地震预警数据采集论文
1预警站采集系统硬件设计
1．1采集系统方案采集系统方案如图 2所示，系统由 ST32F407单片机加 FPGA结构组成，FPGA采用
Altera公司的 CYCLONEⅣ系列芯片 EP4CE6E22C8N。单片机作为主控制器，用于控制 FPGA采集，数据存
储;外围电路包含以太网接口，GPS接口，SD卡存储器以及授时守时电路;FPGA部分用于产生 AD同步时
钟，控制六通道 AD同步采集，并将采样值传入单片机中，外围电路包含 6通道采集板和参考源;单片机
与 FPGA之间通过 SPI接口与地址线 A0进行通信。数字补偿晶体是整个系统的时钟源，该晶体的频率为
16．384MHz，准确度为 0．5×10－6，温漂为 0．1×10－6。
1．2传感器选型本系统选用的传感器为 ES－T型三分向力平衡式加速度计，传感器可以在±0．25gn到
±4gn的范围内选择设定满量程，其动态范围优于 155dB，带宽在 DC－200Hz之间。
1．3信号调理与 AD采集电路传感器输出为差分信号，信号动态范围为±5V，系统选用的 AD芯片输入信
号范围在±2．5V之间，所以传感器输出信号必须经过信号调理后才能进行采集，图 3是其中一个通道
的信号调理与 AD采集电路，其余通道电路与该图完全一致。信号调理电路由全差动放大器 OPA1632构
成，该放大器的电压噪声密度为 1．3nV/Hz1/2，在 100Hz(高铁地震监测常用采样率为 200sample/s)带
宽范围内噪声有效值不超过 15nV，满足地震信号采集要求。图中Ｒ2∶Ｒ1、Ｒ7∶Ｒ9均为 2∶1，可将
输入差分信号衰减 2倍，实现将传感器输出的±5V信号衰减到±2．5V范围内，满足 ADS1281的输入电压
范围，图中二极管 D1与 D2是钳位二极管，将电压钳位在±3V左右，保护 AD芯片。AD转换器是一款
32bitΔ－Σ高精度模数转换器 ADS1281，内部具有可编程 FIＲ、IIＲ和 SINC滤波器，0．6×10－6线
性度，在 250sample/s采样率下其 SNＲ可达 130dB，全速采样模式下功耗仅 12mW，非常适用于电池供
电的野外作业。通过配置 PINMODE引脚，可将 ADS1281设置为引脚控制模式(PINMODE=1)和寄存器控制
模式(PINMODE=0)，本系统将其配置成寄存器控制模式。系统为实现同步采样，将六通道 ADS1281的低
功耗控制 PWDN，复位ＲST，同步 SYNC，采样时钟 CLK，SPI时钟 SCLK，SPI数据输入 DIN引脚分别连在
一起，并由 FPGA统一控制，达到时钟同步，统一配置 AD的目的，从而实现同步采样;而 ADS1281的数
据输出引脚 DOUT分别接在 FPGA的 6个不同 IO口，用于读取六通道 AD的数据。参考源是数据采集系统
的关键部分，本系统利用 DCDC产生－5V电压，低噪声 LDO电源芯片 LT1964产生－2．5V电压，作为六
通道 ADS1281的 VＲEFN输入，LT1964噪声为 30μVＲMS(10Hz～100kHz);利用专用精准基准芯片
LTC6655－2．5产生+2．5V电压，作为六通道 ADS1281的 VＲEFP输入，该芯片噪声 0．25×10－6p－
p(0．1Hz～10Hz)，温飘为 2×10－6/℃，经过试验，该方案是取得较好结果。
1．4FPGA采集控制与数据传输实现数据采集之前，STM32单片机需要通过 FPGA对各通道采集卡(即
ADS1281)进行配置;数据采集过程中，FPGA需要对六通道数据读取、打包并传入 STM32单片机。控制线
A0用于选择上述功能。当 A0=0时，将 STM32单片机与 FPGA之间的 SPI接口、FPGA与六通道采集卡之
间的 SPI接口直接相连，此时由 STM32单片机直接完成采集卡配置;当 A0=1，FPGA输出采样时钟 CLK，
六通道采集卡同时启动采样。FPGA数据采集与传输过程如图 4所示。当六通道 ADC数据准备就绪时，
ADC_nDＲDY信号将同时由高变低，FPGA收到下降沿信号后，将在 ADC_SCLK引脚连续产生 32个周期的
SPI时钟，ADS1281在时钟上升沿输出数据(ADC_DOUT_1至 ADC_DOUT_6)，FPGA在时钟下降沿读取数
据，六通道数据将被缓存在 6个 32bit寄存器 ADC_DA-TA0至 ADC_DATA5内;FPGA读取完六通道 32bit
数据后，在 MCU_DＲDY引脚产生一个高脉冲，通知 STM32单片机读取数据，单片机在 MCU_DＲDY下降沿
启动中断，并在中断中完成数据读取;数据读取过程中，单片机的 SPI时钟 MCU_SCLK连续产生时钟信
号，FPGA在收到时钟信号时，将数据通过 MCU_DIN输出，时钟信号共 6×32=192个，正好读完六通道数
据。
2预警系统 C/S构架软件设计
2．1客服端 LabVIEW编程 PC机客服端界面与网络编程利用 LabView软件实现。LabView是由美国国家
仪器(NI)公司研制开发虚拟仪器开发软件，是一种图形化编程语言，使用较为方便［6－7］。LabView
主界面包含采样率、量程设置，IP地址，端口，开始采集按钮，停止采集按钮和波形界面几个部分，
其中波形界面由 WaveChart控件实现，具体实现如下:将下位机上传的六通道数据绑定为簇，簇输出接
到 WaveChart控件的数据输入端，Wave-Chart控件的图形显示方式设置为分格显示曲线，由于簇输入
是 6个数组绑定而成，WaveChart自动将窗口分成 6个子窗口，每个数据对应一个窗口;Wave-Chart界
面更新模式设置为 StripChart，此模式下波形从左至右绘制，达到右边边界时，旧数据从左边溢出，
新数据从右边进入。LabView具有强大的网络编程功能，本系统客户端利用了其中的 TCP/IP协议模
块，主要涉及到以下几个函数:TCPOpen(打开)，TCPＲead(读取)，TCPWrite(写入)，TCPClose(关闭)。
客户端程序工作流程如图 5所示。从图中可以看出，从开始到结束采集一共用了两次 TCP/IP连接，第
1次用于发送采集命令，然后接收、处理、显示数据，当按下“停止采样”命令后，首先关闭第 1次
TCP/IP连接，此时服务器还在继续采集数据，但不发送，所以还需进行一次 TCP/IP连接发送停止采集
命令给服务器，服务器收到命令后即可停止采集，并进入低功耗模式。
2．2基于 LWIP的服务器程序设计服务器的主控单片机是 STM32F407，其内部集成了 10/100M以太网
MAC，结合 PHY芯片 DP83848即可完成以太网硬件搭建;以太网软件部分通过移植 LWIP协议栈实现，已
有较多文献或文档详细叙述了移植方法与过程，服务器接收命令、启动采样和传输数据等功能在 tcp回
调函数中实现。数据采集和传输是同时进行的，可在单片机中申请两个缓存，采用乒乓操作模式工作实
现，即:其中一个用于中断采集数据存储，缓存满后，设置数据满标志，并查询另一个缓存的数据空标
志，若为空，证明数据已经传输完成，可新的存储数据;另一个用于传输，传输完成后，设置数据空标
志，并查询第 1个缓存的数据满标志，若位满，证明数据可以传输;由于以太网的传输速度远大于数据
采集的速度，以太网传输完成后会等待另一个缓存存满，所以整个过程中不会出现采样数据丢失的情
况。
3采集系统性能测试
3．1噪声测试进行噪声测试时，将 6通道输入短接，采样率设置为 200sample/s;采集开始后，数据将
以文本文档的形式实时存入 SD卡。图 6是由采集的一个通道数据用 excel作图得到(取其中任意 2000
个点)，从该图可以看出:该通道采集的输入短接噪声峰峰值在±1．5μV范围内。为进一步对噪声大小
进行量化分析，分别进行了三次噪声测试，并在 excel软件中利用 STDEVA函数对每一次的六通道采集
数据做均方差处理，处理结果如表 1所示。从表中可以看出:每隔通道的噪声均方差低于 0．5μV，噪
声一致性较好;采集卡输入信号范围是±5V，按照 ADC的信噪比计算公式可算出采集卡的信噪比优于
140dB。
3．2地震信号采集实验实验时，把传感器放置于地面，传感器差分信号输出端接入采集卡第 1通道，
打开监测站电源，在 PC机中启动 LabVIEW界面，设定好采样率、量程、IP地址与端口，点击“启动采
集”，在距传感器 2m左右用硬物连续敲击地面，图 7是截取的实时显示结果图，从图 7可以看出，第
1通道具有典型的地震波形输出，纵坐标单位为 mV，第 2通道～第 6通道输出为随机噪声，纵坐标单位
为μV。
4结束语
本论文通过预警站(服务器)采集系统硬件、软件设计和客服端软件设计，实现了基于 C/S构架的高铁地
震预警 IP数据采集系统。在性能上，系统噪声均方差低于 0．5μV，信噪比优于 140dB;在功能上，可
实现远程参数设置、远程实时数据传输并显示。该系统不仅可以用于高铁地震预警，还可用于矿山微震
监测、金库震动监测和天然地震等与震动有关的应用领域。
作者：谭超苏超张海滨单位：三峡大学电气与新能源学院
