CN210347950U

CN210347950U - 一种基于物联的小型化多功能地球物理场数据采集器

Info

Publication number: CN210347950U
Application number: CN201921816889.5U
Authority: CN
Inventors: 张兴国; 王兰炜; 胡哲; 张宇; 朱旭; 张世中; 王子影
Original assignee: Institute of Crustal Dynamics of China Earthquake Administration
Current assignee: Institute of Crustal Dynamics of China Earthquake Administration
Priority date: 2019-10-28
Filing date: 2019-10-28
Publication date: 2020-04-17
Anticipated expiration: 2029-10-28

Abstract

本实用新型公开了一种基于物联的小型化多功能地球物理场数据采集器，包括ARM核心板及分别与ARM核心板连接的模拟信号采集系统、数字信号采集外部接口系统及辅助系统；模拟信号采集系统包括4通道前置低通滤波器、4通道运放器、4通道A/D变换器及用于滤波打时标的数据处理器；数字信号采集外部接口系统包括LoRa接口模块、WIFI模块、4G模块、RS232接口、RS485接口、有线网口及USB接口，辅助系统包括电源模块、电压检测模块、GPS校时模块、自标定/自检测模块、LED显示模块等；本实用新型通过利用多种物联技术手段实现对地球物理场各物理量的模拟/数字采集与数据传输；通过各种芯片、电路板的结合进一步缩小设计体积，最终达到小型便携、适于流动观测的目的。

Description

一种基于物联的小型化多功能地球物理场数据采集器

技术领域

本实用新型涉及地震系统观测数据采集领域，特别是涉及一种基于物联的小型化多功能地球物理场数据采集器。

背景技术

目前用于地震系统观测的仪器大体上分为两类：测震仪器与地球物理场观测仪器，其中测震仪器观测对象数量少，技术发展较为成熟，其数采均实现了小型化与高采样率；地球物理场观测仪器则由于观测物理量多而杂，包括了形变、流体、电磁等多学科多专业，不同专业下又有进一步的细分，相应的研究主体单位也较多，最终导致生产的仪器种类较多，质量参差不齐，通常用于固定点观测，体积较大不适用于机动情况下的流动观测，同时又由于一些特殊环境的架设要求，数据传输手段较为单一，不能满足台站现场数据传输的灵活需求，增大了台站的运维负担，这些问题在台站的日常应用中体现的越来越明显。因此，如何提供一种小型便携、适于流动观测的地球物理场数据采集器，实现对地球物理场各物理量的模拟/数字采集与数据传输，成为当前业界急需改进的目标。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种小型便携、适于流动观测的地球物理场数据采集器，使其实现对地球物理场各物理量的模拟/数字采集与数据传输。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于物联的小型化多功能地球物理场数据采集器，包括ARM核心板及分别与ARM核心板连接的模拟信号采集系统、数字信号采集外部接口系统及辅助系统；所述模拟信号采集系统包括依次连接的4通道前置低通滤波器、4通道运放器、4通道A/D变换器及用于滤波打时标的数据处理器，所述数据处理器与ARM核心板连接；所述数字信号采集外部接口系统包括分别与ARM核心板连接的LoRa接口模块、WIFI模块、4G模块、RS232接口、RS485接口、有线网口及USB接口；所述辅助系统包括电源模块、电压检测模块及GPS校时模块，所述电源模块与电压检测模块连接，电压检测模块与ARM核心板连接；所述GPS校时模块与数据处理器连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述ARM核心板，CPU为CORTEX-A8系列AM3354，主频800MHz，FLASH 512MB，DDR 512MB。

进一步地，所述模拟信号采集系统中：所述4通道前置低通滤波器采用四通道前置RC低通滤波器；所述4通道运放器采用仪表运放，差分输入单端输出；所述4通道A/D变换器采用22bits模数变换芯片AD7716；所述数据处理器采用逻辑可编程器件EP3C40；所述模数变换芯片AD7716与逻辑可编程器件EP3C40通过SPI接口连接，所述逻辑可编程器件EP3C40与ARM核心板通过RS232串口和GPMC口连接。

进一步地，所述LoRa接口模块采用LoRa 610Pro模块；所述LoRa接口模块的逻辑控制电平LoRa_SET与LoRa_CS来自EP3C40的引脚控制，ARM_TXD与ARM_RXD来自ARM核心板的UART_TXD3与UART_RXD3。

进一步地，所述数字信号采集外部接口系统中：所述WIFI模块与4G模块基于MINIPCIE接口USB总线与ARM核心板通讯；所述MINIPCIE接口通过引脚UIM_PWR、UIM_DATA、UIM_CLK、UIM_RESET与4G模块连接，所述4G模块采用SIM7600或EC20；所述MINIPCIE接口通过引脚USB_D+、USB_D-与WIFI模块连接。

进一步地，所述RS232接口为2路；利用ARM核心板的UART4与UART5作为RS232接口接收串口数据；所述RS485接口为1路，通过复用ARM核心板的UART4接口实现，芯片采用SP3485EN；所述USB接口为1路，采用ARM核心板自带的USB接口USB1；所述有线网口为1路，基于RJ45接口通讯，采用ARM核心板自带的有线网口NET0；所述RJ45接口还用于接收符合“十五”通讯规程的仪器数据。

进一步地，所述辅助系统中：所述电源模块采用5V～12V的电源变换芯片提供输出电压5V/3A的最大输出；所述电源变换芯片采用MP1484EN；

所述数据采集器正常工作所需的电压包括+5V数字电源，±5V模拟电源、+2.5V基准电源与+3.3V数字电源；所述+5V数字电源由MP1484EN产生；所述±5V模拟电源由LM27762产生；所述+2.5V基准电源由ADR4525产生；所述+3.3V数字电源由LM1085IS-3.3产生；所述电压检测模块采用内置6路AD的AM3354。

进一步地，所述辅助系统中：所述GPS校时模块，采用内部Motorola m32m校时模块和/或外部GPS接口。

进一步地，所述辅助系统还包括用于对模拟信号采集系统的模拟采集通道进行自标定或自检测的自标定/自检测模块；所述自标定/自检测模块一端与模拟采集通道前端连接，另一端根据自标定或自检测需求与数据处理器连接以及与4通道A/D变换器输出的DC1V参考电压相连或与外部标准信号源接口连接。

进一步地，所述辅助系统还包括分别与ARM核心板连接的LED显示模块、电压异常声音报警模块、实时时钟RTC模块、数据存储模块和/或调试串口；所述实时时钟RTC模块采用芯片为DS1338，所述调试串口采用芯片为ZT3232。

通过采用上述技术方案，本实用新型至少具有以下优点：

1、本实用新型实现了多种物联技术、多功能的数据采集：可实现4通道模拟信号的采集；可实现基于RJ45、RS232、RS485、LoRa、WIFI、USB等接口的数字信号采集，通过采用不同的数据传输技术，能够灵活地满足台站固定与流动观测的工作需求。

2、本实用新型实现了地球物理场数据采集器的小型化：通过各种芯片、电路板的结合进一步缩小设计体积，实现了小型化的目标，整体外观大小约为22cm×14cm×6cm，实现了便携化，可用于流动观测数据采集。

3、本实用新型的数据采集器为地球物理场的观测仪器实现统一数采、统一处理与统一服务提供了前端数据获取的途径与手段。

附图说明

上述仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

图1是本实用新型实施例中基于物联的小型化多功能地球物理场数据采集器的总体框图；

图2是图1中的基于物联的小型化多功能地球物理场数据采集器的功能划分框图；

图3是模拟信号采集系统电路图；

图4是LoRa接口模块图；

图5是MINIPCIE接口图；

图6是RS232接口电路图；

图7是RS485接口电路图；

图8是USB接口电路图；

图9是有线网口电路图；

图10是输入电源图；

图11是3.3V电源产生电原理图；

图12是正负电源产生电原理图；

图13是电压检测原理框图；

图14是GPS校时电路原理图；

图15是模拟采集通道自标定/自检测原理框图；

图16是蜂鸣器报警电路原理图；

图17是RTC电路原理图；

图18是SD卡原理图；

图19是调试串口图；

图20是模拟信号采集流程图；

图21是数字信号采集流程图。

具体实施方式

如图1、2所示，本实施例提供的一种基于物联的小型化多功能地球物理场数据采集器，从功能上划分可分为四部分：系统主控(ARM核心板)及分别与系统主控(ARM核心板)连接的模拟信号采集系统、数字信号采集外部接口系统及辅助系统，其中：

模拟信号采集系统主要负责4路模拟信号的采集，包括4通道前置低通滤波器、4通道运放器、4通道A/D变换器及数据处理器，其中，4通道前置低通滤波器、4通道运放器、4通道A/D变换器及数据处理器与ARM核心板依次连接。

数字信号采集外部接口系统主要负责各种接口方式数字信号的采集，包括基于LoRa通信的LoRa接口模块、基于MINIPCIE接口USB总线的无线WIFI模块与4G模块、2路RS232接口、2路RS485接口、1路有线网口及1路USB接口，上述各接口或模块分别与ARM核心板连接。

辅助系统主要负责数据采集器的供电、电压检测、GPS校时、自标定/自检测、显示、报警、实时时钟RTC与数据存储等功能，包括电源模块、电压检测模块、GPS校时模块、自标定/自检测模块、LED显示模块、电压异常声音报警模块、实时时钟RTC模块、数据存储模块、调试串口等。其中，电源模块与电压检测模块连接，电压检测模块与ARM核心板连接；GPS校时模块与数据处理器连接；LED显示模块、电压异常声音报警模块、实时时钟RTC模块、数据存储模块、调试串口与ARM核心板连接。

下面对各部分进行详细展开说明。

系统主控(ARM核心板)主要负责数据采集器的整体控制、数据存储以及对外数据服务等功能。其中控制功能包括对系统重启、复位、电压检测、自标定/自检测、电压异常声音报警、数据采集等功能的控制，ARM核心板采用杭州启扬的ARM核心板，CPU为CORTEX-A8系列AM3354，主频800MHz，FLASH 512MB，DDR 512MB。

配合图3所示，模拟信号采集系统中，4通道前置低通滤波器采用四通道前置RC低通滤波器；4通道运放器采用仪表运放，差分输入单端输出；4通道A/D变换器采用22bits模数变换芯片AD7716；数据处理器采用逻辑可编程器件EP3C40(40k LEs)，输出数据采样率根据需求可提供分、秒、10Hz、100Hz采样；模数变换芯片AD7716与逻辑可编程器件EP3C40通过SPI接口连接，逻辑可编程器件EP3C40与ARM核心板通过RS232串口和GPMC口连接。

配合图4所示，数字信号采集外部接口系统中，LoRa接口模块采用深圳思为无线LoRa 610Pro模块；LoRa接口模块的逻辑控制电平LoRa_SET与LoRa_CS来自EP3C40的引脚控制，ARM_TXD与ARM_RXD来自ARM核心板的UART_TXD3与UART_RXD3。

配合图5所示，数字信号采集外部接口系统中，WIFI模块与4G模块基于MINIPCIE接口USB总线与ARM核心板通讯；MINIPCIE接口通过引脚UIM_PWR、UIM_DATA、UIM_CLK、UIM_RESET与4G模块连接，4G模块采用SIM7600或EC20；MINIPCIE接口通过引脚USB_D+、USB_D-与WIFI模块连接；MINIPCIE接口此处作为一个通用接口，除了上面两个功能，还可通过MINIPCIE接口串口插接蓝牙、ZIGBEE等模块。

配合图6所示，数字信号采集外部接口系统中，RS232接口利用ARM核心板的UART4与UART5作为RS232接口接收串口数据；配合图7所示，RS485接口通过复用ARM核心板的UART4接口实现，芯片采用SP3485EN；该接口可实现与外部RS485接口设备的连接实现对485协议数字信号的采集。配合图8所示，USB用ARM核心板自带的USB接口USB1；配合图9所示，有线网口基于RJ45接口通讯，采用ARM核心板自带的有线网口NET0；RJ45接口还用于接收符合“十五”通讯规程的仪器数据。

配合图10所示，辅助系统中，电源模块采用5V～12V的电源变换芯片提供输出电压5V/3A的最大输出；电源变换芯片采用MP1484EN；数据采集器正常工作所需的电压包括+5V数字电源，±5V模拟电源、+2.5V基准电源与+3.3V数字电源；+5V数字电源由MP1484EN产生；配合图11所示，+3.3V数字电源由LM1085IS-3.3产生；配合图12所示，±5V模拟电源由LM27762产生；+2.5V基准电源由ADR4525产生；

配合图13所示，辅助系统中，电压检测模块利用AM3354自身的6路AD即可实现。电压检测部分包括了输入+12V、+5VD、数字+3.3V、模拟±5V、基准电压2.5V。

配合图14所示，辅助系统中，GPS校时模块，采用内部Motorola m32m校时模块和/或外部GPS接口。即数据采集器GPS校时可采用内部GPS模块进行校时，也可以利用外部接口引入的GPS信号进行校时，接口信号包括GPS秒脉冲以及GPS时间信息(采用Motorola二进制信息)。外部GPS信息主要用于同步多个数据采集器用。

配合图15所示，辅助系统中，自标定/自检测模块用于对模拟信号采集系统的模拟采集通道进行自标定或自检测；自标定/自检测模块一端与模拟采集通道前端连接，另一端根据自标定或自检测需求与数据处理器连接以及与4通道A/D变换器输出的DC1V参考电压相连或与外部标准信号源接口连接，即模拟采集通道的检测信号源可来自外部，也可来自仪器内部，来自内部的交流信号为周期1Hz的方波信号，直流信号为DC1V的参考电压，来自外部的标定信号可选择直流至20Hz间的任意频率信号。

配合图16所示，在辅助系统中，电压异常声音报警模块的电路由2级三极管放大电路组成，电压异常时驱动蜂鸣器发出声音，同时进行故障上报。

配合图17所示，在辅助系统中，数据采集器利用DS1338实现系统的实时时钟。

配合图18所示，在辅助系统中，数据采集器采用SD卡作为数据存储介质，通过外部接口可随时取换，程序控制保存1个月数据；也可以通过USB接口外部连接USB外设作为数据存储介质。

配合图19所示，在辅助系统中，利用UART0作为调试串口，用于实现对嵌入式linux系统的命令行操作，端口波特率为115200bps，字长8位，1位停止位，无奇偶校验，采用芯片为ZT3232。

上述数据采集器的工作流程包括：

1、模拟信号采集：

数据采集器提供了4路模拟信号的采集功能，输出采样率可设为分采样、秒采样、10Hz采样与100Hz采样，电压分辨力20uV，输入范围-1.2V～+1.2V，配合图20所示，4路模拟信号经RC低通后，进入放大整形部分，运放部分采用仪表运放，差分输入单端输出，输出后送至模数变换器AD7716的输入端，转换后的数据经SPI接口送入后端的逻辑可编程芯片EP3C40进行数字滤波，同时进行时标标注，最后将数据通过串口/GPMC口送入ARM处理器，进行数据的进制转换与存储。

2、数字信号采集

数字信号采集功能主要实现2类功能：数据转发存储与数据解析存储。

数据转发存储功能通常用于无须清楚数字信号的组织格式，此时数据采集器作为数据暂存与数据转发器用；数据解析存储功能要求清楚数字信号的通信协议与组织格式，通过对接收的数字信号进行数据解析、打时标后再存储、转发与提供其它服务(配合图21所示)。根据接口的不同，可采集基于RS232、RS485、RJ45、USB、LoRa、4G/WIFI等接口的数字信号。其中RJ45还用于接收符合“十五”通讯规程的仪器数据。

3、数据采集器除可单独工作外，也可以对外提供数据上传/转发服务，将打时标后的数据进行上传，供其它主机进行数据后处理。数据采集器提供了数据转发、物联协议解析、数据格式重组、支持“十五”通讯规程等数据服务，外部主机可通过RJ45有线网口、WIFI等实现基于IP协议的数据订阅与获取等功能。

4、数据采集器提供了人机指令控制与反馈交互的功能，包括重启、复位、校时、电压检测、心跳监测、工作状态监测、自标定/自检测等。数据采集器内部设立3Byte长度的状态字，第1个字节标注工作状态，第2与第3字节表示更新时间，其中2字节高5bit表示日期中的日(1-31)，低3bit与第3字节结合作为当天的分钟数(0-1439)。

表1数据采集器工作状态字节

工作状态字每分钟更新。

表2工作状态更新时间

(1)校时

数据采集器提供了主机校时、指令校时、NTP校时与GPS校时共4种工作方式的校时功能，以满足不同应用场景下的校时需要。

数据采集器默认采用GPS校时，当GPS无法接收到卫星信号的时候，可控制数据采集器采用其它校时方式，联网状态手动通过网页方式使用主机校时，将PC主机的当前时钟同步到数据采集器；使用NTP校时将网内NTP服务器的时钟同步到数据采集器；使用指令校时通过指令参数将时钟信息传递到数据采集器。自动情况下，根据参数配置可进行NTP与GPS校时。

(2)电压检测

数据采集器提供电压检测的服务，可响应来自WEB及SOCKET指令的电压检测订阅或触发，从而对外提供周期性的电压状态监测与触发式电压监测服务，主要用于仪器初始化与故障检测以及实时工作状态监测用。

(3)心跳检测

数据采集器主程序每分钟更新一次工作状态字中的心跳异常标志位，同时更新状态时间，服务程序监测到工作状态字均没有更新的时候即表示主程序故障。

(4)工作状态检测

数据采集器工作状态指采集状态与存储状态，系统每分钟写一次文件，若每分钟未采集到数据，则置位采集异常标志；若每分钟存储数据异常，则置位数据存储异常标志。

(5)自标定/检测

数据采集器模拟通道提供了自标定/检测功能，可响应来自WEB与SOCKET指令进行仪器的自标定/检测，选择自标定时需要外接标准信号源，选择自检测时由数据采集器内部可编程逻辑门阵列芯片(EP3C40)输出1Hz方波信号送入模拟通道输入端。进行自检测输出信号固定为频率1Hz幅度1Vpp，若自检测结果频率计算有误差或幅度误差超过500uV，则置位自检测异常。

同时，系统通过4通道A/D变换器的2.5V基准电压进行分压得到DC(直流)1V的参考输出电压，用于粗略地检测模拟信号采集的信号是否正确。

综上所述，本实用新型通过利用多种物联技术手段实现对地球物理场各物理量的模拟/数字采集与数据传输；通过各种芯片、电路板的结合进一步缩小设计体积，最终达到小型便携、适于流动观测的目的，适于推广应用。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种基于物联的小型化多功能地球物理场数据采集器，其特征在于，包括ARM核心板及分别与ARM核心板连接的模拟信号采集系统、数字信号采集外部接口系统及辅助系统；

所述模拟信号采集系统包括依次连接的4通道前置低通滤波器、4通道运放器、4通道A/D变换器及用于滤波打时标的数据处理器，所述数据处理器与ARM核心板连接；

所述数字信号采集外部接口系统包括分别与ARM核心板连接的LoRa接口模块、WIFI模块、4G模块、RS232接口、RS485接口、有线网口及USB接口；

所述辅助系统包括电源模块、电压检测模块及GPS校时模块，所述电源模块与电压检测模块连接，电压检测模块与ARM核心板连接；所述GPS校时模块与数据处理器连接。

2.根据权利要求1所述的基于物联的小型化多功能地球物理场数据采集器，其特征在于，所述ARM核心板，CPU为CORTEX-A8系列AM3354，主频800MHz，FLASH 512MB，DDR 512MB。

3.根据权利要求1或2所述的基于物联的小型化多功能地球物理场数据采集器，其特征在于，所述模拟信号采集系统中：所述4通道前置低通滤波器采用四通道前置RC低通滤波器；所述4通道运放器采用仪表运放，差分输入单端输出；所述4通道A/D变换器采用22bits模数变换芯片AD7716；所述数据处理器采用逻辑可编程器件EP3C40；所述模数变换芯片AD7716与逻辑可编程器件EP3C40通过SPI接口连接，所述逻辑可编程器件EP3C40与ARM核心板通过RS232串口和GPMC口连接。

4.根据权利要求3所述的基于物联的小型化多功能地球物理场数据采集器，其特征在于，所述LoRa接口模块采用LoRa 610Pro模块；所述LoRa接口模块的逻辑控制电平LoRa_SET与LoRa_CS来自EP3C40的引脚控制，ARM_TXD与ARM_RXD来自ARM核心板的UART_TXD3与UART_RXD3。

5.根据权利要求1或2所述的基于物联的小型化多功能地球物理场数据采集器，其特征在于，所述数字信号采集外部接口系统中：

所述WIFI模块与4G模块基于MINIPCIE接口USB总线与ARM核心板通讯；

所述MINIPCIE接口通过引脚UIM_PWR、UIM_DATA、UIM_CLK、UIM_RESET与4G模块连接，所述4G模块采用SIM7600或EC20；

所述MINIPCIE接口通过引脚USB_D+、USB_D-与WIFI模块连接。

6.根据权利要求1或2所述的基于物联的小型化多功能地球物理场数据采集器，其特征在于，所述RS232接口为2路；利用ARM核心板的UART4与UART5作为RS232接口接收串口数据；

所述RS485接口为1路，通过复用ARM核心板的UART4接口实现，芯片采用SP3485EN；

所述USB接口为1路，采用ARM核心板自带的USB接口USB1；

所述有线网口为1路，基于RJ45接口通讯，采用ARM核心板自带的有线网口NET0；所述RJ45接口还用于接收符合“十五”通讯规程的仪器数据。

7.根据权利要求1或2所述的基于物联的小型化多功能地球物理场数据采集器，其特征在于，所述辅助系统中：

所述电源模块采用5V～12V的电源变换芯片提供输出电压5V/3A的最大输出；所述电源变换芯片采用MP1484EN；

所述数据采集器正常工作所需的电压包括+5V数字电源，±5V模拟电源、+2.5V基准电源与+3.3V数字电源；所述+5V数字电源由MP1484EN产生；所述±5V模拟电源由LM27762产生；所述+2.5V基准电源由ADR4525产生；所述+3.3V数字电源由LM1085 IS-3.3产生；

所述电压检测模块采用内置6路AD的AM3354。

8.根据权利要求1或2所述的基于物联的小型化多功能地球物理场数据采集器，其特征在于，所述辅助系统中：

所述GPS校时模块，采用内部Motorola m32m校时模块和/或外部GPS接口。

9.根据权利要求1或2所述的基于物联的小型化多功能地球物理场数据采集器，其特征在于，所述辅助系统还包括用于对模拟信号采集系统的模拟采集通道进行自标定或自检测的自标定/自检测模块；所述自标定/自检测模块一端与模拟采集通道前端连接，另一端根据自标定或自检测需求与数据处理器连接以及与4通道A/D变换器输出的DC1V参考电压相连或与外部标准信号源接口连接。

10.根据权利要求1或2所述的基于物联的小型化多功能地球物理场数据采集器，其特征在于，所述辅助系统还包括分别与ARM核心板连接的LED显示模块、电压异常声音报警模块、实时时钟RTC模块、数据存储模块和/或调试串口；

所述实时时钟RTC模块采用芯片为DS1338，所述调试串口采用芯片为ZT3232。