馬 軍,李志華

(中國地質(zhì)大學(xué) 機械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢430074)

人耳所能接收到的物體振動產(chǎn)生的彈性波的頻率范圍為20 Hz～20 kHz，凡是低于這個范圍的聲波都稱為次聲波。次聲波具有頻率低、能量大、穿透力強，易于接收等特點。

長期以來的科學(xué)試驗表明，地震、泥石流等自然災(zāi)害事件在孕育、發(fā)生和發(fā)展的過程中均可能向大氣中輻射低頻的次聲波[1]。通過監(jiān)測和分析這些次聲波信號，對次聲波源進行定位，研究次聲波的產(chǎn)生和傳播規(guī)律來揭示次聲波信號與自然事件的關(guān)聯(lián)性，可以達到預(yù)測和監(jiān)測自然災(zāi)害事件并進行短期預(yù)警的目的[2]。高精度、高動態(tài)范圍、穩(wěn)定性強、可靠性高的次聲波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對次聲波數(shù)據(jù)的采集以及進一步的研究應(yīng)用都有著重要的意義。

本文設(shè)計采用低功耗、高可靠性的STM32作為主控制器，連接MAX293和24位精準(zhǔn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1246，同時掛載SD卡、溫濕度傳感器、GPS模塊構(gòu)成一套無線次聲波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過串口與上位機通信完成參數(shù)配置，并且通過網(wǎng)口連接無線路由器實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)街鞣?wù)器，達到遠距離監(jiān)測次聲波的目的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括了次聲傳感器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲模塊、電源模塊、USB/串口、網(wǎng)口接口部分、GPS模塊、3G轉(zhuǎn) WiFi模塊以及基于LabVIEW平臺的上位機部分。

2 硬件部分

2.1 次聲信號的獲取

InSYS2008型超低頻次聲測量傳感器是一種電容式次聲傳感器，它具有溫度系數(shù)低、工作溫度范圍寬、工作濕度范圍寬，潮濕氣候?qū)`敏度影響極小等特點，該傳感器只對聲波敏感，而對振動不敏感，具有很好的抗振動干憂性能和良好的長期穩(wěn)定性[3]。該傳感器的頻率響應(yīng)范圍為 0.001 Hz～100 Hz,靈敏度為 750 mV/Pa，完全能夠滿足次聲信號的采集要求。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)功能圖

2.2 信號調(diào)理

次聲波在大氣中傳播的過程中因風(fēng)噪及地形因素造成的信號混疊、偶然事件引起的噪聲以及系統(tǒng)噪聲等是主要的干擾[4]。濾波電路設(shè)計采用八階橢圓形濾波器MAX293，該濾波器具有很快的滾降速度，通帶到阻帶的過渡帶可以很窄，它具有固定的頻率響應(yīng)函數(shù)，只需要設(shè)定所需要的截止頻率即可。在本設(shè)計中，由STM32根據(jù)預(yù)設(shè)截止頻率值的大小輸出相應(yīng)的CLK信號來實現(xiàn)。濾波電路如圖2所示，其中AVDD為 5 V，DVDD為3.3 V。圖中的NCMOS電路完成電平雙向轉(zhuǎn)換的功能，經(jīng)實際應(yīng)用中測試，它能在保留所需要的次聲波信號頻段信息的前提下，有效地抑制干擾。

圖2 MAX29部分原理圖

2.3 數(shù)據(jù)采集和處理

信號采集采用TI公司生產(chǎn)的ADS1246，它是一種24位Δ-Σ型高精度無失碼模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最大數(shù)據(jù)輸出率為2 kS/s，可以根據(jù)需要配置相應(yīng)的寄存器，設(shè)置不同的采樣率和PGA增益值。

數(shù)據(jù)處理采用STM32系列單片機作為系統(tǒng)的控制核心,它采用最新的32位ARM Cortex-M3內(nèi)核,性能高、功耗小、成本低且處理速度快,工作頻率最高可達到72MHz,并且還具有豐富的外設(shè)。在本設(shè)計中采用STM32F103ZE作為主控芯片，通過SPI外設(shè)接口分別與ADS1246和網(wǎng)絡(luò)接口芯片ENC28J60直接進行通信,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。相關(guān)原理圖如圖3所示。

圖3 ADS1246和ENC28J60部分原理圖

2.4 數(shù)據(jù)存儲

在本設(shè)計中，網(wǎng)絡(luò)暫時不通或服務(wù)器關(guān)機時，將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)暫存器上，等到網(wǎng)絡(luò)連通之后，再將暫存器上的數(shù)據(jù)文件發(fā)送到網(wǎng)口進行傳輸。暫存器采用大容量SD卡及USB盤,并且設(shè)置暫存優(yōu)先級為：USB盤，SD卡。網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后數(shù)據(jù)續(xù)傳的優(yōu)先級依然是：USB盤，SD卡。這樣就能夠達到將數(shù)據(jù)存儲到USB盤中實現(xiàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)場獲取的目的。

3 軟件部分

3.1 LabVIEW通信部分設(shè)計

上位機軟件開發(fā)平臺采用LabVIEW，它采用圖形化編程的G語言，擁有面向數(shù)據(jù)采集、GPIB、串行儀器控制等豐富的擴展函數(shù)庫，并且采用流程圖式的編程方式，具有十分強大的功能。LabVIEW的編程設(shè)計分為前面板部分和程序框圖部分，前者可以模擬真實儀器的前面板，用于設(shè)置數(shù)值和觀察輸出量，后者則是對應(yīng)于前面板的G語言程序[5]。在本設(shè)計中，LabVIEW上位機設(shè)計主要包括控制面板和顯示面板部分。前者主要向下位機發(fā)送控制命令，完成對采集系統(tǒng)采樣率，濾波器截止頻率等相關(guān)參數(shù)的配置，同時在收到下位機發(fā)送的配置完成信號后發(fā)啟動命令啟動數(shù)據(jù)采集等工作;后者主要用于現(xiàn)場監(jiān)察儀器的工作情況,確保相關(guān)參數(shù)配置生效，同時也可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場實時觀測和保存。

上位機和下位機通過串口中斷的方式完成交互和握手。圖4是LabVIEW上位機與STM32下位機部分通信的下位機軟件設(shè)計流程圖，主要包括控制命令的發(fā)送和ADC采集數(shù)據(jù)的接收和顯示。

圖4 LabVIEW與下位機通信路程圖

3.2 STM32軟件設(shè)計

STM32采用MDK作為開發(fā)環(huán)境，STM32軟件設(shè)計主要包含SPI方式控制ADS1246，SPI方式控制網(wǎng)絡(luò)接口芯片ENC28J60以及SDIO模式控制SD卡。相應(yīng)設(shè)計部分的流程如圖5所示。

系統(tǒng)上電以后進行初始化，然后接收LabVIEW上位機通過串口發(fā)送來的控制命令，完成相關(guān)參數(shù)的配置和啟動數(shù)據(jù)采集。同時完成ENC28J60復(fù)位、工作方式設(shè)置等相關(guān)操作，然后等待網(wǎng)絡(luò)連通。如果網(wǎng)絡(luò)不通則將采集到的數(shù)據(jù)存放到暫存器中，當(dāng)檢測到網(wǎng)絡(luò)連通時則根據(jù)設(shè)置的優(yōu)先級將暫存器中的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口發(fā)送到遠程服務(wù)器。

在本設(shè)計中，單片機接收到信號數(shù)據(jù)后可以將數(shù)據(jù)實時或者以固定的時間間隔分批進行傳輸，即可以通過LabVIEW控制面板設(shè)置傳輸以固定時間間隔T、每次傳輸數(shù)據(jù)長度為N的方式進行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采用二進制格式，每個數(shù)據(jù)為4 B的二進制碼依次排列。另外，設(shè)計中又在每個數(shù)據(jù)文件的頭部再加上64 B的字符數(shù)據(jù)，用以記錄時間、經(jīng)緯度等一些必要的信息，這樣兩部分構(gòu)成了實際的數(shù)據(jù)文件。然后，再將每個數(shù)據(jù)文件發(fā)送到網(wǎng)口進行傳輸,傳輸采用TCP/IP協(xié)議。

4 測試與總結(jié)

圖6為應(yīng)用本無線次聲波采集系統(tǒng)在服務(wù)器端用MATLAB繪制的次聲信號時域波形圖。圖中的尖峰表示振動下次聲場產(chǎn)生異常。反復(fù)實驗測試表明本系統(tǒng)可以在噪聲場存在的條件下較好地完成對次聲信號的測量和傳輸，對次聲信號的進一步處理、研究和應(yīng)用都有著重要的意義。

[1]劉俊民,唐偉，王曉明，等.次聲信號產(chǎn)生機理與特性分析[J].環(huán)境工程,2010,28(4):92-96.

[2]夏雅琴,胡爭杰,鄭菲.震前次聲波特征信號研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005,31(5):461-470.

[3]謝金來,陶中達,謝照華.高靈敏度寬頻帶次聲傳感器[J].核電子學(xué)與探測技術(shù),2003,23(5):428-432.

[4]夏雅琴,王微，張斌，等.次聲信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006,32(6):573-576.

[5]孫秋野,柳昂,王云爽.LabVIEW 8.5快速入門與提高[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2009.

圖5 系統(tǒng)總體流程圖

圖6 服務(wù)器終端接收到的次生信號時域圖