張法全，李宗敏，王國(guó)富，葉金才

(1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林541004;2.廣西無(wú)線寬帶通信與信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林541004)

在微震采集系統(tǒng)中，為了能對(duì)微震位置準(zhǔn)確定位，各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)必須同步采集［1］。在設(shè)計(jì)中不但要解決各個(gè)采集終端之間的同步問(wèn)題，也要解決同一個(gè)采集終端不同通道之間的同步問(wèn)題。本文開(kāi)發(fā)了一種基于GPS 與ADS1278 的分布式多通道同步采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以24 bit 八通道同步采樣A/D 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)同一采集終端不同通道之間的同步采集，相比于傳統(tǒng)的頻分復(fù)用或多A/D 同步轉(zhuǎn)換，其結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，同步精度更高［2－3］。不同采集終端之間采用GPS 同步，通過(guò)使用分相法測(cè)量本地秒脈沖信號(hào)和1 pps 信號(hào)的差值，然后通過(guò)PID 算法計(jì)算出誤差控制量，最后調(diào)制恒溫晶振，使本地秒脈沖與1 pps 信號(hào)同步［4－6］。相比于傳統(tǒng)方法，該方法具有同步精度高，實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

分布式多通道數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)主要由信號(hào)調(diào)理模塊、ADS1278 采樣模塊、采集控制模塊、GPS 接收機(jī)模塊、液晶顯示模塊、恒溫晶振模塊、分頻器模塊、DAC 調(diào)理電路模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。系統(tǒng)原理:GPS 接收機(jī)模塊產(chǎn)生時(shí)間信息和定位信息在液晶顯示模塊上進(jìn)行顯示，通過(guò)定位信息可以方便野外勘測(cè)時(shí)信號(hào)采集終端和傳感器的布設(shè)。GPS接收機(jī)模塊還產(chǎn)生1 pps 信號(hào)。恒溫晶振模塊通過(guò)鎖相環(huán)模塊(PLL)將輸出頻率20 MHz 倍頻到200 MHz，然后將信號(hào)分別延遲90°、180°、270°，這樣可以有效地減小計(jì)數(shù)誤差。通過(guò)分頻器將倍頻后的頻率進(jìn)行分頻，得到本地秒脈沖信號(hào)和A/D 同步采集信號(hào)。利用時(shí)鐘分相算法測(cè)量穩(wěn)定1 pps 信號(hào)和本地秒脈沖之間的誤差，用PID 控制算法對(duì)時(shí)間差進(jìn)行處理，得到DAC 頻率偏差控制量。通過(guò)DAC 調(diào)理電路對(duì)恒溫晶振模塊輸出的頻率進(jìn)行微調(diào)，進(jìn)而使穩(wěn)定1 pps 信號(hào)和本地秒脈沖信號(hào)同步，最終使各個(gè)采集終端進(jìn)行高精度同步采集。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 多通道同步數(shù)據(jù)采集

2.1 前端信號(hào)調(diào)理

由于接收到的微震信號(hào)非常微弱，而環(huán)境噪聲和干擾很強(qiáng)，故在AD 輸入端對(duì)微震信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，以濾除電路的環(huán)路噪聲，提高共模抑制比。前端調(diào)理電路如圖2 所示，選用THS4521 作為A/D 的驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)差分方式輸入，以提高信號(hào)的抗干擾能力。由于A/D 差分輸入端對(duì)地的電壓都必須大于0，即

所以，給差分放大器提供2.5 V 的共模電壓，使輸入電壓范圍為－2.5 ～ +2.5 V，2.5 V 的共模電壓由AD1278 的VCOM 端經(jīng)過(guò)跟隨器濾波后提供。為了減小信號(hào)的失真，電路中的元件參數(shù)應(yīng)盡可能地對(duì)稱(chēng)，設(shè)計(jì)中選用誤差為1%的優(yōu)質(zhì)金屬薄膜電阻和Panasonic 公司生產(chǎn)的PPS 薄膜電容。

2.2 A/D 轉(zhuǎn)換電路

設(shè)計(jì)中選用八通道同步采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片ADS1278，其內(nèi)部集成了8 個(gè)并行工作的轉(zhuǎn)換器，每個(gè)通道之間的同步采樣誤差小于500 ps，采樣率可達(dá)144 kS/s，具有非常低的漂移和帶內(nèi)噪聲。ADS1278 可以通過(guò)MODE 選擇高速、高分辨率、低功耗、低速四種模式。具體設(shè)計(jì)電路如圖3 所示，通過(guò)FORMAT 將數(shù)據(jù)輸出格式為SPI 時(shí)分復(fù)用模式?；鶞?zhǔn)電壓使用低噪聲精密基準(zhǔn)芯片REF5025 產(chǎn)生2.5 V 電壓，并經(jīng)過(guò)濾波后輸出提供，提高了基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

圖2 A/D 驅(qū)動(dòng)電路

圖3 八通道A/D 轉(zhuǎn)換電路

3 GPS 時(shí)鐘同步

3.1 時(shí)間差測(cè)量

時(shí)鐘分相是把時(shí)鐘周期的多個(gè)相位加以利用，將一個(gè)周期按相位可分為360°，通過(guò)對(duì)原時(shí)鐘做一定延時(shí)就可以得到不同相位的時(shí)鐘信號(hào)，然后使用原時(shí)鐘信號(hào)和延時(shí)后的時(shí)鐘信號(hào)對(duì)時(shí)間差進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)鎖相環(huán)將20 MHz 的時(shí)鐘信號(hào)倍頻到200 MHz，然后將信號(hào)分別延遲90°，180°，270°，得到時(shí)鐘CLK2，CLK3，CLK4。如圖4 所示，若只用時(shí)鐘CLK1 對(duì)時(shí)間差測(cè)量，可測(cè)得6 個(gè)時(shí)鐘周期，測(cè)量結(jié)果為30 ns，其分辨率為5 ns。采用時(shí)鐘分相算法測(cè)量，4 路時(shí)鐘同時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)共測(cè)得21 個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，即上升沿的個(gè)數(shù)為21 個(gè)，分辨率為1.25 ns，ΔI=26.25 ns，4 級(jí)時(shí)鐘分相算法誤差減少了3.75 ns，分辨率提高了4 倍。

圖4 時(shí)鐘分相算法原理

3.2 PID 算法

PID 算法執(zhí)行過(guò)程為通過(guò)將本地秒脈沖與1 pps 信號(hào)比較，然后得出時(shí)間誤差，并用這個(gè)誤差來(lái)調(diào)節(jié)控制器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)本地秒脈沖與1PPS 信號(hào)同步。

根據(jù)圖5，PID 算法可表達(dá)式為

其中，e(t)為系統(tǒng)偏差，e(t)=r(t)－c(t)，r(t)為期望設(shè)定值，c(t)為實(shí)際輸出值。Kp為增益常數(shù)，Ki為積分系數(shù)，Kd為微分系數(shù)。

圖5 模擬PID 原理框圖

對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)，使用一系列離散的采樣點(diǎn)來(lái)表示連續(xù)時(shí)間，用累加和來(lái)代替積分，用增量代替微分，可以得到數(shù)字PID 控制算法:

式中:e(m)，e(m－1)，e(m－2)分別為當(dāng)前、上次、前次測(cè)量的時(shí)間誤差，Δu(m)為電壓控制量的相對(duì)改變量。PID 控制器在ARM 內(nèi)部完成，ΔT 由FPGA 通過(guò)SPI 接口發(fā)送給ARM，然后通過(guò)該值來(lái)計(jì)算電壓控制量Δu(m)，調(diào)整DAC 輸出電壓值來(lái)控制恒溫晶振的頻率。

3.3 恒溫晶振調(diào)理

DAC 轉(zhuǎn)換電路將轉(zhuǎn)換成電壓值，然后對(duì)恒溫晶振的輸出頻率進(jìn)行微調(diào)。本設(shè)計(jì)選用的恒溫晶振壓控端的控制范圍為0 ～5 V，輸出頻率為20 MHz±10 Hz，中心電壓為2.5 V。如圖6 所示，設(shè)計(jì)中選用20 位的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC1220，采用5 V 電源供電，D/A 輸出電壓范圍為0 ～2.5 V，所以采用放大電路OP1177 將電壓放大到0 ～5 V，使其范圍落在恒溫晶振的有效控制范圍內(nèi)。使用高精度和穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)芯片REF5025 提供2.5 V 的外部參考電壓，然后經(jīng)過(guò)濾波處理后給DAC 提供參考電壓。

圖6 恒溫晶振調(diào)理電路

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于FPGA 和ARM 控制平臺(tái)，設(shè)計(jì)了分布式多通道同步微震信號(hào)采集電路，實(shí)現(xiàn)了時(shí)鐘分相算法和PID 控制算法。在野外進(jìn)行勘測(cè)時(shí)，對(duì)同步時(shí)鐘的精度進(jìn)行測(cè)量，地點(diǎn)選在陜西省府谷縣某礦廠附近進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。使用3 個(gè)終端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，每個(gè)采集終端連接8 個(gè)傳感器。圖7 為其中一個(gè)采集終端采集到的微震信號(hào)的一段波形。圖8 是GPS 同步時(shí)鐘工作1 h 后，2 個(gè)不同采集終端之間的同步采集時(shí)鐘放大后的波形圖，從圖中可以清楚地看到，2 個(gè)不同采集終端之間的同步采集時(shí)鐘精度優(yōu)于150 ns，滿足了微震信號(hào)采集同步采集的要求。

圖7 震動(dòng)信號(hào)采集圖(截圖)

圖8 GPS 有效工作1 小時(shí)(截圖)

5 總結(jié)

針對(duì)微震采集系統(tǒng)中分布在不同位置的采集終端和同一采集端不同通道之間數(shù)據(jù)采集同步的要求，設(shè)計(jì)并且實(shí)現(xiàn)了硬件控制電路和軟件算法。使用ADS1278 八通道同步采集芯片實(shí)現(xiàn)同一采集終端各個(gè)通道之間的同步采集。將穩(wěn)定1 pps信號(hào)和本地秒脈沖利用時(shí)鐘分相算法進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)PID 算法將時(shí)間差轉(zhuǎn)換成DAC 頻率偏差控制量，通過(guò)DAC 調(diào)理電路對(duì)恒溫晶振的輸出頻率進(jìn)行微調(diào)，最終使穩(wěn)定1 pps信號(hào)和本地秒脈沖信號(hào)同步，使各個(gè)采集終端之間能高精度同步工作。

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