毕业设计（论文）工程地震仪数据采集与传输系统的研制

1、工程地震仪数据采集与传输系统的研制作者姓名专业:信息工程(电子方向)2003050107 指导教师: 摘 要地震勘探仪器是集传感技术、电子技术、计算机技术、数据传输技术、通讯技术等为一体的综合系统。工程地震勘探主要用于解决矿山、铁路、建筑等各种工程地质问题。随着工程勘探的不断深入，勘探环境日益复杂，由此带来数据采集、数据传输等问题。论文针对数据采集和传输环节相关技术进行研究，其主要内容包括：(1) 分析目前工程地震仪存在的问题和不足，提出研究方向和思路；(2) 数据采集部分采用24位a/d转换器，设计了其外围接口电路；(3) 采用nrf无线收发集成芯片设计数据传输单元，实现工程地震数据的无线传

2、输；(4) 完成了工程地震数据采集和数据传输的系统调试。上述研究成果，对于便携式工程地震仪的研制打下坚实基础。一些技术还可应用于其他信号采集和信号处理领域。关键词：工程地震仪，数据采集，数据传输，便携式。development of the data acquisition & transmission system of the engineering seismographabstract：the seismic exploration instrument is a system including sensor technology, electronic technology, co

3、mputer technology, data transmission, communication technology. the engineering seismic survey is mainly aimed to solve the engineering geological problem such as mine, railway and architecture. as the advance of engineering seismic survey, the circumstance of the exploration is more and more comple

4、x. the problem is that there is a great amount of data which needs to be acquired and transferred. the research is on the interrelated technology concerned with data acquisition and transmission. the main contents are as followings.(1) the problem and lack of the engineering seismic instrument at pr

5、esent are analyzed and research ways are put forward;(2) the signal sampling element adopts the 24bits analog to digital converter and the peripheral interface circuit is designed;(3) the data transmission element adopts the nrf single chip transceiver and realizes the wireless transmission of the e

6、ngineering seismic data;(4) the debugging of the engineering seismic data gathering and transfer system has completed.the above research achievements have established the basis of the portable engineering seismic instrument and some of the above research could be applied not only in engineering seis

7、mic exploration but also in related signal exploration and communication area. keywords: engineering seismic instrument，signal acquisition, signal transmission, portable.目 录第1章 引 言11.1 课题研究意义11.2 国内外发展现状21.3 仪器功能特点31.4 研究内容及方法41.4.1 目前工程地震仪存在的问题41.4.2 本论文研究内容及方法41.5 论文结构安排4第2章 系统方案设计62.1 系统总体方案62.2

8、地震检波器简介72.2.1 动圈式地震检波器72.2.2 压电式检波器72.2.3 涡流地震检波器72.3 数据采集方案82.4 数据传输方案9第3章 数据采集单元设计103.1 -模数转换技术103.1.1 过采样技术103.1.2 数字滤波及采样抽取技术123.1.3 转换器结构特点概述123.2 a/d转换器ads1271简介143.2.1 ads1271特点与工作方式143.2.2 ads1271数据输出模式163.3 a/d采集硬件电路设计183.3.1 单元硬件方框图183.3.2 参考基准电压设计193.3.3 输入信号调理电路设计193.3.4 系统时钟设计20第4章 无线数据

9、传输单元设计214.1 传输方式比较214.1.1 现有传输方式概述214.1.2 无线数据传输的提出224.2 nrf系列芯片简介224.2.1 nrf芯片技术特点224.2.2 基于nrf系列芯片的实验性能比较234.2.3 nrf905电路结构与工作原理234.3 无线数据传输硬件电路设计25第5章 软件设计实现265.1 软件开发环境avr studio265.2 avr studio开发流程265.3 ads1271数据采集软件设计305.4 nrf905无线传输软件设计31第6章 实际测试366.1 ads1271数据采集测试366.2 nrf905数据传输测试376.3 时钟同步

10、测试40结 论41致 谢42参考文献43第1章 前 言1.1 课题研究意义地震勘探是地球物理勘探中重要的方法之一，与其他物探方法相比，其优点是精度高、分辨率高、穿透深度大，对有弹性差异的成层性好的地质体特别有效，因而广泛应用于石油、天然气、煤田、盐岩矿床的勘探，并取得了极大的成效；其次在寻找地下水资源、建设大型建筑物、水坝、公路铁路、港口等工程勘测和地壳探测中也起重要作用7。在地震勘探中，根据探测对象和应用目的的不同，分为浅层地震勘探和中、深层地震勘探。浅层地震勘探常被用于进行“水、工、环”(水文、工程与环境)地质调查，而主要用于解决诸如工程地质填图、建筑、水利、电力、矿山、铁路、公路、桥梁、

11、港口、机场等各种工程地质问题，因此被称为工程地震勘探2。地震勘探最早出现于20世纪20年代，当时利用折射波法找到了大量浅的盐丘，从30年代起，折射波法和反射波法应用于找煤和寻找石油、天然气；二战后，随着工程建设项目的大量兴起，地震勘探在土木工程、矿山工程、交通工程以及其他工程地质中得到应用和发展。70年代后期，浅层地震勘探已广泛应用于水利工程建设、工业建设、道路建设和民用建设等各个部门13。80年代以来，我国民用建筑事业得到了飞速发展2。高层建筑、高速公路、地下铁道以及桥梁、机场、水坝、核电站等种类繁多的高标准工程建设项目日益增多。正是由于这些工程建设的需要，浅层地震方法技术得到了迅速发展。出

12、现了许多新的勘探技术和方法。例如：纵横波速测试技术(ps波测井)，而波频谱法(瑞雷波勘探)，地震波ct技术，桩基测试技术，垂直地震剖而法，微动观测等。这类方法由浅震勘探发展而来，不要求更多道数。浅震勘探折射波法、反射波法、透过波法常用通道数为24、48、96道勘探。而浅震的这些新方法新技术所需道数通常为1(桩基测试)，3(纵横波速测量，地脉动观测)，6-12(瑞雷波勘探)。这就为更少道数，更小体积的工程地震仪提供了发展空间。本课题组针对这种需求提出开发一种基于pc机的工程地震仪系统，实现浅层地震波的大动态范围、高精度采集、显示、存储和处理。力求在技术指标上相对国内目前水平有一个较大的提高，基本

13、上达到国际研究水平。该课题的实现势必对我国浅层地震勘探的发展产生积极影响，对于推动相关领域的技术进步带来积极意义。1.2 国内外发展现状地震勘探仪器发展到现在，已经有五六十年的历史，经历了五代的变化。它们依次是：模拟光点记录地震仪、模拟磁带记录地震仪、数字磁带地震仪、早期遥测地震仪、24位遥测地震仪，现在已开始进入全数字遥测地震仪时代15811。国际上对地震勘测仪器的研究主要集中在多道，高精度，高速等几个方面。在多道方面由于采用遥测技术，其测试通道大大提高，目前已经达到4096道的水平，正向万道的目标迈进。在精度方面受限于电子技术，还是停留在24bit的水平上，但是其系统分辨率有较大的提高。在

14、高速采集领域，已经达到10us的采样速度。国内除了遥测系统有较大的差距外，其余部分也基本与国际水平同步。目前，国内外各个探区都以24位adc仪器作为绝对主体。生产仪器的厂家主要有：法国的ser-cei 公司、美国的i/0(input/output)公司、加拿大的geo-x公司；另外还有美国的seismic instrument、fairfiei d、geom etrics、terrai oc、日本的jgi和oyo公司、英国的verbitch以及德国的dmt等公司。由于制造工艺好、采用技术先进，其各项性能指标、稳定性和可靠性得到了很大的提高；瞬时动态范围达到120db，等效输入噪声在l ms采样

15、和0db增益时小于1600 nvrms。畸变指标达到0.00010.003。系统规模(如道能力)和软/硬件功能更为强大，而体积更小、使用更为方便。目前，国内外地震勘探领域使用的仪器几乎由sercel、i/o和ge0x三家大公司所垄断2427。使用的工程地震仪主要有美国geometries公司的rs和风系列地震仪，德国sumit公司dmt地震仪，以及国内重庆地质仪器厂、西安地质仪器厂生产的地震仪，水电科研所的sws系列面波仪和geopen公司的地震仪。表1-1 各代地震勘探仪器数据传输状态对比地震仪器时代地震仪器名称核心技术与器件传感器（检波器）信号输出小线信号传输大线信号传输主机系统记录第一代

16、模拟光点记录地震仪仪电子管、分立元器件、全模拟信号并行传输模拟输出模拟传输模拟传输模拟记录第二代模拟磁带记录地震仪电子管、分立元器件、全模拟信号并行传输模拟输出模拟传输模拟传输模拟记录第三代数字磁带记录地震仪集成电路逻辑控制技术模拟传输，数字记录模拟输出模拟传输模拟传输数字记录第四代早期遥测地震仪分布式结构，微型机控制技术模拟输出模拟传输数字传输数字记录第五代24位遥测地震仪24位技术，网络遥测技术模拟输出模拟传输数字传输数字记录第六代全数字遥测地震仪mems技术，全数字传输与记录数字输出数字传输数字传输数字记录1.3 仪器功能特点工程地震仪，即浅层地震仪，又称为弹性波测量仪。浅层地震勘探具有

17、工作面积小，勘探深度浅(数百米)，探测对象规模小及浅部各种干扰因素复杂等特点。因此，对仪器设备各方面都提出了相应的要求:l 具有高放大倍数的性能；l 具有大动态范围；l 具有合适的频带宽度；l 具有较高的分辨率；l 具有较高的信噪比；l 具有信号增强的功能；l 具有轻便、工作效率高的优点。本仪器主要完成数据采集、简单处理、存储功能，要求在保持参数尽可能高的情况下，尽可能提高仪器的集成度，提高处理速度，降低重量，以适应野外小规模场合现场应用。主要针对浅层地震勘探方法中的新方法、新技术如：面波勘探，桩基完整性检测，常时微动观测，地震映像法勘探，振动监测，弹性波ct层析成像，在工程勘察中的应用。1.

18、4 研究内容及方法1.4.1 目前工程地震仪存在的问题l 国内采集系统虽然都采用的是24bit的adc，但是在输出结果上有较大的误差，数据杂散范围为500600个lsb（最低有效位），这严重降低了系统的分辨率。l 国内对遥测系统也进行了一定的研究，但是多数是基于gps进行时间同步，而且没有成功的仪器推出。gps的时间同步精度理论上优于1us，但是gps接受机成本太高，并且实际同步精度也不能满足系统的要求。1.4.2 本论文研究内容及方法由上，本论文提出了针对浅层地震勘探，进行了新方法、新技术的研究，主要对以上两个问题进行技术研究：l 采用先进的技术和完整的系统噪声控制，提高系统的有效分辨率，把

19、系统噪声控制在400个lsb以内。l 采用nrf系列芯片进行近距离（200米内）无线数据传输，采用主机和从机相结合的模式提高系统无线时钟同步的精度，使其能达到0.5us的同步精度，以满足地震仪采集系统的要求。针对以上两点，主要完成以下内容的设计开发：l 基于atmega32l的adc控制器的设计和开发；l 基于atmega32l的nrf905无线数据传输单元的设计和开发；l adc前端信号调理电路的设计和开发；l adc基准参考电压源的设计和开发；l 系统时钟的设计和开发；l 数据采集、无线数据传输实验调试；l 系统时钟同步研究。1.5 论文结构安排本文主要分为6章进行叙述：第一章，引言。主要

20、针对课题的研究意义、国内外发展的现状进行对比，对国内外相关文献进行了综合论述，提出了课题研究的内容、研究方法，以及预期的成果。第二章，系统方案设计。主要对课题的总体设计方案进行了整体论述，补充论述了地震检波器的相关知识，提出了论文研究的内容，即地震数据采集和数据传输的设计方案。第三章，数据采集单元设计。主要针对数据采集部分进行了详细论述，简要介绍了模数转换技术基本知识，说明了论文采用的ads1271芯片的结构特点、工作方式，重点对adc采集的硬件电路设计进行了详细论述，阐明了其设计思想。第四章，无线数据传输单元设计。对地震数据传输方式进行了比较，提出了无线传输的必要性。论文选用了nrf系列芯片

21、实现无线传输，对其进行了详细的说明，并设计了无线传输模块的硬件电路。第五章，软件设计实现。简要介绍了软件开发环境avr studio的开发流程，针对数据采集和数据传输进行了模块化的软件设计实现，论文说明了关键代码的含义。第六章，实际测试。主要对论文研究的地震数据采集、数据传输模块进行了实际测试，得出了测试结果图，对后续工作提出了改进性意见。第2章 系统方案设计2.1 系统总体方案adcmcunrf-sendmcunrf-receivepc数据采集系统（data-acquisition system）数据传输系统（data-transmission system）系 统 电 源根据本课题的实际要

22、求，查阅了大量相关文献资料，进行了项目的前期调研工作，对国内外相关领域的发展现状和形势进行了必要的分析。最终提出了以mcu为核心的设计方案。经过论证考查，得出了整体方案可行性的结论。系统整体硬件原理框图如图2-1所示。图2-1 系统总体设计原理框图由图中可以看出，数据采集系统主要由mcu控制一个24位的adc对地震波信号进行采样，转换之后的数字信号通过无线发射器nrf-send进行向主机部分的无线传输。数据传输系统包括数据的无线发送和本地的无线接收。由图中知道，mcu控制无线接收器nrf-receive进行数据的接收，最后通过串口通信接口协议完成与上位机的通信，最终的信号处理部分也在上位机pc

23、上通过软件编程实现。采用全新的设计方法全面降低系统的噪声，同时参考基准电压为adc提供高质量稳定直流参考，共同保证adc的有效分辨率。数据传输部分采用专用无线数据传输模块nrf实现。整个设计采用微控制器mcu作为系统控制中心，程序开发主要包括adc芯片的时序控制和数据接收、无线通信模块nrf的数据收发控制以及数据包的编码、打包、解码等。2.2 地震检波器简介在介绍数据采集方案之前，这里有必要介绍一下地震波信号的拾取关键部分检波器。论文对检波器部分没有设计，直接采用了市场现有的成品进行利用，缩短了开发周期。检波器是安置在地面、水中或井下以拾取地振动时信号的地震探测器或接收器，它实质是将机械振动转

24、换为电信号的一种传感器。现代地震检波器几乎完全是动圈电磁式（用于陆地工作）和压电式（用于海洋和沼泽工作）的。这里简要介绍接收纵波的垂直检波器4。2.2.1 动圈式地震检波器这类检波器的结构主要包括弹簧、线圈架、线圈、永久磁铁，其机电转换通过线圈对磁铁往复运动而实现。线圈及线枢由一个弹簧系统支撑在永久磁铁的磁极间隙内，组成一个振动系统。当线圈在磁极间隙中运动时线圈切割磁力线，同时在线圈两端产生感应电势，感应电势的大小与线圈切割磁通量的速度成正比。因此，动圈式检波器也称为速度检波器。大地作垂向运动时，磁铁随之运动，但线圈由于惯性而趋于保持固定，使线圈和磁场之间有相对运动。对于水平的运动，线圈相对于

25、磁铁是不动的，所以，这种检波器的输出为零。而对于接收水平振动的横波检波器而言，垂直振动的信号输出为零，其工作原理与垂直检波器相同4。2.2.2 压电式检波器这种检波器一般用于水下一定深度接收地震波，它是用压电晶体或类似的陶瓷活化元件作为压力传感元件，当这类物质受到物理形变时（如水压力变化），它们产生一个与瞬时水压（和地震信号有关）成正比的电压。因此，这种检波器称作压力检波器或水下检波器。还有一种压力检波器通常安置在注满油的塑料软管内，油的作用是将水的压力变化传给检波器内的敏感元件。这类检波器包在海洋电缆（称拖缆）内4。2.2.3 涡流地震检波器这是日本oyo公司1984年研制成的一种新型检波器

26、。它是利用惯性部件和固定在机壳里的永久磁场作相对运动产生涡流，涡流又使固定在机壳里的线圈感应出电流的原理而制成。一个固定的圆柱形磁铁沿中央轴安装在机壳内，线圈固定地绕在永久磁铁的外面，非磁性可运动的铜制套筒由弹簧悬挂在磁铁和线圈之间构成惯性部件。当机壳被地震振动驱动时，固定在机壳里的永久磁铁和机壳一起运动，但由于弹簧悬挂着的铜制套筒因其惯性而滞后运动，于是，永久磁场和铜制套筒之间的相对运动在套筒中形成涡流，涡流的变化率引起变化的此生磁场，变化的磁场在固定的线圈中产生电动势而输出电压4。2.3 数据采集方案早期地震仪(常规数字地震仪和遥测地震仪)采用图2-2所示的结构，主模拟通道由瞬时浮点放大器

27、(ifpa)加1216位a/d转换器组成，通过多路转换开关分时将各道模拟信号转换成浮点二进制数表示的子样数据3。通过引进瞬时浮点放大器扩大了系统的记录动态范围，成功地解决了短字长表示大动态范围的技术问题。但由于多路开关的速度限制了采样速率的进一步提高，而浮点放大器和多路开关的引进又加大了系统噪声，使得系统信噪比难以提高；同时系统复杂、体积大、阻容元件多都成了这种结构的劣势20。图2-2 早期数字地震仪数据采集结构当前，常规数字地震仪和遥测地震仪都引进了结构的24位a/d转换技术，只保留了前端放大(有的加入模拟滤波)和a/d两部分。24位a/d技术的引进极大地改善了瞬时动态范围、信噪比、谐波失真

28、等性能，同时很大程度地降低了系统的复杂度，使得系统阻容元件减少了99%7，集成度提高了99.9%。鉴于这些因素，考虑到提高性能和减小体积，本设计也采用这种技术，芯片选用美国德州仪器公司（ti）的ads1271，采集模块结构如图2-3。由地震检波器出来的信号首先送到信号调理电路进行信号的变换，其调理电路主要包括：前置放大器、单转差分信号电路。adc芯片接收来自信号调理电路输入的差分信号，在mcu的控制下进行模数转换。vref电路为其提供参考电压基准。这里，我们将数据传输系统部分分别放到采集和主机系统中进行说明。如图2-3中所示，在mcu的控制下，无线数据发送器将adc转换后的数字码序列通过频道进

29、行发送，实现地震仪与主机之间的无线数据传输。图2-3 地震信号采集系统无线数据发送2.4 数据传输方案图2-4所示为主机系统部分，论文主要设计了无线数据接收部分。mcu与pc机之间的通信接口以及pc机中的地震波显示界面、处理软件部分由课题组完成。图2-4 数据传输系统原理框图第3章 数据采集单元设计3.1 -模数转换技术传统a/d转换器采用pcm(脉码调制)技术，利用成百上千个高度协调组织的比较器组成电路，实现模拟信号数字化。在实现大于16比特的a/d时，遇到极大的困难，因其性能难以保证和代价过高以及难以与数字电路实现单片集成，而不适应vlsi技术的发展20。近年来模数转换器正以其分辨率高、线

30、性度好、成本低等特点得到越来越广泛的应用，特别是在既有模拟又有数字的混合信号处理场合更是如此。过采样a/d变换器由于采用了过采样技术和调制技术，增加了系统中数字电路的比例，减少了模拟电路的比例，并且易于与数字系统实现单片集成，因而能够以较低的成本实现高精度的a/d变换器，适应了vlsi技术发展的要求。过采样变换技术采用了过采样技术、调制技术和数字抽取滤波技术。过采样技术使得量化噪声功率平均分配到更宽的频带范围中，从而降低了基带内的量化噪声功率。adc以很低的采样分辨率(1位)和很高的采样速率将模拟信号数字化，通过使用过采样、噪声整形和数字滤波等方法增加有效分辨率，然后对adc输出进行采样抽取处

31、理以降低有效采样速率。adc的电路结构是由非常简单的模拟电路(一个比较器、一个开关、一个或几个积分器及模拟求和电路)和十分复杂的数字信号处理电路构成。3.1.1 过采样技术模拟信号经采样后要量化并编码，由于不能精确地用数码来表示信号而产生的误差可以看作是一种噪声20。图3-1示出对连续信号x量化的简单例子，图中量化间距为2，当被量化信号不饱和时，即-6x+6时，量化误差是与信号不相关的随机噪声，其值在/2之间变化，并以相同的概率落在/2范围内的任何位置。图32示出了模拟信号通过低通滤波后，以奈奎斯特频率f=1/采样量化的噪声分布图，采样后所有噪声谱折叠在0-f s/2频带内，呈均匀分布。图3-

32、1 连续信号量化示意图图3-2 量化噪声分布图过采样技术(oversample)就是以高出奈奎斯特频率(fs)很多倍的方法对模拟信号进行采样量化，设过采样频率为fos，称osr=fos/fs为过采样率。以频率fs=rfs对信号进行相同比特位数的采样量化(r1)，由于量化比特数m未变，则量化噪声功率也不变。但这时量化噪声均匀分布在orfs/2频带内，其功率降为原来的1/r，高于信号频带的噪声可以用低通滤波器滤掉。进而达到了降低量化噪声，提高有效分辨位的目的。在采样值量化时，若采用m比特编码，易知过采样之后的噪声功率为n2/r，过采样系统内的最大信噪比为 (3-1)由公式3-1可知，采样频率每提高

33、一信时，信噪比提高3db，换言之，相当于量化比特数提高0.5比特。所以，通过提高过采样率可以提高a/d的有效分辨位，但需要通过数字低通滤波器滤除高频噪声。3.1.2 数字滤波及采样抽取技术a/d转换器后端设有数字抽取滤波器，具有低通滤波和数字抽取(又称分样或重采样)的双重功能20。其功效有三:一是滤除经噪声整形后的高频段噪声，二是滤除奈奎斯特频率(重采样频率)以上的频率分量，防止由于数字抽取所产生的混叠失真。三是进行数字抽取和滤波运算，减少数据率，将1位数字信号转换为高位数字信号输出。为了保证输入信号的波形不失真，要求滤波器具有很好的相位特性:同时为了保证a/d转换精度的要求，滤波器还必须有很

34、好的幅度特性。为此，a/d转换器的低通滤波器，一般都选用具有线性相位特性的fir滤波器。降低输出数据速率的方法是通过对每输出m个数据抽取1个的数字重采样的方法来实现的，这种方法称作输出速率降为1/m的采样抽取(decimation)。这种采样抽取方法不会使信号产生任何损失，它实际上是去除过采样过程中产生的多余信号的一种方法。数字抽取滤波器的原理框图如图3-3所示。图3-3 数字抽取滤波器结构图3.1.3 -转换器结构特点概述转换器拥有非常高的分辨率，可理想的用于转换极宽频率范围（从直流到好几个mhz）的信号。在adc中，输入信号先要通过一个调制器实现过采样（oversample），而后由数字滤

35、波器所产生的、采样率较低的高分辨率数据流完成滤波及抽取(decimate)。的架构模式允许牺牲分辨率来换取速度，或同时折中取速度及功耗。正式数据率、分辨率、功耗三者之间密切且不间断的联系，使得转换器格外的灵活。在很多转换器中，分辨率是可编程设定的，从而使单个器件能满足多个不同度量的需求。转换器对输入过采样，因而能在数字域完成大多数的反锯齿滤波。现代的超大型集成电路设计技术已经使得复杂数字滤波器的成本远低于同等的模拟滤波器。原来不同寻常的某些功能，诸如50hz及60hz的带阻滤波，现在已经内置到很多的adc之中。转换器的运作有别于逐次逼近型（sar）转换器。sar转换器获得输入电压的一个“映像s

36、napshot”，通过对“映像”的分析决定响应的数字代码。而测量的是一段确定时间的输入信号，其输出响应的数字代码是根据信号的时间平均得来的。对多个转换器的同步并不困难，因此很容易实现多个转换器的同时刻采样，而比较困难的是实现转换器与外部事件的同步。转换器还对系统时钟抖动（clock jitter）有极高的抵抗能力。其过采样功能有效的平均了抖动，降低了其噪声影响。许多转换器包含了输入缓冲器及可编程增益放大器(pga)。输入缓冲器增加了输入阻抗，允许直接连接高源阻抗的信号。可编程增益放大器增加了测量小信号时转换器的精确度。桥接式传感器就是在转换器中利用了pga优势的信号源的典型实例。所有的adc都

37、需要一个基准，对于高分辨率的转换器来说，拥有一个低噪声、低漂移的基准至关重要。大多数转换器都采用了差分基准输入。图3-4就是型adc的内部结构图。图3-4 型adc的内部结构图3.2 -a/d转换器ads1271简介3.2.1 ads1271特点与工作方式德州仪器(ti)推出业界最高带宽的工业用24 位模数转换器(adc)，实现了dc精度与ac性能的突破性结合29。传统上讲，漂移性能较高的工业用adc 采用具有较大通带下滑（droop）的数字滤波器，这就导致信号带宽有限，大多数适用于dc测量。音频应用的高分辨率adc能够提供更大的可用带宽，但偏移和漂移规范则比工业用adc差得多（常常无规范）。

38、ti 利用其在高精度工业与高性能音频数据转换领域的专业技能开发了全新类型的数据转换器，实现了无与伦比的精度与速度。这种具有突破性的数据转换器为客户提供了ac和dc的最佳性能组合，使客户能够实现难以企及的应用性能。高阶、斩波稳定型调制器利用专有设计技术，实现了非常低的偏移和通带噪声。板载的专用线性相位抽取滤波器抑制了调制器的通带外噪声，实现了90% 尼奎斯特速率的信号带通，而波纹还不足0.005db。1.其主要性能指标有：l 具有24位转换精度，105ksps 数据速率；l ac交流特性：51khz带宽，总谐波失真105db；l dc直流特性：1.8v/偏移点漂移，2ppm/增益漂移；l 可选的

39、工作模式：高速模式105ksps，高精度模式109db snr（信噪比），低功耗模式35mw；l 集成数字滤波：线性相位响应，通带纹波0.005db；l 内部偏移校准，引脚控制简单，可选的调制器输出；l 可选的spi和帧同步串行数据接口；l 模拟供电电源5v，数字供电电源1.83.3v。图3-5（a）（b）是ads1271的内部结构框图和管脚图，其管脚定义如下：ainp、ainn：分别为模拟信号差分输入正、负端；agnd、avdd：分别为模拟地、模拟电源；mode：模式选择控制输入端，有高速、高精度、低电压模式可选；format：数据接口方式选择端，有spi模式、帧同步、调制器输出模式（ads

40、1271b仅有）；sync/pdwn:同步或低电压模式控制脚，低电平有效；din、dout：数据输入、输出端；drdy/fsync：当format=0（spi模式）时，为数据转换结束，低电平有效；当format=1(帧同步模式)时，为帧同步输入端；sclk：读取adc转换数据串行移位时钟；clk：adc主时钟；dvdd、dgnd：数字电源、数字地；vrefp、vrefn：参考基准电压差分输入正、负端。图3-5(a) ads1271内部结构图图3-5(b) ads1271引脚图2.工作模式ads1271具有三种可选的工作模式：高速、高精度、低功耗。可实现速度（105ksps的数据速率）、分辨率

41、(109db snr) 以及功耗 (40mw) 的优化。三种模式性能比较如表3-1所示29：表3-1 三种模式性能比较modedata rate(sps)passband(hz)snr(db)noise(uvrms)power(mw)high-speed105,46947,7771069.092high-resolution52,73423,8891096.590low-power52,73423,8691069.0353.2.2 ads1271数据输出模式可选帧同步或spi串行接口能够提供至微控制器的方便连接。所有操作（包括内部偏移校验）都由引脚直接控制，不必对寄存器进行编程。l spi模式

42、（spi format）：图3-6 spi模式时序图由图3-6可以看出，mcu在检测到drdy的下降沿立即启动spi总线，在sclk时钟下进行dout数据输出，数据在sclk的上升沿被采样，下降沿被锁存输出。数据格式是高位在前，为bit23bit0，其中bit23是符号位，1表示负，0表正。l 帧同步模式（frame-sync format）：图3-7 帧同步模式时序图由图3-7可以看出，通过mcu给引脚drdy/fsync发送帧同步信号fsync,同时启动总线时钟sclk,数据从dout脚输出，同样在sclk的上升沿被采样，下降沿锁存输出。数据格式是高位在前，为bit23bit0，其中bit

43、23是符号位，1表示负，0表正。l 数据输出格式ads1271提供两种补偿输出24bit数据，即最高位为符号位，1表示负，0表示正。当正极性满刻度输入时，输出数据7fffffh（即0111，1111，1111，1111，1111，1111b）；而负极性满刻度输入时，输出数据800000h（即1000，0000，0000，0000，0000，0000b）；当输出信号超过满刻度值时（即vinvref或vinvref）输出数据将被钳住在7fffffh或800000h。表3-2是其理想状态下不同输入信号对应的输出数据值29。表3-2 理想情况数据输出值这里选用其spi模式，直接与atmega32l的s

44、pi接口相连。3.3 a/d采集硬件电路设计3.3.1 单元硬件方框图经过认真分析ads1271的数据手册和ti公司提供的典型应用笔记，论文对数据采集进行了方案论证。针对ads1271全差分的特点（输入信号全差分、参考电压基准全差分），论文对其外围电路进行了全面的设计。其原理框图如图3-8所示：图3-8 ads1271数据采集原理框图首先我们对输入信号进行了前级预处理，主要有前置放大器、差分驱动器设计，使输入给adc的信号为全差分；参考电压基准上采用了基准稳压芯片输出2.5v，接着进行了参考输入的缓冲处理，最大程度上减小后级对参考的影响；由于ads1271需外接时钟，这里设计了外部时钟产生单元

45、；逻辑接口部分包括ads1271的逻辑控制脚，用以实现对其工作模式、数据输出格式进行控制；数据接口部分采用spi与mcu接口。3.3.2 参考基准电压设计图3-9 参考基准电压设计实际电路图采用了adr441电压基准芯片，具有极低噪声（1.2vpp）31。其输出电压为2.5v，后经过两个100电阻分压得到1.25v电压输出。后级采用了容性负载以避免其输出振荡。在缓冲上采用opa2277运放，为了减小共模噪声，采用了两路运放同相放大后差分的方式。图3-9上面一路进行3倍放大，即输出vrefp3.75v，下面一路采用跟随输出，即输出vrefn1.25v，最后进行电容网络滤波处理，得到差分参考电压输

46、出为vrefverfpvrefn3.751.252.5v，以满足ads1271差分参考输入的要求。3.3.3 输入信号调理电路设计图3-10 输入信号调理实际电路图为了满足后端ads1271的结构要求，设计了输入信号调理电路。前级采用了ina163进行了前放，其1k，根据ina163的内部电路结构，计算其放大倍数为，这里g7。对ina163的ref端进行了跟随设计（opa2277），隔离地上的噪声。对ina163输出信号进行单转差分设计，采用了ad8131进行全差分输出。ad8131固定放大2倍，不需要另外加反馈电阻，减小增益误差。结合前级，总的增益放大为7*214倍。3.3.4 系统时钟设计

47、针对ads1271、nrf905、mcu时钟需求，进行了时钟集中设计。采用16mhz有源晶体振荡器产生基准，后加运放缓冲处理。主要有三种时钟输出：l 通过74h74进行2分频得到8mhz供给单片机atmega32l；l 通过74hc125缓冲处理得到16mhz供给ads1271、nrf905。其实际硬件电路如图3-11所示：图3-11 时钟硬件电路图第4章 无线数据传输单元设计4.1 传输方式比较4.1.1 现有传输方式概述地震勘探是通过人工激发震源形成人造地震，利用所产生的一定频率范围的地震波向地层深处传播，此地震波到达地下不同波阻抗的岩性界面形成的反射波回传到地表面，被插入地表面的振动传感

48、器检测到并送入有关存贮部件记录下来，再经过信号处理，最后得到能够提供各种地质任务所需的地质构造图和相关资料。随着技术的进步，也为了对地下地质结构有更准确完整的了解，所使用的检波器数量不断增加，检波器的覆盖面越来越大，目前己经达到成千上万个检波器同时使用。如何将这些检波器所采集的数据集中起来并传到地震勘探车主机系统中，不仅会影响数据接收的质量，也影响到勘探现场施工的速度、效率、人力物力资源的利用和生产成本，成为地震勘探中人们日益关切的一个重要问题。从本章起将开始研究如何进行对检波器输出数据的收集，重点集中在数据传输方面19。对地震勘探数据的传输分为有线传输、无线传输和混合传输三种方式19。在模拟

49、传输方式中，将模拟检波器输出的信号通过多芯电缆传到地震测量仪中，由于传输电缆易受环境电磁信号的干扰，这种传输方式的传输距离通常较近，且被限定在电磁干扰较小的地方。这种方式的特点是各检波器的模拟信号被集中在地震测量仪中，通过接口电路板将各路模拟信号进行a/d变换，然后转换为地质分析软件所需的固定压缩数据格式。由于这种传输方式中，接口数量有限，所接的检波器数量有限，而且电缆的重量随着检波器数量的增多而大大增加，这与采集信号道数不断增加的要求不相适应，目前这种方式基本被淘汰，只在小范围地质勘探中还有使用。目前我国主要使用的是直接利用双绞线进行数据传输，通过控制线发送命令指定各采集站依次传输数据。为减

50、少传输的干扰，在数据传输一定距离后，安排一个交叉站来改变所连接的导线芯对。此外，这种传输方式还要考虑数据的产生、传输、存贮、同步问题和远程供电问题，目前控制信号线也是由双绞线完成，电源线采用铜质导线。4.1.2 无线数据传输的提出近年来，国外开始研究无线数据传输方式19。然而，地震勘探会面临各种复杂的工作环境，高山、沙丘、湖泊、河流、热带雨林的屏蔽，通信业、电视业的发展造成的空中干扰，自然现象产生的电波干扰等，都会对无线信道产生严重影响。对于无线数据传输方式，通常将检波器与数据无线收发部分组合在一起，构成无线检波器，再与主机系统结合在一起便构成无线地震遥测仪。由于无线信道容量的限制，仪器利用大

51、容量闪烁存储器，在主机的控制下，只将质量控制信息传回而将大量地震数据记录在采集站内，由人回收8。这种方式工作的仪器控制距离远，接收可靠，适用于水网、沼泽和油田四维勘探。如美国的fairfield公司将先进的蜂窝电话技术用于地震仪器，采用先进的无线技术以提高数据传输速率，所开发的box仪器在214234mhz的通带内工作，每一通道20khz带宽，共可提供1000个通道，一个通道对应一个采集站，一个采集站为18道。在采集站内可进行叠前或叠后相关、噪音编辑、初至拾取、站内存储、中继等。每一个20khz通道均可以在整个工作频段内任意选择，以避开干扰。它可以用实时传输的方式或存储的方式来工作，也可以同时

52、使用两种方式。目前我国还没有自己的无线检波器和无线地震遥测仪器，相关技术尚在探讨阶段。从目前的发展趋势来看，无线仪器和有线仪器，在可预见的未来一段时间，各自都有发展空间。4.2 nrf系列芯片简介4.2.1 nrf芯片技术特点nrf系列是挪威半导体公司最新推出的单片无线收发一体的芯片，采用蓝牙核心技术设计，将很多功能和外围部件协议集成在芯片内部，是一种可以直接与单片机连接，进行数据传输的无线收发芯片，工作在315/433/868/915mhz频段。目前该系列芯片包括的产品有: nrf401，nrf403，nrf905，nrf9e5，nrf2401， nrf24el， nrf24e2， nrf2

53、4ap1。其中有许多芯片已被集成组装在无线模块中，甚至有的将天线也制作在pcb板上，不需另加天线21。大部分芯片工作在ism(industrial scientific medical)频段，此频段主要是开放给工业，科学、医学，三个主要机构使用。该频段是依据美国联邦通讯委员会(fcc)所定义，属于free license，没有使用授权的限制。应用这些频段无需许可证，只需要遵守一定的发射功率(一般低于1 w)，并且不要对其它频段造成干扰即可。ism频段在各国的规定并不统一。如在美国有三个频段902928mhz，24002483，5mhz和57255850mhz，而在欧洲900mhz的频段则有部分

54、用于gsm通信；ism频段的430440mhz主要分配给全球的业余无线电爱好者，并且被各种各样的应用所占据。包括内部通话器，遥感发射器，无绳电话，短距离对讲机等等；频段868 870mhz在欧洲主要用作短距离设备(srd)；ism频段的2.4002.4835ghz部分、5.7255.875ghz部分、24.0024.25ghz部分同业余无线电爱好者使用的频率和电波探测服务所用的频率相重叠。其中5.7255.875ghz部分的主要服务包括运动传感器(用作防盗等)，非接触式卫生间干手器，以及rfid系统。4.2.2 基于nrf系列芯片的实验性能比较为探讨可用于无线检波器的模块性能，研究中对部分模块

55、进行了实验。最初采用基于nrf401芯片的ptr2000模块，经测试表明，该模块传输几kbps数据在几十米内还是可行的，但随着传输速率的增加和通信距离的增加，误码率随之增加，因而有效传输距离缩短。这种模块技术上没有采用抗干扰措施，因此容易受电磁信号干扰，且只有两个传输信道，不适合多采集点的应用。此后改用基于nrf905芯片的ptr8000模块进行了设计试验。该模块由于采用了载波监测输出cd(carry detect)，可避免无线通信碰撞，可提供120个信道，适合于多检波器同时以半双工工作模式工作。所采用的高抗干扰gfsk调制，内置完整的通信协议和crc，使传输速率可达100kbps，通信距离1

56、00米。此外，该模块使用的430/868/915mhz三个频率，增加了多点同时数据传输的能力。1.93.6v低电压工作，待机功耗2ua有利于省电，延长电源寿命。缺点是要达到100米的通信距离需要使用鞭状天线，否则通信距离大大缩短。在使用基于nrf2401芯片的ptr4500模块试验中发现，该模块虽然传输速率高，但通信距离太短，在未加鞭状天线时测试距离只有几米，不适宜作无线检波器的传输模块。比较几种模块和芯片，用作无线检波器的传输模块，选择基于nrf905芯片的模块。4.2.3 nrf905电路结构与工作原理图4-1是nrf905芯片的内部结构图23。它由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体震荡器和一个调节器组成。采用一种被称之为shock-burst的工作模式，具有自动产生前导码和crc的特点，可通过spi接口进行编程配置，电流消耗低，在发射功率为10