基于MEMS的無線數(shù)字地震檢波器

1. 引言

近年來，隨著計算機和電子技術的快速發(fā)展，并應用到地震勘探領域，同時也提高了探測技術和數(shù)據(jù)采集技術的水平。在交通領域[1] [2]、建筑領域[3] [4]、海洋領域[5] [6]以及礦山領域[7] [8]普遍存在著地震勘探，對我國甚至世界查找資源、地質(zhì)普查以及安全預報做出卓越貢獻。但是，用于分析地震勘探數(shù)據(jù)的理論和系統(tǒng)雖然已逐漸完善，但是，作為地震勘探中最關鍵的部件，地震檢波器的發(fā)展較慢。目前，在國內(nèi)應用得比較廣泛的地震檢波器種類是模擬地震檢波器[9]，它是運用電磁感應的方式將地震波的振動信號轉(zhuǎn)化為電信號并進行模擬傳輸。它存在精度不高、靈敏度低、頻響范圍小的缺點，滿足不了日益發(fā)展的地震勘探的需要。在數(shù)字地震檢波器的應用方面，國內(nèi)尚處于起步階段，主要由部分大學、檢波器廠家和科研院所在進行相關的研發(fā)，但目前大都處于實驗室研發(fā)階段，還沒有成熟的相關產(chǎn)品大范圍地投入實際應用[10]。由此可見，開發(fā)一種高精度、高靈敏度、寬頻帶穩(wěn)定可靠的地震檢波器勢在必行。

2. 地震檢波器總體設計

2.1. 地震檢波器組成

Figure 1. Block diagram of MEMS-based wireless digital seismic detector

圖1. 基于MEMS的無線數(shù)字地震檢波器結構框圖

基于MEMS的無線數(shù)字地震檢波器由MEMS傳感器板、放大采集板、FPGA控制主板、無線觸發(fā)接收板、無線WIFI模塊板和供電電源電路組成的。它的功能包括接收觸發(fā)信號并感知地震信號，并把此信號進行抗干擾處理后，轉(zhuǎn)換成地震數(shù)字信號，存儲該地震數(shù)字信號，同時可把地震數(shù)字信號以無線WIFI方式傳輸給與之關聯(lián)的地震主機。另外，基于MEMS的無線數(shù)字地震檢波器也可以通過無線WIFI接收地震主機傳來的參數(shù)和命令?；贛EMS的無線數(shù)字地震檢波器組成如圖1所示。

2.2. 地震檢波器設計的難點與對策

基于MEMS無線數(shù)字地震檢波器設計的難點在于：1) 微弱信號的獲?。何⑷跣盘柕椭翈装偌{伏，而干擾信號與之相比要大得多，消除干擾信號尤為重要；2) 低功耗設計：本檢波器野外連續(xù)工作時間長，而供電電池容量有限，必須采用低功耗設計；3) MEMS傳感芯片安裝設計：要保證MEMS傳感芯片獲得高精度微弱信號，必須設計有與該MEMS芯片具有很好的耦合的固定機構；4) 傳感器總體結構設計：合理設計線路板，布置各個部件得當，降低部件及器件間的相互干擾；5) 無線通訊設計：由于本檢波器要求低噪聲、低功耗、高精度和體積的小設計，致使無線傳輸功率比較小，設計時必須對傳輸距離和傳輸速率進行合理平衡。

針對以上難點，應對的方法有：1) 芯片選擇低噪聲，相關信號芯片必須是高精度、低溫漂。設計有去除干擾信號專用電路。電源設計有RC濾波電路；2) 在充分滿足性能和功能的要求下，選擇低功耗芯片和功能模塊，同時也采用低功耗電路設計，保證連續(xù)工作時間超過12小時；3) MEMS傳感芯片耦合結構設計：根據(jù)MEMS傳感芯片形狀大小在外殼內(nèi)底部中心挖一個與該傳感芯片大小相符的方坑，安裝時把傳感芯片緊密嵌入方坑，安裝后使傳感芯片緊密耦合傳感器外殼底部，感知微弱信號；4) 總體結構設計：將傳感器線路板分為三個部分：傳感芯片及模擬信號處理模塊，數(shù)字處理模塊以及無線通訊模塊，做到模擬電路、數(shù)字電路以及通訊高頻電路分開，降低干擾信號。

2.3. 地震檢波器工作原理

首先，本檢波器和關聯(lián)的地震主機聯(lián)機后，接收地震主機傳輸?shù)膮?shù)和命令，在FPGA控制主板的控制下，對放大采集板進行增益、采樣間隔、采樣點數(shù)以及各部件初始化設置，之后進入等待接收無線觸發(fā)接收板傳來的觸發(fā)信號。當接收到觸發(fā)信號時立即啟動采集工作，MEMS傳感器板感知地震信號變?yōu)殡娦盘?，此信號?jīng)過放大采集板的放大、濾波和緩沖放大電路的信號調(diào)理，并在FPGA控制主板的控制下，通過放大采集板24位AD采集電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并存儲，同時利用無線WIFI模塊板把所采集的地震數(shù)據(jù)傳輸給地震主機進行存儲、處理和顯示。

2.4. 地震檢波器的技術指標

Table 1. Technical specifications of MEMS-based wireless digital seismic detector

表1. 基于MEMS無線數(shù)字地震檢波器技術指標

基于MEMS無線數(shù)字地震檢波器整體技術指標如表1所示。

3. 地震檢波器硬件設計

3.1. MEMS傳感器板

MEMS傳感器板核心芯片選擇美國模擬器件公司(ADI)生產(chǎn)的ADXL203加速度芯片，它是一款具有高精度、高靈敏度、低噪聲、低功耗的iMEMS型雙軸加速計，性價比極高，其基本性能完全滿足本檢波器設計的要求。由于ADXL203芯片只有兩軸，滿足不了三軸的要求，現(xiàn)采用兩片ADXL203，通過結構和電路上的合理設計，完全可以滿足三軸的要求，其結構設計示意圖如圖2所示。

Figure 2. Schematic of triaxial detector using two ADXL203 chips

圖2. 兩個ADXL203芯片實現(xiàn)三軸檢波器結構示意圖

在圖2中，MEMS傳感器板由兩塊板組成的，一塊ADXL203板橫向布置，簡稱橫板，另一塊ADXL203板縱向布置，簡稱豎板。其中，橫板規(guī)定為X軸方向、Y軸方向采集信號，豎板規(guī)定為Z軸方向采集信號，這樣就可完成三軸功能。無論是橫板，還是豎板，ADXL203傳感器的基本電路原理圖如圖3所示。

Figure 3. Basic circuit diagram of the ADXL203 sensor board, (a) horizontal board schematic, (b) vertical board schematic

圖3. ADXL203傳感器板基本電路原理圖，(a)橫板原理圖，(b)豎板原圖

3.2. 放大采集板

放大采集板電路包括前置放大電路和A/D采集電路。前置放大電路1的前端是RC差模共模電路，對MEMS傳感器板X軸輸出的振動信號進行抗干擾濾波，后經(jīng)過放大及二階低通濾波進行信號放大濾波后，再經(jīng)過單端轉(zhuǎn)差分濾波匹配電路輸出到AD采集電路1轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲在FPGA控制主板存儲器中。放大采集板電路原理圖如圖4所示。

Figure 4. Basic circuit diagram of the amplification and acquisition board

圖4. 放大采集板基本電路原理圖

在圖4中，放大器選擇美國模擬器件公司(ADI)生產(chǎn)的一款高精度、低噪聲、低失調(diào)以及低功耗的儀表放大器AD8231，增益×1、×2、×4、×8、×16、×32、×64、×128，并可編程控制。采集器選擇美國模擬器件公司(ADI)生產(chǎn)的一款高精度、低噪聲、低功耗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7766，精度24位，采樣率125 KHz。這兩款芯片完全滿足基于MEMS無線數(shù)字地震檢波器設計要求。

3.3. FPGA控制主板

FPGA控制主板核心芯片選擇美國Altera公司生產(chǎn)的CycloneⅣ系列EP4CE22F17C8。主要包括EP4CE22F17C8控制器、FLASH存儲電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換控制接口、放大器增益控制接口、無線觸發(fā)接收板接口、WIFI模塊板接口、電源電路以及3.7 V電池輸入接口，其組成如圖5所示。從圖中可以看出，除了電源部分，其余均由FPGA芯片EP4CE22F17C8控制。

Figure 5. Block diagram of the FPGA control mainboard

圖5. FPGA控制主板基本組成框圖

3.4. 無線觸發(fā)接收板

無線觸發(fā)接收板核心是無線觸發(fā)接收模塊，其接收到的觸發(fā)信號經(jīng)過放大電路、絕對比較電路和觸發(fā)混合信號輸出電路后，F(xiàn)PGA控制主板接收到觸發(fā)信號，啟動采集地震信號。觸發(fā)信號是模擬信號，傳輸極快，從發(fā)出觸發(fā)信號至采集開始這段時間極短，不超過20 uS，這為不同檢波器的同步采集提供至關重要的基礎。無線觸發(fā)接收板基本原理圖如圖6所示。

Figure 6. Basic circuit diagram of the wireless trigger receiver board

圖6. 無線觸發(fā)接收板基本電路原理圖

3.5. 無線WIFI模塊板

Figure 7. Basic circuit diagram of the wireless WIFI module board

圖7. 無線WIFI模塊板基本電路原理圖

無線WIFI模塊板核心是WIFI模塊，完全遵循國際標準的WIFI協(xié)議，在FPGA控制主板的控制下，負責與相關的地震主機進行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率1000 Kbps。無線WIFI模塊基本原理圖如圖7所示。

3.6. 供電電源設計

電源供電部分采用適配器和內(nèi)部電池雙供電，當在野外施工時，適配器不能供電，內(nèi)部電池開始供電。內(nèi)部電池工作時間一般不超過12個小時，電源設計示意圖如圖8所示。

Figure 8. Block diagram of the power supply design

圖8. 供電電源設計框圖

4. 地震檢波器軟件設計

基于MEMS無線數(shù)字地震檢波器軟件設計主要包括初始化程序編程、信號處理程序編程(包括放大增益設置程序和DSP濾波程序)、數(shù)據(jù)采集控制編程、數(shù)據(jù)存取編程(FLASH讀取控制程序)以及無線通訊程序編程。當基于MEMS無線數(shù)字地震檢波器工作時，其整體地震信號數(shù)據(jù)采集控制程序編程框圖如下圖9所示。

Figure 9. Block diagram of the seismic signal data acquisition design

圖9. 地震信號數(shù)據(jù)采集設計框圖

5. 地震檢波器測試

為了驗證設計的基于MEMS無線數(shù)字地震檢波器的性能和功能是否能達到預期要求，進行了室內(nèi)測試(如圖10所示)和野外測試(如圖11所示)來驗證所設計的地震檢波器是否能正確接收到地震波。

Figure 10. Schematic of indoor testing

圖10. 室內(nèi)測試示意圖

Figure 11. Schematic of field experiment

圖11. 野外實驗示意圖

圖12所示是在室內(nèi)用相同大小的震源，分別在距離0.3 m、0.6 m以及0.9 m處的振動試驗得到的時域波形。

Figure 12. Time domain waveform of seismic waves

圖12. 地震波時域波形

從室內(nèi)和室外對本設計的基于MEMS無線數(shù)字地震檢波器測試結果分析，其功能和性能滿足設計的要求。

6. 結論

本文詳細介紹并設計了一款基于MEMS無線數(shù)字地震檢波器的硬件設計與實現(xiàn)，系統(tǒng)主要包括MEMS傳感器板、放大采集板、傳感器主板、無線觸發(fā)接收板、無線WIFI模塊板和供電電源設計等部分。設計的關鍵技術點如下：

1) 微弱信號獲取：ADXL203傳感器能夠感知微弱的地震波并輸出低至1 μV的信號，因此在設計過程中，信號的獲取和干擾的排除成為主要挑戰(zhàn)。通過優(yōu)化芯片選型、線路板的合理設計和合理的擺放結構，提高了信號的準確性和可靠性。

2) 低功耗設計：為實現(xiàn)電池供電12小時持續(xù)工作，系統(tǒng)采用了低功耗設計策略。AD8231儀表放大器、AD8476緩沖放大器和AD7766模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇，不僅保證了高精度、低噪聲和低功耗，還在不同環(huán)境下具備穩(wěn)定的性能表現(xiàn)。

3) 高精度和高靈敏度：系統(tǒng)采用高精度放大器和24位高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)了對微弱地震波信號的準確捕捉和數(shù)字化處理。這樣設計確保了信號的高靈敏度和數(shù)據(jù)采集的高效率。

4) 無線通訊：利用WIFI模塊進行信號的無線傳輸，增強了系統(tǒng)的便攜性和實用性，適應了現(xiàn)代地震勘探的需求。

綜上所述，本系統(tǒng)針對現(xiàn)代地震勘探中對高精度、高靈敏度和低功耗的需求，設計并實現(xiàn)了一套基于MEMS無線數(shù)字地震檢波器。其創(chuàng)新點在于解決了微弱信號的獲取與傳輸、低功耗設計及高效無線通訊等技術難題，具有廣泛的應用前景。

NOTES

*通訊作者。