智能仪器设计实例

第八章智能仪器设计实例(二)林

君l吉林大学仪器科学与电气无缆自定位

仪设计与应用Cable-Free

Self-Positioning

seismic

Instrument:

Design

and

Applications勘探—

无缆自定位仪器设计

总体重量笨重

需要大量人工

电缆检修繁杂，影响施工效率

总道数受制于传输速度

电缆噪音有线遥测勘探仪器的不足解决方案:无线无缆自定位勘探系统可控震源低频检波器站解决方案:不受道数和时间限制不受地形限制不用定位测量单元大容量非易失器数字

式站数字式仪的优势大容量

器，“长期记录，集中回收”；沿用了分布式拓扑结构，道数不受限制；敷设灵活，可任意道距。#1#2#3#4#5#6#n-2#n-1#n系统需求分析确定设计任务和设计目标，并提炼出设计规

格说明书，作为正式设计指导和验收的标准。系统的需求一般分功能性需求和非功能性需

求两方面。功能性需求是系统的基本功能，如输入输出信号，操作方式等；非功能性需求包括系统性能，成本，功耗，体积，重量等因素。列出需求表格名称无缆自定位

仪

站目的记录、

，传输

数据输入4路差分模拟信号，1对电源输入（内置锂电池），100M以太网及WIFI接口输出LED指示功能记录 数据，同时可记录位置信息。性能见下表生产成本20000元以内功耗小于5W重量小于1.5KG性能指标噪声水平<

2v谐波失真>

95dB共模抑制比>

100dB同步精度<

10s串音抑制>

115dB传输方式100M以太网/10Mbps

WiFi功能集成度无线通讯,定位,

,内置电池位置信息获取差分GPS系统体系结构设计描述系统如何实现所述的功能和非功能需求,包括对硬件，的功能划分，以及系统的，硬件选型等。一个好的体系结构是设计成功与否的关键。主控板FLASHSDRAMCF卡四通道检波器模拟信号多路模拟开关低通滤波器CS3301差分程控放大器CS5372X2（ΔΣ调制器）CS5376（数字滤波器）FPGA电路（数字接口及时序控制）恒温晶振32.768MHz串口11PPSCS4373自检信号发生器SPI接口网络变压器静态器接口配置24GPS授时定位单元1以太网收发器串口2IDE接口静态器接口同步动态RAM接口网口I/OI/OI/OSPI串行数据接口状态指示单元

5（3个3色LED）AT91RM9200(Linux操作系统)3WiFi无线通讯单元内置锂电池充电管理及电池切换电路电压转换电路（+3.3V±2.5V）电池电压检测电路按键监测及系统关机逻辑控制电路电源开关1电源开关3WiFi无线通讯单元GPS授时定位单元模拟调理及采集电路+12V电源开关按钮电源开外部电池/ 关2充电接口FPGA电路（数字接口及时序控制）6板电源板系统体系结构设计——总体硬件框图系统体系结构设计——关键硬件选型AT91RM9200;CS5372/5376

套片主控CPU:24位A/D:；GPS模块：

uBLOX站日志管理系统测试采集管理功耗管理数据通信GPS管理文件存储管理系统体系结构设计——总体框架信道建立检测信道通信速度测试电源检测网络环境测试传感器测试自测试检波器电阻测试检波器传输特性测试地震摆其它测试(电池状态电平、供电)GPS检测GPSGPS连

状通

态性

检检

测测采集通道检测CF系统静噪声测试道间隔离度测试道间一致性测试共模抑制比测试通道脉冲响应测试时间同步误差测试卡存储空间测试系统体系结构设计——系统测试模块A/D预热停止采集时钟校准噪声监测数据处理系统体系结构设计——模块流程背景噪声监测采集同步指令响应系统状态维护异系状常统态状状指态态示上查刷报询新触发事件识别网络连通性维持上位机命令处理异常状态信息上报背景噪声监测通信时钟校准停止采集启动采集仪器自定位文件删除叫站状态查询采集参数设置星历数据记录启动单星授时休眠唤醒启动休眠系统体系结构设计——系统通讯模块系统体系结构设计——平台选型操作系统：

linux2.6开发语言：C开发/编译环境：GCC软硬件详细设计基于体系结构，对系统的，硬件进行详细设计。为了缩短产品开发周期，设计往往并行进行。当前系统设计的工作大部分都集中象技术，

组工程经常采在

设计上，采用面件技术，模块化设计是现代用的方法。软硬件详细设计—功能模块细分

通用部分

特殊考虑部分同步自定位数据回收数据质量监测自测试

其他工艺，可生产性，供电/充电，防盗，数据安全。震源兼容性支持多种类型震源（、可控震源、）VibratorsExplosiveGuns零时控制、叠加相的触发单元（实现震源同步管理、关运算）。19FLASHSDRAMCF卡WiFi无线通讯单元四通道模拟信号多路模拟开关低通滤波器程控放大器CS5372X2（?S调制器）CS5376（数字抽取滤波器）FPGA恒温晶振32.768MHzGPS定位板串口1PPS自检信号发生器USB/SPI234网络滤波器1AT91RM9200(Linux操作系统)以太网收发器静态 器接口配置无缆自定位仪设计系统总体结构框图无缆自定位仪PCB样板第一版站主要性能指标指标参数指标参数数据采集指标单站道数4系统供电电池类型铅酸电池A/D分辨率24位电池电压12V采样率1,5,10,…,4kHz电池容量17

AH噪声水平1.5μV最大平均功耗4.4W道间串扰<-120dB数据回收传输协议TCP/IP谐波失真<-110dB电缆类型双绞线前放增益0dB,18dB传输速率>20Mbps动态范围120dB拓扑结构星形最大差分输入5Vp-p无线监测802.11g关键点覆盖共模抑制比>100dB自测试正弦波测试有高切滤波5.3KHz检波器阻抗测试有同步精度±3.2μs道间串扰有输入阻抗20KΩ自定位定位类型GPS静态相对定位数据8G字节/站定位精度分米级低通滤波器前置放大器差分信号转换单元24

位AD

转换第1级第2级第3级eniZse1i1e2i2e3i32ampEHz

4.96533101

2316

V

2S

(

f

)

S

(

f

)

S

(

f

)

S

(

f

)电路在采样率为1kHz时等效输入噪声电压：E

5.080107V

（0.5µV

）sum12582912nad5.0VE

2.98107V总噪声功率谱：AD量化噪声：等效噪声模型模拟调理电路高精度低噪声技术高精度时钟同步技术恒温晶振32.768MHz自锁触发器1PPSDS1390（RTC）GPSCLKFPGA1000倍分频器CLRARM1PPS’

3

SPI口Control串口1ppsCLK1pps’t3GPS

授时信息

CLRt4高精度备用时标RTC方案RTC校准方案t1

t2RTC校准时序双时标切换方案主控制器CPU恒温晶体振荡器

OCXO32.768MHzGPSGPSReceiver分频器FrequencyDivider定时器Timer与门1#And

Logic与门2#And

Logic或门Or

Logic1PPS&10KHz1PPS&10KHz1PPS&10KHzFPGACLRGPS和RTC混合同步实现:ERTC=±

3.2

μs，MOS管开关网络..

采用90%以上转换效率供电

GPS模块调研及实验1W→0.45W

@10cm定位精度，千点静态差分解算

恒温晶振选型及测试1.5W@10-8→0.15W@10-9(美俄)||0.1W@10-7(大普).所得系统总体功耗：2W~2.5W25开关机、内外电池切换电池管理功耗管理智能电源管理网络电池充电管理供电管理开关网络动态功耗管理GPS定位模块恒温晶振更换低功耗部件站1站2地面监测站站3建立GPS基线向量观测网。根据载波相位观测方程的双差模型求解各基线向量。引入基准位置，进行GPS基线向量网三维无约束网平差，求出各观测点的三 直角坐标。站高精度自三维无约束平差后的空间直角坐标基线向量网平面投影图基于GPS阵列观测的静态数据解算ID165Latitude

(D

M

S)38

27

19.44135Longitude

(D

MS)102

11

33.06073Ell-Hgt

(m)1548.755TypeNET-SOLHz-SD

(m)0.005Vt-SD

(m)0.005Grid-X

(m)-2752329260.643Grid-Y

(m)-1258952626.78716638

27

14.83080102

11

29.962301550.472NET-SOL0.0050.005-2752342139.730-1258203431.27716738

27

17.34127102

11

31.166851549.632NET-SOL0.0050.005-2752326017.056-1258605521.71316838

27

19.60770102

11

34.223131548.748NET-SOL0.0050.005-2752348638.479-1258992416.6233238

27

16.06117102

11

32.108141548.748NET-SOL0.0050.005-2752363619.073-1258419380.8763338

27

20.90601102

11

33.346801548.232NET-SOL0.0050.005-2752311974.245-1259182132.2143438

27

20.55638102

11

34.003081548.151NET-SOL0.0050.005-2752329786.037-1259136148.3283538

27

17.70898102

11

30.495951549.044NET-SOL0.0050.005-2752307650.746-1258654125.5713638

27

15.77633102

11

28.243761549.643NET-SOL0.0050.005-2752295041.128-1258328503.41464992102

11

30.371691550.161NET-SOL0.0050.005-2752352672.649-1258180481.84454833102

11

32.553361548.512GCP-3D0.0050.005-2752364484.319-1258499976.161自定位精度达到厘米级!GPS单星同步授时实验及静态定位无缆自定位

仪野外无线组网，实时工作状态监测低功耗WIFI节点策略休眠与唤醒机制功率管理分布式协调功能DCF低功耗CPU电源供电策略组件.

•低功耗WiFi

SOC.协议速率策略协议组网策略休眠与

避免路由参数优化信道性能优化协议数据压缩数据Node

and

Interfacing

Design预期指标实现指标工作频率2.4GHz2.4GHz组网方式Ad-hoc传输速率2Mbps11Mbps工作电流待机1mA,数据收发200mA待机5uA,数据收发190mADommunication

TestingDommunication

TestingABGFDECAP无线链路ABGFDECAP无线链路ABGFDECAP无线链路ABGFDECAP无线链路车载数据回收中心WiFi

AP便携式数据回收中心WiFi

APPredict

SpTest

SpOrganize

MAd-hocAd

hocTransSpeed2Mbps11MbpsSingle

Jump

P648功耗可管理部件功耗管理器DPMGPS、恒温晶振、CPU及外围IC、LCD等电源管理架构精简系统结构高效率电源管理器件动态功耗管理技术和动态频率调整技术功耗管理策略超时策略策略随机策略Low

Power

Design功率控制继电器、IC内部的功率控制指令或提供给外部的功耗控制引脚。PeriodSleep

PeriodData

RecordinDynamic

PowerManagement(DPM)GPS

PositionWaitingData

RecordingLCD板LM26765.0VLM26763.3V辅助板+12VGPS接收板K1K2K3主控板（ARM）LM11171.8VLow

Power

DesignExecutePeriodExecuteS(Status)Acquisition

Board

SMaster

BoardSAuxiliaryBoardSGPS

BoardSPower(W)/ScaleFull

Speed

Status（No

DPM）ExecuteExecuCD

OnExecute5.38

/100%GPS

Position

PeriodLow

Power

ExecuteExecuCD

OnExecute4.80

/89%AcquisitionPeriodWaiting

PLow

Power

ExecuteExecuCD

OffExecute4.35

/81%Record

PExecuteExecuCD

OffOff2.95

/

55%SleepOffSleepLCD

OffOff0.15

/2.7%Acquisition

station

+

GPS

Unit+

Battery

+

WiFi

Network!无缆自定位仪降低功耗(电源管理)高性能GPS电磁兼容无线 与通讯自测试MicroWave射频板WiFi硬件主控系统WiFi（802.11g/n）天线集成扩展ARM

SPI接口Linux2.6.12→2.6.31距离&速度

Vs

功耗天线增益、射频线路损耗控制结果：2Mbps@150m（4kHz实时回收）10Mbps@20m（无线数据回收）SPI接口驱动无线协议802.11g/nCF卡&板卡驱动“系统集成”==“简单相加”？36电磁兼容问题GPS天线、GPS-OEM板卡、 站系统（主控板、板、电源板、WiFi板、LED状态指示板。？仪器

电路布局内外双层

，并拉开天线与干扰源空间距离.GPS信噪比可达45以上.38采用

高灵敏度GPS模块u-blox.单片集成&&自身

→优越的

能力。伪距差分静态解算精度有待进一步测试。39OEM-StarU-blox自测试信号发生电路改进集成、增项.40静噪声测试一致性测试道间串扰测试脉冲测试AD9850（DDS）AMP组合CS4373（DA）静噪声测试一致性测试道间串扰测试脉冲测试检波器内阻CMRR测试GeiWSR系统(Wireless

Seismic

Recorder

of

Geo-explorationInstrument)工作方案CommunicationCenter2.4G

WifiWireless

RemoteUnit

(Wifi)Host

of

theSeismograph

SystemTrigger

Unit

(Wifi)Portable

FieldTerminal(Wifi)无缆自定位勘探系统完全实时交互模式框架下的主要配置主控中心Host手持现场终端Portable

Field

Terminal组间通讯套件及天线(5.8G)Antennas

kitfor

CAN组内通讯套件及天线(2.4G)Antennas

kit

for

CAN触发单元Trigger

Unit单元Acquisition

Unit完全实时交互模式框架下的主要配置自主模式框架下的主要配置主控中心Host手持现场终端Portable

Field

Terminal单元Acquisition

Unit数据通

口Wireless

Data

Interface无缆自定位勘探系统无线监测大道距，无全局网络；

仪建立AD

HOC网络，移动终端主动连接并与之交互。无缆自定位勘探系统勘探二

无缆自定位仪器测试遥测站(RAS)仪性能测试GEIWSR与REF-TEK130性能测试现场仪性能测试两款仪对同源信号波形完全吻合00.10.20.30.40.60.70.80.91-0.25-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.150.20.250.5时间（

S）幅度（

V）GEIWSR

REFTEK130仪性能测试仪器本底噪声测试对比曲线00.10.20.30.40.60.70.80.91-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81x

10-50.5时间（

S）幅度（

V）GEIWSRREFTEK130仪器噪声水平(均方根)：REFTEK130：2.3779e-006

VGEIWSR：1.7443e-006

V自主研制仪器指标明显优于进口仪器-1400-130-120-110-100-90-80-70-60-5050

100

150

200

250

300

350

400

450

500Frequency

(Hz)Power/frequency

(dB/Hz)Periodogram

Power

Spectral

Density

Estimate-1500-140-130-120-110-100-90-80-70-6050

100

150

200

250

300

350

400

450

500Frequency

(Hz)Power/frequency

(dB/Hz)Periodogram

Power

Spectral

Density

Estimate自主研制仪器指标明显优于进口仪器REF-TEK130幅频特性曲线

GEIWSR幅频特性曲线仪性能测试幅频特性测试对比曲线无缆自定位仪性能对比性能指标无缆 仪-IIREF130噪声水平1.555v1.589v谐波失真>95dB—共模抑制比>100dB70dB同步精度3.2s100s串音抑制>115dB—传输方式100M以太网/10MbpsWiFi10M以太网功能集成度无线通讯,定位,

,内置电池位置信息获取有无无缆自定位仪性能对比性能指标无缆 仪器-II法国UNITE噪声水平1.555v0.5v谐波失真>95dB>90dB共模抑制比>100dB-同步精度3.2s25s串音抑制>115dB-传输方式100M以太网/10MbpsWiFiUp

to11Mbps

WiFi串行通讯无线通讯,定位,

,内置电池无线通讯,定位,

,内置电池位置信息获取有有性能指标仪器Sercel

UNITEREFTEK130噪声水平1.555v0.5

v1.589v谐波失真<-95dB<-90dB—共模抑制比>100dB-70dB同步精度3.2s25s100s串音抑制>115dB-—传输方式100M以太网/10Mbps

WiFi11Mbps

WiFi10M以太网功能集成度无线通讯，定位，电池无线通讯，定位，电池位置信息获取有有无部分指标达到/超过国外先进仪器水平！无缆自定位仪勘探三无缆自定位仪器应用站（遥测站）；授时实现同步

；(QC)、数据回收（提供

基于WiFi实现参数设置、质量）；天线 接入确位置信息）；

高精度三

可选北斗自定位（免测量，为

数据后期处理提通讯定位模块实现全天候状态监测；RASGPSRemote

Acquisition

Station(RAS’s)Antenna(Wi-Fi)58特点:

独立完整的散布式

所有 站通过GPS59两种

方式：自主模式与交互模式自主模式：

式采集，在生产的同时支持手持终端，QC及部分数据传输。交互模式：

式

，支持状态查询，实时数据回收，运行控制，QC。60用大容量非易失器连续长时间记录数据

站采用长期连续记录方式，所有 数据都带有GPS时间戳。

能力：300小时（1ms采样间隔）。

数据回收全部回收自选时间段回收T01

T02

T03

T04

T05

T06通过有线以太网获取数据折叠式仪器摆放架可组装充电回收箱车载服务器及磁盘阵列613G网络

及 技术支持多种模式3G网络；支持多种终端及

方式；长期观测异常无线系统实时交互模式框架下的主要配置主控中心Host手持现场终端Portable

Field

Terminal组间通讯套件及天线(5.8G)Antennas

kitfor

CAN组内通讯套件及天线(2.4G)Antennas

kit

for

CAN触发单元Trigger

Unit单元Acquisition

UnitQC-Monitoring:电池电量GPS信号质量WLAN

信号强度检波器内阻通道健康情况包括自噪声、CMRR、道间

度、一致性）-实时波形监测质量控制（QC）防丢失保护基于北斗通讯：超远距离监测；无缆仪北斗海洋公路航空北

面控制中心站陆地通讯方式：

通讯搜索范围：全球搜索方式：精确定位监测终端66无缆仪“独立勘探模式”数据回收器Serial

#PFTRAS控制接口预置&

测试控制中心Infrastructure

in

therangeof

the

recordingunit,the

rest

inautonomous

mode设置,测试&固件升级勘探Data

&QC’s67“独立勘探模式”系统设备构成无线增强单元Clients手持终端充电及有线数据回收箱GPS触发单元WSR

server

(20TB)cWSR

software

v.1.0NAS

shuttlePlotterPrinter68无缆仪“混合勘探模式”mergeSEGDVistaRAS控制接口预置&

测试Settings,

tests

&

firmware

updateat

the

base

campProspectBasecampeUniteInfrastructure

in

the

rangeof

the

recordingunit,the

rest

inautonomous

modePFTharvesterSerial

#Data

&QC’s“混合勘探模式”系统设备构成WSR

server

(20TB)cWSR

software

v.1.0Printer触发单元PlotterNAS

shuttleGPSClients无线增强单元充电及有线数据回收箱手持终端主控站 交叉站

站 电源站

RAS704.瞄准深探需求开展应用研究事、动物保护区）；-

环境（城镇地区、丛林等）；-有 环境（河流、峡谷、高速公路等地区）。71无缆

仪系统结合大道间距折射、深反射、微、宽频和高密度勘探等方法应用于复杂环境深部探测。无缆 仪适用于：-有特殊限制的地区（军阿里深探专项实验研究测线中国地质中国 测线吉林大学测线阿里深探专项实验研究阿里深探专项实验研究Raw

Data

Recorded

by

the

System

in

Ngari阿里深探专项实验研究无缆

仪用于天然源面波

勘探震源——

人类活动自然界现象探测方法工作流程无缆仪用于天然源面波勘探2.提取频散曲线3.

3D地形结构成果输出1.室外排布观测无缆仪用于资源勘探无缆自定位仪用于某地矿产勘探（道距2m）

78无缆自定位仪用于栾川镍矿采空区勘探20米79采空区探测（ 栾川）剖面有效长度105米深度剖面采空区单 记录采空区正演剖面采空区分布面80四 勘探检波器常规的检波器覆盖

的

阵列探测（USArray）使用的低频摆低频

检波器动圈式检波器样机外型图（垂直、水平、三分量）（2）动圈式无源低频检波器动圈式检波器样机1Hz动圈式检波器野外测试（达到预期设计目标）无源动圈式低频检波器补偿电路及检波器的综合仿真Frequency300mHz1.0Hz3.0Hz10Hz100mHzDB(V(2))DB(V(3))-200204060-3dB点(0.4995,42.965)-3dB点(2.000,42.965)——补偿前检波器幅频响应——补偿后检波器幅频响应补偿前后检波器幅频响应波特图零极点补偿法补偿后，检波器的灵敏度不变，原系统的极点与补偿电路的零点抵消，补偿后系统的自然频率和阻由补偿电路决定。s

2

2

s

20

0

0ks2H0

(s)

1

1

12s

2

2