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应用于地震波数据采集的硬件系统设计
| 论文题名： | 应用于地震波数据采集的硬件系统设计 |
| 关键词： | 隧道勘测;地质超前预报;地震波法;数据采集系统;硬件设计 |
| 摘要： | 随着我国交通强国战略的进一步实施，隧道建设的发展变得空前重要，因此在隧道建设过程中预报前方地质情况成为近些年来不断研究的课题。地震波法是一种常见的地球物理方法，它可以在隧道建设过程中实现地质超前预报，这种方法的实施依托于便捷、精准且适应能力强的地震波数据采集节点。目前常用的采集节点存在一些问题:有线节点布设繁琐，维护、检修等都比较困难;本地存储式节点将采集数据存储在TF卡中，数据采集的实时性较差;无线传输式节点通常使用GPS作为授时定位系统，但无法应用于隧道建设。为解决上述问题，本文设计了一款适用于隧道工程并具备实时采集、实时传输功能的三分量地震波数据采集硬件系统。 地震波数据采集硬件系统采用FPGA+ARM的结构进行设计。其中，FPGA部分使用EP4CE10F17C8N作为主要的控制和数据采集芯片，辅以高性能的STM32F407ZET6作为数据传输芯片，FPGA与STM32之间通过灵活的静态存储控制器(Flexible Static Memory Controller,FSMC)接口通信。系统设计了基于差分放大和滤波技术的信号调理电路，并采用32位ADC芯片ADS1263进行数据采样，满足了系统高精度、低噪声的采集要求。针对隧道内无GPS信号的问题，系统使用了可以提供高精度秒脉冲信号的无线同步模块来同步不同节点的AD采集时钟。系统使用高速SPI Wi-Fi通信模块与上位机之间进行数据传输和命令交互，该模块的传输速率能持续稳定地达到1MBps,配合大容量SDRAM对数据缓存，实现了地震波数据的实时采集和传输。为降低系统功耗以及满足软硬件可裁剪的需求，硬件上各模块独立设计，并通过程序控制电路模块是否启用，软件上FPGA逻辑模块具有较强的普适性，能根据不同的需求快速裁剪。系统设计了指令控制系统，通过指令配置可实现不同采样率、不同分量、不同数据发送方式等多种采集模式，使数据采集更加清晰明确、方便快捷。最后，为了增强系统的可靠性，对印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)进行规范化设计，采用绕线等长的方法以解决高速信号线信号不同步的问题，同时对FPGA部分进行了时序分析和约束，降低了系统产生亚稳态问题的概率。 基于相关技术指标，本文最后进行了一系列测试和验证，该硬件采集系统在等效噪声、动态范围、谐波失真、采集同步和功率消耗等方面性能表现优越,系统工作在500SPS及以下采样率时，等效输入噪声仅3μV,最佳动态范围125dB,谐波失真均在0.5％以下，并且经过长时间的实际采集测试，节点间采集同步误差小于5μs，单个节点功耗约为2.343W,满足了隧道地质超前预报的需求，实现了宽采样率、高精度、低功耗、多采样模式和高度同步的硬件采集系统。 |
| 作者： | 袁曦 |
| 专业： | 通信工程 |
| 导师： | 张德敬 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 山东大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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