CN204556850U - 一种高动态范围的微震信号采集设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高动态范围的微震信号采集设备，包括信号处理部分，FPGA处理部分，电源部分，输出部分，信号处理部分与FPGA处理部分、电源部分相连接，FPGA处理部分与电源部分、输出部分相连接，适用于大动态范围的微震信号采集，同时具有较高的分辨率，能对强弱不同的微震信号进行无失真采样,精度高、稳定性好，与传统的微震采集系统相比，在相同位数的A/D采样的情况下，具有更高的采样精度，从而降低了对价格昂贵的高位A/D转换器的要求，动态范围大，能适用于强弱不同的微震信号采集，对于弱信号，还具有很高的分辨率，对于随机多变的微震信号，系统能及时调整放大器增益，使信号能无失真采集。

Description

一种高动态范围的微震信号采集设备

技术领域

本发明涉及微震监测领域，具体涉及一种高动态范围的微震信号采集设备。

背景技术

随着经济和科技的迅猛发展，微震检测技术在安全生产监测方面得到广泛的应用，微震监测系统是采矿安全管理中不可或缺的组成部分。微震检测系统主要是利用微震检测的数据进行分析、判断微震发生的地理位置，因此微震检测系统数据采集的质量直接影响监测的准确性。在微震监测系统中采用微震检波器拾取微震信号，并转换成电信号。由于不能预先确定前端信号振幅的大小，所以无法设定一个合适的放大器增益对信号进行放大。同时微震信号还会伴随着各种干扰，甚至微震信号被周围环境的噪声所淹没。所以如何提高信号采集的动态范围和提高信号的信噪比成为了微震检测系统的关键问题。

目前，提高微震信号的采集的动态范围和采样精度的通常方法有：(1)选用高位数的A/D转换器，但是这种器件价格非常昂贵。(2)对信号进行对数运算，即对信号的动态范围进行压缩，然后对信号进行采样，这种方法的缺点是降低信号采集的精度。(3)、通过对之前采样的数据进行相应的处理，调整放大器的增益，但是对于随机多变的信号，这种方法难以适应。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种高动态范围的微震信号采集设备，适用于大动态范围的微震信号采集，同时具有较高的分辨率，能对强弱不同的微震信号进行无失真采样,该设备精度高、稳定性好，价格低廉。

实现本发明目的的技术方案，

一种高动态范围的微震信号采集方法，包括如下步骤：

1)采用微震传感器把机械的微震信号转换成模拟的电信号；

2)预处理电路将得到的电信号进行初步的放大和滤波；

3)将经过预处理后的信号与电压进行比较，确定信号幅度的范围；

4)采用电压比较器得到的编码调整增益控制放大器的放大倍数，将信号调整到适合的A/D采样范围；

5)对信号进行采样和原信号值进行还原；

6)对信号进行滤波处理，滤除带外的干扰，减少噪声的影响，得到了高分辨率，高信噪比，高动态范围的微震信号。

步骤3)将经过预处理后的信号与已知电压进行比较，确定信号幅度的范围。预处理后的信号分为两路，一路输入程控放大器，另一路输入由两个比较器组成的双比较器电路。将放大滤波电路后的信号经过取绝对值后两路信号均由比较器的反相端输入，当输入信号的电压大于同相的基准电压时，输出端将输出低电平，反之，则为高电平。然后根据双比较器电路得到的值来选择PGA(Programmable Gain Amplifier，可编程增益放大器)的放大倍数。两个比较器输出有3种可能的结果：

当V_i＞V_H时，即经过预处理后信号的电压值高于参考电压的最大值，输出为PC1＝0、PC2＝0。

当V_H＞V_i＞V_L时，即经过预处理后信号的电压值介于两个参考电压之间，输出为PC1＝0、PC2＝1。

当V_i＜V_L时，即经过预处理后信号的电压值小于参考电压的最小值，输出为PC1＝1、PC2＝1。其中，V_i为输入信号的绝对值电压，V_H双比较器电路参考电压的最大值，V_L为双比较器电路参考电压的最小值，PC1、PC2为双电压比较器输出的低位和高位。

步骤4)根据双比较器电路得到的编码调整增益控制放大器的放大倍数，将信号调整到适合的A/D采样范围。程控放大器的放大增益设置规则如下：

当PC1＝0、PC2＝0时，由于此时的电压值大于两个参考电压，信号较强，为了防止超出A/D的输入范围，因此通过FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)选择程控放大器的放大倍数为1；

当PC1＝0、PC2＝1时，由于此时的电压值介于两个参考电压之间，因此通过FPGA选择程控放大器的放大倍数为10；

当PC1＝1、PC2＝1时，由于此时的电压值小于两个参考电压，信号电压很微弱，此时通过FPGA选择程控放大器的放大倍数为100。

步骤5)对信号进行采样和对原信号值进行还原。当信号被放大到适合的范围后启动A/D转换，由于A/D转换后的数据为串行数据，所以首先要将串行数据转换为并行数据，并且每个采样值都为放大后的点，所以需要对每个采样值进行还原。

数据处理程序可以通过比较器电路产生的编码来对数据增益还原。当采集进行时，每个采样点数据的放大倍数都是由FPGA通过I/O口读取比较器电路产生的两位二进制编码来控制的。由于前置放大器的增益是事先设定的，所以可以通过数据处理程序进行数据增益还原，即

$u_i=\frac{u_0}{A_1{A}_2}---\left(1\right)$

其中，u_i为微震原始信号，u₀为采样得到的电压值，A₁为前置放大器增益，A₂为程控放大器增益。

从而获得原始信号的真实值。

步骤6)对信号进行滤波处理，滤除带外的干扰，减少噪声的影响；A/D转换后的数据为微震传感器直接采集到的信号，这些信号在模拟处理端仅经过有源低通滤波器的处理，滤波效果不理想，为了提高微震信号检测的精度，降低噪声对系统的干扰，在输入数据缓存之前需要对数据进行一次数据滤波。在实现时借助Matlab中的fdatool工具来设计FIR滤波器的参数，采用并行分布式流水线结构实现16阶低通滤波器。全并行FIR滤波器采用多个延时单元，多个乘法器和加法器按并行结构工作，可以提高运算的吞吐率。

长度为M的因果有限冲激响应滤波器由传输函数H(z)描述：

$H\left(z\right)=\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(k\right)z^{-k}---\left(2\right)$

它是次数为M-1的z-1的一个多项式。在时域中，上述有限冲激响应滤波器的输入输出关系为：

$y\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(k\right)x(n-k)---\left(3\right)$

其中y(n)和x(n)分别是输出和输入序列，h(k)为系统函数，k是常数。

根据微震信号的特征，将低通滤波器的截止频率设为500Hz，采样频率为10KHz，用32阶的布莱克曼窗进行截取。用fdatool设计工具生产滤波器系数，然后对其进行归一化处理，量化为12位的有符号定点数。利用线性相位有限冲激响应滤波器的对称或反对称性质，可以将传输函数的直接型实现所需的乘法器总量减少一半。

一种高动态范围的微震信号采集设备，其特征在于，包括：

信号处理部分，对电信号进行初步的放大、滤波、幅度调节、把模拟信号转换成数字信号；

FPGA处理部分，为了使信号的幅度满足A/D的输入范围，通过FPGA选择程控放大器的放大倍数；

电源部分，电源部分为设备供电；

输出部分，将采集得到的数据传输到PC，方便对信号的保存和处理；

信号处理部分与FPGA处理部分、电源部分相连接，FPGA处理部分与电源部分、输出部分相连接。

所述的信号处理部分包括前级预处理、程控增益放大器、抗混叠滤波器、A/D转换电路、绝对值电路、双比较器电路，所述的前级预处理和程控增益放大器、绝对值电路相连接，双比较器电路与绝对值电路相连接，程控增益放大器与抗混叠滤波器相连接，抗混叠滤波器与A/D转换电路相连；

双比较器电路与FPGA处理部分的FPGA处理器相连接，A/D转换器与FPGA处理部分的FPGA处理器相连接。

所述的FPGA处理部分包括FPGA处理器，FPGA处理器与输出部分的RS422接口电路相连接。

所述的电源部分包括一级稳压器、二级稳压器、比较器电压基准、极性反转，一级稳压器与二级稳压器相连接，二级稳压器与极性反转、比较器电压基准相连接；

比较器电压基准与信号处理部分的双比较器电路相连接。

所述输出部分包括RS422接口电路，RS422接口电路与FPGA处理部分的FPGA处理器相连接。

微震采集系统工作时，微震传感器(检波器)把微震信号转换成电信号，经过高精度前置仪表放大器后实现信号的初级放大滤波后，信号分为两路，一路输入增益程控放大器，另一路输入双比较器电路，FPGA根据双比较器电路得到的编码进行调整增益控制放大器的放大倍数，将信号放大到适合的A/D采样范围，然后输入A/D采样电路，经数据处理程序将信号的电压还原，然后对微震信号做滤波处理后通过RS422接口电路输出，上位机也可以通过该接口接收信号和发送指令。

本发明的有益效果是：

该方法适用于大动态范围的微震信号采集，同时具有较高的分辨率，能对强弱不同的微震信号进行无失真采样,精度高、稳定性好，与传统的微震采集系统相比，在相同位数的A/D采样的情况下，具有更高的采样精度，从而降低了对价格昂贵的高位A/D转换器的要求。

动态范围大，能适用于强弱不同的微震信号采集，对于弱信号，该方法还具有很高的分辨率。

对于随机多变的微震信号，系统能及时调整放大器增益，使信号能无失真采集。

该设备精度高、稳定性好，价格低廉。

附图说明

图1为高动态微震信号采集系统框图。

图中，1.信号处理部分 2.电源部分 3.FPGA处理部分 4.输出部分 1-1.前级预处理 1-2.程控增益放大器 1-3.抗混叠滤波器 1-4.A/D转换器 1-5.绝对值电路 1-6.双比较器电路3-1.FPGA处理器 2-1.电源一级稳压器 2-2.电源二级稳压器 2-3.极性反转 2-4.比较器电压基准 4-1.RS422接口电路。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明内容作进一步描述，但不是对本发明的限定。

实施例：

一种高动态范围的微震信号采集方法，包括如下步骤：

1)采用微震传感器把机械的微震信号转换成模拟的电信号；

2)预处理电路将得到的电信号进行初步的放大和滤波；

3)将经过预处理后的信号与电压进行比较，确定信号幅度的范围；

4)采用电压比较器得到的编码调整增益控制放大器的放大倍数，将信号调整到适合的A/D采样范围；

5)对信号进行采样和原信号值进行还原；

6)对信号进行滤波处理，滤除带外的干扰，减少噪声的影响，得到了高分辨率，高信噪比，高动态范围的微震信号。

步骤3)将经过预处理后的信号与已知电压进行比较，确定信号幅度的范围。预处理后的信号分为两路，一路输入程控放大器，另一路输入由两个比较器组成的双比较器电路。放大滤波电路后的信号经过取绝对值后两路信号均由比较器的反相端输入，当输入信号的电压大于同相的基准电压时，输出端将输出低电平，反之，则为高电平。然后根据双比较器电路得到的值来选择PGA(Programmable Gain Amplifier，可编程增益放大器)的放大倍数。两个比较器输出有3种可能的结果：

当V_i＞V_H时，即经过预处理后信号的电压值高于参考电压的最大值，输出为PC1＝0、PC2＝0；

当V_H＞V_i＞V_L时，即经过预处理后信号的电压值介于两个参考电压之间，输出为PC1＝0、PC2＝1；

当V_i＜V_L时，即经过预处理后信号的电压值小于参考电压的最小值，输出为PC1＝1、PC2＝1。

其中，V_i为输入信号的绝对值电压，V_H双比较器电路参考电压的最大值，V_L为双比较器电路参考电压的最小值，PC1、PC2为双电压比较器输出的低位和高位。

步骤4)根据双比较器电路得到的编码调整增益控制放大器的放大倍数，将信号调整到适合的A/D采样范围。程控放大器的放大增益设置规则如下：

当PC1＝0、PC2＝0时，由于此时的电压值大于两个参考电压，信号较强，为了防止超出A/D的输入范围，因此通过FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)选择程控放大器的放大倍数为1；

当PC1＝0、PC2＝1时，由于此时的电压值介于两个参考电压之间，因此通过FPGA选择程控放大器的放大倍数为10；

当PC1＝1、PC2＝1时，由于此时的电压值小于两个参考电压，信号电压很微弱，此时通过FPGA选择程控放大器的放大倍数为100。

步骤5)对信号进行采样和对原信号值进行还原。当信号被放大到适合的范围后启动A/D转换，由于A/D转换后的数据为串行数据，所以首先要将串行数据转换为并行数据，并且每个采样值都为放大后的点，所以需要对每个采样值进行还原。

数据处理程序可以通过比较器电路产生的编码来对数据增益还原。当采集进行时，每个采样点数据的放大倍数都是由FPGA通过I/O口读取比较器电路产生的两位二进制编码来控制的。由于前置放大器的增益是事先设定的，所以可以通过数据处理程序进行数据增益还原，即

$u_i=\frac{u_0}{A_1{A}_2}---\left(1\right)$

其中，u_i为微震原始信号，u₀为采样得到的电压值，A₁为前置放大器增益，A₂为程控放大器增益。

从而获得原始信号的真实值。

步骤6)对信号进行滤波处理，滤除带外的干扰，减少噪声的影响；A/D转换后的数据为微震传感器直接采集到的信号，这些信号在模拟处理端仅经过有源低通滤波器的处理，滤波效果不理想，为了提高微震信号检测的精度，降低噪声对系统的干扰，在输入数据缓存之前需要对数据进行一次数据滤波。在实现时借助Matlab中的fdatool工具来设计FIR滤波器的参数，采用并行分布式流水线结构实现16阶低通滤波器。全并行FIR滤波器采用多个延时单元，多个乘法器和加法器按并行结构工作，可以提高运算的吞吐率。

长度为M的因果有限冲激响应滤波器由传输函数H(z)描述：

$H\left(z\right)=\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(k\right)z^{-k}---\left(2\right)$

它是次数为M-1的z-1的一个多项式。在时域中，上述有限冲激响应滤波器的输入输出关系为：

$y\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(k\right)x(n-k)---\left(3\right)$

其中y(n)和x(n)分别是输出和输入序列，h(k)为系统函数，k是常数。

根据微震信号的特征，将低通滤波器的截止频率设为500Hz，采样频率为10KHz，用32阶的布莱克曼窗进行截取。用fdatool设计工具生产滤波器系数，然后对其进行归一化处理，量化为12位的有符号定点数。利用线性相位有限冲激响应滤波器的对称(或反对称)性质，可以将传输函数的直接型实现所需的乘法器总量减少一半。

如图1所示，一种高动态范围的微震信号采集设备，包括：

信号处理部分1，对电信号进行初步的放大、滤波、幅度调节、把模拟信号转换成数字信号；

FPGA处理部分3，为了使信号的幅度满足A/D的输入范围，通过FPGA选择程控放大器的放大倍数；

电源部分2，电源部分为设备供电；

输出部分4，将采集得到的数据传输到PC，方便对信号的保存和处理；

信号处理部分1与FPGA处理部分3、电源部分2相连接，FPGA处理部分3与电源部分2、输出部分4相连接。

所述的信号处理部分1包括前级预处理1-1、程控增益放大器1-2、抗混叠滤波器1-3、A/D转换电路1-4、绝对值电路1-5、双比较器电路1-6，所述的前级预处理1-1和程控增益放大器1-2、绝对值电路相连接1-5，双比较器电路1-6与绝对值电路1-5相连接，程控增益放大器1-2与抗混叠滤波器1-3相连接，抗混叠滤波器1-3与A/D转换电路1-4相连；

双比较器电路1-6与FPGA处理部分3的FPGA处理器3-1相连接，A/D转换器1-4与FPGA处理部分3的FPGA处理器3-1相连接。

所述的FPGA处理部分3包括FPGA处理器3-1，FPGA处理器3-1与输出部分4的RS422接口电路4-1相连接。

所述的电源部分2包括一级稳压器2-1、二级稳压器2-2、比较器电压基准2-4、极性反转2-3，一级稳压器2-1与二级稳压器2-2相连接，二级稳压器2-2与极性反转2-3、比较器电压基准2-4相连接；

比较器电压基准2-4与信号处理部分1的双比较器电路1-6相连接。

所述输出部分4包括RS422接口电路4-1，RS422接口电路4-1与FPGA处理部分3的FPGA处理器3-1相连接。

通过RS422接口电路4-1将数据传输到PC端，方便对数据的处理和存储。FIFO是一种先进先出的存储阵列，使用在需要产生数据接口的部分，用来存储、缓冲在两个异步时钟之间的数据传输。将FIR滤波后得到的数据通过FIFO模块进行数据缓存，以防数据丢帧，而FIFO模块作为FIR滤波模块和RS422接口的桥梁，FIR滤波模块无需RS422接口给出完成一帧数据传输的置位信号再进行下一帧数据的运算，RS422传输也不用等待FIR滤波模块计算得到一帧数据后给出的置位信号再工作，这样大大提高了工作的效率。

通过配置内部的三个宽度为8bit、深度为1024的双口RAM来实现宽度为24bit、总容量为3KB的FIFO缓存模块。FIFO中先写入的数据先读出，而后写入的数据后读出。系统工作后，将数字滤波后的数据先存入FIFO，当检测到FIFO中有数据并不为空时，RS422传输模块可以读取FIFO中的数据进行传输，当FIFO中数据为空时暂停数据传输。

Claims (5)

1.一种高动态范围的微震信号采集设备，其特征在于，包括

信号处理部分，对电信号进行初步的放大、滤波、调节增益、把模拟信号转换成数字信号； 

FPGA处理部分，为了防止超出A/D的输入范围，通过FPGA选择程控放大器的放大倍数；

电源部分，电源部分为设备供电；

输出部分，将采集得到的数据传输到PC，方便对信号的保存和处理；

信号处理部分与FPGA处理部分、电源部分相连接，FPGA处理部分与电源部分、输出部分相连接。

2.根据权利要求1所述的高动态范围的微震信号采集设备,其特征在于，所述的信号处理部分包括前级预处理，程控增益放大器，抗混叠滤波器， A/D转换电路，绝对值电路，双比较器电路，所述的前级预处理和程控增益放大器、绝对值电路相连接，双比较器电路与绝对值电路相连接，程控增益放大器与抗混叠滤波器相连接，抗混叠滤波器与 A/D转换电路相连；

双比较器电路与FPGA处理部分的FPGA处理器相连接，抗混叠滤波器与FPGA处理部分的FPGA处理器相连接，A/D转换器与FPGA处理部分的FPGA处理器相连接。

3.根据权利要求1所述的高动态范围的微震信号采集设备,其特征在于，所述的FPGA处理部分包括FPGA处理器，FPGA处理器与输出部分的RS422接口电路相连接。

4.根据权利要求1所述的高动态范围的微震信号采集设备,其特征在于，所述的电源部分包括一级稳压器、二级稳压器、比较器电压基准、极性反转，一级稳压器与二级稳压器相连接，二级稳压器与极性反转、比较器电压基准相连接；

比较器电压基准与信号处理部分的双比较器电路相连接。

5.根据权利要求1所述的高动态范围的微震信号采集设备,其特征在于，所述输出部分包括RS422接口电路，RS422接口电路与FPGA处理部分的FPGA处理器相连接。