申请/专利权人：四川省地震局水库地震研究所

申请日：2018-11-27

公开（公告）日：2024-03-08

公开（公告）号：CN109343109B

主分类号：G01V1/24

分类号：G01V1/24;G01S19/42

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.08#授权;2019.03.12#实质审查的生效;2019.02.15#公开

摘要：本发明涉及地震数据接收和记录器件技术领域，提供了一种嵌入主导二阶极点型地震数据采集器，旨在解决现有技术地震观测精度低的问题。所述地震数据采集器包括模拟量输入通道、数字滤波芯片、一阶高通滤波器、数字信号处理模块、数据输出口、GPS模块、数字控制晶振电路、标定信号输出电路以及系统电源模块。其中，所述模拟量输入通道、数字滤波芯片、一阶高通滤波器、数据输出口、GPS模块和数字控制晶振电路均与所述数字信号处理模块电连接；所述标定信号输出电路的输入端电连接所述数字信号处理模块，输出端用于与地震计电连接。本发明可利用数字滤波芯片得出主导二阶极点，地震观测精度更高。

主权项：1.一种嵌入主导二阶极点型地震数据采集器，其特征在于，包括：用于供模拟电信号输入，并将模拟电信号转换为数字电信号的模拟量输入通道；用于对数字电信号进行三段数字抽取滤波的数字滤波芯片；用于对经过三段数字抽取滤波后的数字电信号再进行去除零位偏移，以得到地震波形数据的一阶高通滤波器；发挥驱动作用的数字信号处理模块；用于将地震波形数据打包输出的数据输出口；用于提供授时信号及定位信息的GPS模块；数字控制晶振电路；标定信号输出电路；以及，用于提供电能的系统电源模块；其中，所述模拟量输入通道、数字滤波芯片、一阶高通滤波器、数据输出口、GPS模块和数字控制晶振电路均与所述数字信号处理模块电连接；所述标定信号输出电路的输入端电连接所述数字信号处理模块，输出端用于与地震计电连接；还包括温度与电压检测模块，所述温度与电压检测模块与所述数字信号处理模块电连接；所述数字信号处理模块包括：数字信号处理器DSP；可编程逻辑器件PLD；闪存模块；以及，通用异步收发传输器UART；其中，所述可编程逻辑器件PLD、闪存模块和通用异步收发传输器UART均与所述数字信号处理器DSP通过并行总线接口连接，所述闪存模块和通用异步收发传输器UART还均与所述可编程逻辑器件PLD电连接；所述GPS模块与所述通用异步收发传输器UART电连接；所述数字控制晶振电路的输入端与所述数字信号处理器DSP电连接，输出端与所述可编程逻辑器件PLD电连接；所述标定信号输出电路的输入端电连接所述数字信号处理器DSP；所述温度与电压检测模块与所述数字信号处理器DSP电连接；所述模拟量输入通道包括三个模拟量输入子通道，每个模拟量输入子通道包括彼此电连接的输入放大器和24位模数转换器，其中输入放大器用于与地震计电连接，24位模数转换器与数字滤波芯片电连接。

全文数据：嵌入主导二阶极点型地震数据采集器技术领域本发明涉及地震数据接收和记录器件技术领域，具体而言，涉及一种嵌入主导二阶极点型地震数据采集器。背景技术地震数据采集系统主要包括地震计和地震数据采集器这两大部分，其中地震计用于拾取机械振动信号，并将机械振动信号转换为模拟电信号；地震数据采集器用于接收模拟电信号，并将模拟电信号转换为数字电信号，再经过滤波处理后以波形数据的形式将数据输出或发送。公开号为CN107247288A的申请公开了一种地震观测系统及生成地震传递函数的方法，该申请的背景技术部分介绍，现有的地震数据采集系统的传递函数主要由地震计和地震数据采集器的传递函数合成，而传递函数中的“主导二阶极点”是由地震计中的模拟元件和机械摆动共同生成，在较大的温度范围内和长期连续工作中很难保证其高精度和高稳定性，导致现有的地震数据采集系统的观测精度较低。发明内容有鉴于此，本发明的目的在于提供一种嵌入主导二阶极点型地震数据采集器，旨在解决现有地震数据采集系统的地震观测精度低的问题。为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种嵌入主导二阶极点型地震数据采集器，包括：用于供模拟电信号输入，并将模拟电信号转换为数字电信号的模拟量输入通道；用于对数字电信号进行三段数字抽取滤波的数字滤波芯片；用于对经过三段数字抽取滤波后的数字电信号再进行去除零位偏移，以得到地震波形数据的一阶高通滤波器；发挥驱动作用的数字信号处理模块；用于将地震波形数据打包输出的数据输出口；用于提供授时信号及定位信息的GPS模块；数字控制晶振电路；标定信号输出电路；以及，用于提供电能的系统电源模块；其中，所述模拟量输入通道、数字滤波芯片、一阶高通滤波器、数据输出口、GPS模块和数字控制晶振电路均与所述数字信号处理模块电连接；所述标定信号输出电路的输入端电连接所述数字信号处理模块，输出端用于与地震计电连接。本技术方案中，首先地震计可通过模拟量输入通道将检测形成的模拟电信号输入所述嵌入主导二阶极点型地震数据采集器，并同时将模拟量输入通道转换为数字电信号；然后数字电信号可经过数字滤波芯片滤波处理并取得主导二阶极点，以合成传递函数；然后数字电信号经过一阶高通滤波器去除零位偏移后提高精度，并得到地震波形数据；最后通过数据输出口输出地震波形数据。这期间，数字信号处理模块作为主控芯片，发挥驱动作用；GPS模块提供高精度授时信号及定位信息，使所述嵌入主导二阶极点型地震数据采集器与网络中的其他设备保持时间的一致性；标定信号输出电路可为地震计提供方波和正弦波组标定信号的电流输入。由于本发明提供的嵌入主导二阶极点型地震数据采集器可利用数字滤波芯片得出主导二阶极点，其精度受环境因素和时间推移影响较小，地震观测精度更高。作为上述技术方案的优选，所述嵌入主导二阶极点型地震数据采集器还包括温度与电压检测模块，所述温度与电压检测模块与所述数字信号处理模块电连接。本优选技术方案中，通过温度与电压检测模块可监视输入供电电压、GPS模块的工作状态、当前GPS模块与数字控制晶振电路的时差、机箱内部温度等变量。这些环境变量可以定时随数据流传送出来，使用户能够随时跟踪采集器的工作状态。作为上述技术方案的优选，所述数字信号处理模块包括：数字信号处理器DSP；可编程逻辑器件PLD；闪存模块；以及，通用异步收发传输器UART；其中，所述可编程逻辑器件PLD、闪存模块和通用异步收发传输器UART均与所述数字信号处理器DSP通过并行总线接口连接，所述闪存模块和通用异步收发传输器UART还均与所述可编程逻辑器件PLD电连接；所述GPS模块与所述通用异步收发传输器UART电连接；所述数字控制晶振电路的输入端与所述数字信号处理器DSP电连接，输出端与所述可编程逻辑器件PLD电连接；所述标定信号输出电路的输入端电连接所述数字信号处理器DSP；所述温度与电压检测模块与所述数字信号处理器DSP电连接。本优选技术方案中，可编程逻辑器件PLD、闪存模块和通用异步收发传输器UART等作为数字信号处理器DSP的扩展模块，用于丰富数字信号处理器DSP的接口，同时扩充数字信号处理器DSP的存储空间。其中，可编程逻辑器件PLD还用于将DSP的控制信号转换成和其他扩展模块相匹配的控制信号。作为上述技术方案的优选，所述数字信号处理模块还包括随机存储器RAM，所述随机存储器RAM与所述可编程逻辑器件PLD电连接。本优选技术方案的有益效果在于，通过RAM进一步扩展DSP的存储空间。作为上述技术方案的优选，所述嵌入主导二阶极点型地震数据采集器还包括DOC数据缓存模块，所述DOC数据缓存模块与所述数字信号处理模块电连接。作为上述技术方案的优选，所述数字滤波芯片为CS5376A型滤波器芯片。作为上述技术方案的优选，所述数字信号处理器DSP为TMS320VC5416型芯片。作为上述技术方案的优选，所述可编程逻辑器件PLD为XC2C384型芯片；所述通用异步收发传输器UART为SC16C554型芯片。作为上述技术方案的优选，所述温度与电压检测模块包括分压电路和MAX1299芯片，所述分压电路与所述MAX1299芯片电连接，所述分压电路与所述系统电源模块电连接，所述MAX1299芯片与所述数字信号处理器DSP电连接。作为上述技术方案的优选，所述模拟量输入通道包括三个模拟量输入子通道，每个模拟量输入子通道包括彼此电连接的输入放大器和24位模数转换器，其中输入放大器用于与地震计电连接，24位模数转换器与数字滤波芯片电连接。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：模拟量输入通道将地震计检测形成的模拟电信号输入所述嵌入主导二阶极点型地震数据采集器，并同时将模拟量输入通道转换为数字电信号；然后数字电信号可经过数字滤波芯片滤波处理并取得主导二阶极点，以合成传递函数；然后数字电信号经过一阶高通滤波器去除零位偏移后提高精度，并得到地震波形数据；最后通过数据输出口输出地震波形数据。这期间，数字信号处理模块作为主控芯片，发挥驱动作用；GPS模块提供高精度授时信号及定位信息，使所述嵌入主导二阶极点型地震数据采集器与网络中的其他设备保持时间的一致性；标定信号输出电路可为地震计提供方波和正弦波组标定信号的电流输入。由于本发明提供的嵌入主导二阶极点型地震数据采集器可利用数字滤波芯片得出，主导二阶极点的精度受环境因素和时间推移影响较小，地震观测精度更高。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简要介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关附图。图1所示为实施例提供的嵌入主导二阶极点型地震数据采集器的结构框图。图2所示为实施例中所述的数字控制晶振电路的电路示意图。图3所示为实施例中所述的标定信号输出电路的电路示意图。图4所示为实施例中所述的温度与电压检测模块的电路示意图。图5所示为实施例中所述的系统电源模块的电路示意图。图6所示为实施例提供的嵌入主导二阶极点型地震数据采集器中信号的流程图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。请参阅图1所示，本实施例提供了一种嵌入主导二阶极点型地震数据采集器，其主要包括模拟量输入通道、数字滤波芯片、一阶高通滤波器、数字信号处理模块、数据输出口、GPS模块、数字控制晶振电路、标定信号输出电路以及系统电源模块。其中，所述模拟量输入通道、数字滤波芯片、一阶高通滤波器、数据输出口、GPS模块和数字控制晶振电路均与所述数字信号处理模块电连接；所述标定信号输出电路的输入端电连接所述数字信号处理模块，输出端用于与地震计电连接。其中，模拟量输入通道用于供模拟电信号输入，并将模拟电信号转换为数字电信号；数字滤波芯片用于对数字电信号进行三段数字抽取滤波；一阶高通滤波器用于对经过三段数字抽取滤波后的数字电信号再进行去除零位偏移，以得到地震波形数据；数字信号处理模块作为主控芯片，发挥驱动作用；数据输出口用于将地震波形数据打包输出给采集卡；GPS模块用于提供授时信号及定位信息；标定信号输出电路可为地震计提供方波和正弦波组标定信号的电流输入。使用时，请参阅图6所示，首先地震计可通过模拟量输入通道将检测形成的模拟电信号输入所述嵌入主导二阶极点型地震数据采集器，并同时将模拟量输入通道转换为数字电信号；然后数字电信号可经过数字滤波芯片滤波处理并取得主导二阶极点，以合成传递函数；然后数字电信号经过一阶高通滤波器去除零位偏移后提高精度，并得到地震波形数据；最后通过数据输出口输出地震波形数据。这期间，数字信号处理模块作为主控芯片，发挥驱动作用；GPS模块提供高精度授时信号及定位信息，使所述嵌入主导二阶极点型地震数据采集器与网络中的其他设备保持时间的一致性；标定信号输出电路可为地震计提供方波和正弦波组标定信号的电流输入。由于本实施例提供的嵌入主导二阶极点型地震数据采集器可利用数字滤波芯片得出主导二阶极点，其精度受环境因素和时间推移影响较小，地震观测精度更高。请参阅图1所示，本实施例中，所述嵌入主导二阶极点型地震数据采集器还可以包括温度与电压检测模块，所述温度与电压检测模块与所述数字信号处理模块电连接。通过温度与电压检测模块可监视输入供电电压、GPS模块的工作状态、当前GPS模块与数字控制晶振电路的时差、机箱内部温度等变量。这些环境变量可以定时随数据流传送出来，使用户能够随时跟踪采集器的工作状态。请参阅图1所示，本实施例中，所述嵌入主导二阶极点型地震数据采集器还可以包括DOC数据缓存模块，所述DOC数据缓存模块与所述数字信号处理模块电连接。请参阅图1所示，本实施例中，具体的，所述模拟量输入通道包括三个模拟量输入子通道，每个模拟量输入子通道包括彼此电连接的输入放大器和24位模数转换器，其中输入放大器用于与地震计电连接，24位模数转换器与数字滤波芯片电连接。三个模拟量输入子通道分别是一个地震计UD向检测数据、地震计EW向检测数据和地震计NS向检测数据。基于上述嵌入主导二阶极点型地震数据采集器，本实施例提供以下具体可实施方式的举例。请参阅图1所示，所述数字信号处理模块可以具体包括数字信号处理器DSP、可编程逻辑器件PLD、闪存模块FLASH以及通用异步收发传输器UART；其中，所述可编程逻辑器件PLD、闪存模块和通用异步收发传输器UART均与所述数字信号处理器DSP通过并行总线接口连接，所述闪存模块和通用异步收发传输器UART还均与所述可编程逻辑器件PLD电连接。具体的，可编程逻辑器件PLD、闪存模块以及通用异步收发传输器UART作为数字信号处理器DSP的并行的扩展外设。数字信号处理器DSP的内部存储空间分为数据空间、程序空间和IO空间三个部分，其中程序空间由PS、MSTRB、RW信号控制，数据空间由DS、MSTRB、RW信号控制，IO空间由IS、IOSTRB、RW信号控制，各模块之间通过并行总线接口连接，可编程逻辑器件PLD和通用异步收发传输器UART映射到数字信号处理器DSP外部IO空间，FLASH同时映射到数字信号处理器DSP的程序空间和数据空间。其中，可编程逻辑器件PLD主要发挥以下作用：由于DSP的控制引脚与其他扩展外设并不匹配，因此PLD的作用之一在于将DSP的控制信号转换成和其他扩展模块相匹配的控制信号。所述GPS模块与所述通用异步收发传输器UART电连接；所述数字控制晶振电路的输入端与所述数字信号处理器DSP电连接，输出端与所述可编程逻辑器件PLD电连接；所述标定信号输出电路的输入端电连接所述数字信号处理器DSP；所述温度与电压检测模块与所述数字信号处理器DSP电连接。此外，所述数字信号处理模块还可以包括随机存储器RAM，所述随机存储器RAM与所述可编程逻辑器件PLD电连接，进一步扩展DSP的存储空间。基于上述嵌入主导二阶极点型地震数据采集器的各硬件模块，本实施例给出各硬件模块的具体型号的举例。例如，三个模拟量输入子通道均采用平衡差分输入方式，提高了数采的抗共模干扰能力。在输入端采用通过增益可编程的差分输入差分输出高精度运算放大器来切换外部地震计的±20V和±10V两个满量程输入档。每个24位模数转换器可选用一片独立的4阶∑_Δ调制器CS5371。例如，所述数字滤波芯片选用CS5376A型滤波器芯片。CS5376A型滤波器芯片将24位模数转换器转换后的512KSPS过采样码流抽取滤波成24位地震数据，CS5376A型滤波器芯片是四通道信号处理滤波器，输出采样率为4000SPS～1SPS，通带范围是1600Hz～400MHz。512K比特流进入CS5376A型滤波器芯片后，经三段滤波处理后才能滤成地震信号，三段滤波器分别为：三级梳状滤波器简称SINC、两级有限冲击响应滤波器简称FIR滤波器、两级无限冲击响应滤波器简称IIR。其中，无限冲击响应滤波器生成地震观测的主导二阶极点。考虑到CS5376A型滤波器芯片为市售的现有芯片，因此本实施例不再赘述。例如，所述一阶高通滤波器可由电路实现，考虑到一阶高通滤波器的电路为现有电路结构，本实施例不再赘述，具体的，可参阅百度文库中《一阶高通滤波器》一文中的电路附图，网址为https:wenku.baidu.comview4879260ceff9aef8941e065d.html。例如，所述数字信号处理器DSP选用TMS320VC5416型芯片。该芯片的最大时钟频率为160MHz，为了降低功耗，目前系统中该芯片时钟为100MHz。TMS320VC5416提供了丰富的外设，例如一个16位计数器，三个MCBSP串口、一个HPI主机接口，另外还提供了外部总线接口，在芯片内部有128K×16BITRAM。该芯片的核电压为1.6V，IO电压为3.3V。在典型测试条件下其核电流为60mA，IO电流为40mA。在本系统中主要用到DSP的三个外部接口，分别是并行总线接口、串行接口和GPIO。例如，所述可编程逻辑器件PLD为XC2C384型芯片，通用异步收发传输器UART为SC16C554型芯片，所述随机存储器RAM可选用62WV25616型。例如，所述数据输出口具体为RS-232串行接口，用于与计算机连接。例如，所述GPS模块可选用摩托罗拉公司的M12ONECORE，该模块的数据接口为UART接口，波特率固定为9600BPS。在本地震数据采集器中GPS模块的UART接口与通用异步收发传输器UART扩展芯片SC16C554连接，数字信号处理器DSP通过读写通用异步收发传输器UART扩展芯片来控制GPS模块。例如，请参阅图2所示，所述数字控制晶振电路可具体包括彼此电连接的DAC8512型数模转换器和压控晶体振荡器VCXO，其中DAC8512型数模转换器通过图2所示接口与数字信号处理器DSP电连接，压控晶体振荡器VCXO与可编程逻辑器件PLD电连接。例如，请参阅图3所示，标定信号由ADI公司的16位DAC5061型数模转换器产生。DAC5061的基准源为+2.5V，由外部基准源芯片LT1019产生，如图5所示，电压输出经过一个运算电路将单极型电压输出转变为双极型电压输出。双极型电压经过一个恒流源电路将电压输出信号转变为电流输出信号，并输入地震计。例如，请参阅图4所示，所述温度与电压检测模块包括分压电路和MAX1299芯片，所述分压电路与所述MAX1299芯片电连接，所述分压电路与所述系统电源模块电连接，所述MAX1299芯片与所述数字信号处理器DSP电连接。例如，请参阅图5所示，9～15V的电源输入后，经过各稳压器如图5所示的LTC1149CS、LTC1474、LT1121等等的稳压作用，最终该系统电源模块提供的数字电源包括：+3.3VDSP和PLDIO口电源、+1.6VDSP核电源、+1.8VPLD核电源、+3VGPS模块电源、+3.3V标定信号输出电路数字电源、+5V继电器电源、+5V压控晶体振荡器VCXO电源、+12V传感器电源和+3.3V采集卡数字电源；该系统电源模块提供的模拟电源包括：+2.5VDAC5061的基准电源、+12V采集卡运放正电源、-12V采集卡运放负电源、+12V标定运放正电源和-12V标定运放负电源。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员，在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围内。

权利要求：1.一种嵌入主导二阶极点型地震数据采集器，其特征在于，包括：用于供模拟电信号输入，并将模拟电信号转换为数字电信号的模拟量输入通道；用于对数字电信号进行三段数字抽取滤波的数字滤波芯片；用于对经过三段数字抽取滤波后的数字电信号再进行去除零位偏移，以得到地震波形数据的一阶高通滤波器；发挥驱动作用的数字信号处理模块；用于将地震波形数据打包输出的数据输出口；用于提供授时信号及定位信息的GPS模块；数字控制晶振电路；标定信号输出电路；以及，用于提供电能的系统电源模块；其中，所述模拟量输入通道、数字滤波芯片、一阶高通滤波器、数据输出口、GPS模块和数字控制晶振电路均与所述数字信号处理模块电连接；所述标定信号输出电路的输入端电连接所述数字信号处理模块，输出端用于与地震计电连接。2.根据权利要求1所述的嵌入主导二阶极点型地震数据采集器，其特征在于，还包括温度与电压检测模块，所述温度与电压检测模块与所述数字信号处理模块电连接。3.根据权利要求2所述的嵌入主导二阶极点型地震数据采集器，其特征在于，所述数字信号处理模块包括：数字信号处理器DSP；可编程逻辑器件PLD；闪存模块；以及，通用异步收发传输器UART；其中，所述可编程逻辑器件PLD、闪存模块和通用异步收发传输器UART均与所述数字信号处理器DSP通过并行总线接口连接，所述闪存模块和通用异步收发传输器UART还均与所述可编程逻辑器件PLD电连接；所述GPS模块与所述通用异步收发传输器UART电连接；所述数字控制晶振电路的输入端与所述数字信号处理器DSP电连接，输出端与所述可编程逻辑器件PLD电连接；所述标定信号输出电路的输入端电连接所述数字信号处理器DSP；所述温度与电压检测模块与所述数字信号处理器DSP电连接。4.根据权利要求3所述的嵌入主导二阶极点型地震数据采集器，其特征在于，所述数字信号处理模块还包括随机存储器RAM，所述随机存储器RAM与所述可编程逻辑器件PLD电连接。5.根据权利要求3所述的嵌入主导二阶极点型地震数据采集器，其特征在于，所述数字信号处理器DSP为TMS320VC5416型芯片。6.根据权利要求3所述的嵌入主导二阶极点型地震数据采集器，其特征在于，所述可编程逻辑器件PLD为XC2C384型芯片；所述通用异步收发传输器UART为SC16C554型芯片。7.根据权利要求3所述的嵌入主导二阶极点型地震数据采集器，其特征在于，所述温度与电压检测模块包括分压电路和MAX1299芯片，所述分压电路与所述MAX1299芯片电连接，所述分压电路与所述系统电源模块电连接，所述MAX1299芯片与所述数字信号处理器DSP电连接。8.根据权利要求1所述的嵌入主导二阶极点型地震数据采集器，其特征在于，还包括DOC数据缓存模块，所述DOC数据缓存模块与所述数字信号处理模块电连接。9.根据权利要求1所述的嵌入主导二阶极点型地震数据采集器，其特征在于，所述数字滤波芯片为CS5376A型滤波器芯片。10.根据权利要求1所述的嵌入主导二阶极点型地震数据采集器，其特征在于，所述模拟量输入通道包括三个模拟量输入子通道，每个模拟量输入子通道包括彼此电连接的输入放大器和24位模数转换器，其中输入放大器用于与地震计电连接，24位模数转换器与数字滤波芯片电连接。

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