生的时间。
Claims (7)
1.一种高精度多通道微震信号采集系统,其特征在于:包括传感器模块、信号调理电路、模数转换模块、信号处理模块、以太网通信模块、SD卡模块和上位机;所述传感器模块、信号调理电路、模数转换模块、信号处理模块、以太网通信模块、上位机依次相连,所述信号处理模块与信号调理电路、SD卡模块相连。
2.根据权利要求1所述的一种高精度多通道微震信号采集系统,其特征在于:所述传感器模块、信号调理电路、模数转换模块均为多路。
3.根据权利要求1所述的一种高精度多通道微震信号采集系统,其特征在于:所述信号调理电路由放大器、滤波电路和差分电路组成,对采集的微震信号进行初步处理。
4.根据权利要求1所述的一种高精度多通道微震信号采集系统,其特征在于:所述信号处理模块包括FPGA模块和ARM模块,所述FPGA模块分别与模数转换模块、信号调理电路相连,所述ARM模块分别与以太网通信模块、SD卡模块相连。
5.根据权利要求4所述的一种高精度多通道微震信号采集系统,其特征在于:所述FPGA模块采用EP3C25Q240C8芯片,在QUARTUSII上设计了FIR滤波器、2个FIFO作为乒乓缓存的存储单元、SPI数据传输三个模块。
6.根据权利要求4所述的一种高精度多通道微震信号采集系统,其特征在于:所述ARM模块采用STM32F407芯片。
7.根据权利要求1所述的一种高精度多通道微震信号采集系统,其特征在于:所述以太网模块向所述上位机发送数据时,若网络出现故障或所述上位机断电,所述ARM模块将数据存入所述SD卡中。
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