CN203643617U

CN203643617U - 一种高精度多通道微震信号采集系统

Info

Publication number: CN203643617U
Application number: CN201420001684.2U
Authority: CN
Inventors: 余芳芳
Original assignee: Anhui University of Science and Technology
Current assignee: Anhui University of Science and Technology
Priority date: 2014-01-02
Filing date: 2014-01-02
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2024-01-02

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

一种高精度多通道微震信号采集系统

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

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。