郝杰

（西安航空學(xué)院 科技處，陜西 西安 710077）

地震是地球上最大的自然災(zāi)害之一，對(duì)人類的危害極大，如果能觀察到前震活動(dòng)，并以它作為預(yù)報(bào)大震的手段，可以設(shè)法避免或減輕大震造成的傷亡和損失；大震發(fā)生之后，如果能監(jiān)視余震活動(dòng)，可以防止災(zāi)情的加重和擴(kuò)大。掌握前震和余震的活動(dòng)規(guī)律，對(duì)于研究地震預(yù)報(bào)，進(jìn)行防震抗震都有重要的意義[1]。本文正是基于這種考慮，采用模塊化的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的家用地震的預(yù)測(cè)和報(bào)警裝置，也使得本設(shè)計(jì)具有一定的移植性和可擴(kuò)展性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of system

前端信號(hào)處理部分我們對(duì)信號(hào)放大后使用高階低通濾波器進(jìn)行濾波，再經(jīng)頻譜均衡濾波器對(duì)地層衰減進(jìn)行補(bǔ)償，從而還原正確的地震波信號(hào)。單片機(jī)MSP430F2002完成兩方面的功能[2-3]：控制ADS7818采樣時(shí)鐘進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；處理輸入數(shù)據(jù)，控制LED顯示及蜂鳴器報(bào)警。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件主要由前端放大模塊、低通濾波模塊、頻譜均衡濾波模塊[4]、精密峰值檢波模塊、A/D模塊及控制報(bào)警顯示模塊構(gòu)成。首先對(duì)信號(hào)放大后使用高階低通濾波器進(jìn)行濾波，再經(jīng)頻譜均衡濾波器對(duì)地層衰減進(jìn)行補(bǔ)償，還原正確的地震波信號(hào)。單片機(jī)首先控制AD采樣時(shí)鐘進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，控制LED顯示及蜂鳴器報(bào)警。下面將逐一對(duì)各模塊進(jìn)行介紹：

1）放大和濾波電路

在一般信號(hào)的放大應(yīng)用中，通常只要通過(guò)差動(dòng)電路即可滿足要求，然而基本差動(dòng)放大電路精密度較差，且差動(dòng)放大電路中變更放大增益時(shí)，必須調(diào)節(jié)兩個(gè)電阻，使整個(gè)信號(hào)放大精度變的復(fù)雜，而儀表放大電路則無(wú)此缺點(diǎn)。本系統(tǒng)采用具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低功耗等優(yōu)點(diǎn)的AD620儀表放大器進(jìn)行前端信號(hào)的放大處理。其增益計(jì)算方法為：

式中Au表示放大器的增益，R1為反饋電阻，在本電路中取固定值，RG為平衡電阻，選用可調(diào)電阻，這樣放大倍數(shù)Au只需調(diào)節(jié)電阻RG就可設(shè)定。

地震信號(hào)是低頻信號(hào)，它的有效頻率范圍大約在20～300 Hz之間[5]。本系統(tǒng)采用了6階低通濾波。該濾波電路帶內(nèi)增益為12 dB，根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求，調(diào)整電路中的電阻電容參數(shù)，將截止頻率設(shè)置為500 Hz。

2）頻譜均衡濾波電路：

均衡濾波器設(shè)計(jì)框圖如圖2。

圖2 均衡濾波器設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Equalization filter design diagram

根據(jù)某地區(qū)的地震參數(shù)（Vo、β），建立視等厚吸收介質(zhì)模型（單層厚度為 0.5秒，共 6層）[6－7]，其地層吸收衰減特性為：

式中：Dn（f）是第 1～n層的累積吸收衰減量，Vi是第 i層的層速度。

要對(duì)地層的吸收衰減進(jìn)行補(bǔ)償必須在前置放大電路中設(shè)置與地層吸收衰減特性相反的濾波器——均衡濾波器。它的傳遞函數(shù)應(yīng)為：

對(duì)其進(jìn)行麥克勞林展開(kāi)，為了使設(shè)計(jì)的頻譜均衡濾波器的振幅函數(shù)更加接近其展開(kāi)式，相位譜盡量是一簡(jiǎn)單函數(shù)或零相位譜，取麥克勞林展開(kāi)式的偶數(shù)項(xiàng)得：

依據(jù)上式，本設(shè)計(jì)采用6階微分電路的頻譜均衡濾波器，其輸出函數(shù)為：

其中，D12=－為積分系數(shù)，式中為輸入電壓的有效值，根據(jù)地震波的幅值大小，計(jì)算得出積分系數(shù)D12、D34、D56的值分別為0.035 8、0.049 6、0.054 4。設(shè)計(jì)電路原理圖如圖4－a所示，圖中前6個(gè)運(yùn)放采用RC微分電路實(shí)現(xiàn)頻譜均衡濾波功能，通過(guò)電阻R和電容C來(lái)得到積分系數(shù)D12、D34、D56，最后一級(jí)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)放大功能。參考實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)公式算出 c 值分別為 0.035 8、0.049 6、0.054 4；

圖3 頻譜均衡濾波幅頻響應(yīng)Fig.3 Spectrum equilibrium filter amplitude frequency response

根據(jù)上述幅頻響應(yīng)曲線，對(duì)不同頻率波按它們衰減的函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，約提升0.07 dB/Hz，對(duì)主頻200 Hz的補(bǔ)償為12 dB。

3）峰值檢波電路

由于本系統(tǒng)是記錄地震的最大震級(jí)，這要求必須迅速跟蹤，這一功能采用峰值檢波電路來(lái)完成。要求電路能時(shí)刻跟隨地震波的最大振幅。在電路中，當(dāng)輸入大于輸出時(shí)，峰值檢波電路處于跟蹤狀態(tài)，當(dāng)輸入小于輸出時(shí)處于保持狀態(tài)能夠達(dá)到要求的功能。

4）A/D轉(zhuǎn)換電路

由于地震信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍很高，為了達(dá)到一定的分辨率，要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)不能過(guò)少。通常的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將連續(xù)的地震信號(hào)采樣后量化。本系統(tǒng)應(yīng)用ADS7818高精度十二位串行輸出轉(zhuǎn)換器，ADS7818采樣速率CONV=1.54 kHz，SCLK=25 kHz，模擬量的動(dòng)態(tài)范圍為 0～5 V。

5）單片機(jī)系統(tǒng)電路

單片機(jī)系統(tǒng)其軟件控制流程如圖4所示。

圖4 單片機(jī)控制流程Fig.4 MCUcontrol process

3 測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

本設(shè)計(jì)分別對(duì)各單元模塊進(jìn)行了調(diào)試，對(duì)峰值檢波輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，得到系統(tǒng)實(shí)際的幅頻響應(yīng)曲線如圖5所示，與理論得到的曲線對(duì)比可以看出實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)與理論值比較接近，在誤差允許的范圍內(nèi)，本設(shè)計(jì)可以達(dá)到預(yù)期的功能需求。

圖5 幅頻響應(yīng)理論與實(shí)測(cè)性能曲線Fig.5 The amplitude frequency response of theory and measured performance curve

另外，表1對(duì)在典型頻率200 Hz情況下的輸入信號(hào)、檢波輸出、A/D轉(zhuǎn)換的輸出和最終的震級(jí)顯示進(jìn)行了測(cè)試。

表1 （f=200 Hz）Tab.1 （f=200 Hz）

4 結(jié) 論

文中通過(guò)模擬電路結(jié)合TI公司單片機(jī)MSP430進(jìn)行采樣控制的設(shè)計(jì)思路，完成了一種簡(jiǎn)易家用地震報(bào)警儀的設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)電路的性能仿真分析和200 Hz典型地震波數(shù)據(jù)的實(shí)際測(cè)試，對(duì)震動(dòng)強(qiáng)度為10 mv以上的地震波信號(hào)，該裝置可以準(zhǔn)確地報(bào)警并顯示地震的等級(jí)。

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