人耳所能接收到的物體振動(dòng)產(chǎn)生的彈性波的頻率范圍為20 Hz~20 kHz，凡是低于這個(gè)范圍的聲波都稱為次聲波。次聲波具有頻率低、能量大、穿透力強(qiáng)，易于接收等特點(diǎn)。

　　長(zhǎng)期以來(lái)的科學(xué)試驗(yàn)表明，地震、泥石流等自然災(zāi)害事件在孕育、發(fā)生和發(fā)展的過(guò)程中均可能向大氣中輻射低頻的次聲波[1]。通過(guò)監(jiān)測(cè)和分析這些次聲波信號(hào)，對(duì)次聲波源進(jìn)行定位，研究次聲波的產(chǎn)生和傳播規(guī)律來(lái)揭示次聲波信號(hào)與自然事件的關(guān)聯(lián)性，可以達(dá)到預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)自然災(zāi)害事件并進(jìn)行短期預(yù)警的目的[2]。高精度、高動(dòng)態(tài)范圍、穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高的次聲波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)次聲波數(shù)據(jù)的采集以及進(jìn)一步的研究應(yīng)用都有著重要的意義。

　　本文設(shè)計(jì)采用低功耗、高可靠性的STM32作為主控制器，連接MAX293和24位精準(zhǔn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1246，同時(shí)掛載SD卡、溫濕度傳感器、GPS模塊構(gòu)成一套無(wú)線次聲波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)串口與上位機(jī)通信完成參數(shù)配置，并且通過(guò)網(wǎng)口連接無(wú)線路由器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸到主服務(wù)器，達(dá)到遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)次聲波的目的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括了次聲傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源模塊、USB/串口、網(wǎng)口接口部分、GPS模塊、3G轉(zhuǎn)WiFi模塊以及基于LabVIEW平臺(tái)的上位機(jī)部分。

2 硬件部分

　　2.1 次聲信號(hào)的獲取

　　InSYS2008型超低頻次聲測(cè)量傳感器是一種電容式次聲傳感器，它具有溫度系數(shù)低、工作溫度范圍寬、工作濕度范圍寬，潮濕氣候?qū)`敏度影響極小等特點(diǎn)，該傳感器只對(duì)聲波敏感，而對(duì)振動(dòng)不敏感，具有很好的抗振動(dòng)干憂性能和良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性[3]。該傳感器的頻率響應(yīng)范圍為0.001 Hz~100 Hz,靈敏度為750 mV/Pa，完全能夠滿足次聲信號(hào)的采集要求。

　　2.2 信號(hào)調(diào)理

　　次聲波在大氣中傳播的過(guò)程中因風(fēng)噪及地形因素造成的信號(hào)混疊、偶然事件引起的噪聲以及系統(tǒng)噪聲等是主要的干擾[4]。濾波電路設(shè)計(jì)采用八階橢圓形濾波器MAX293，該濾波器具有很快的滾降速度，通帶到阻帶的過(guò)渡帶可以很窄，它具有固定的頻率響應(yīng)函數(shù)，只需要設(shè)定所需要的截止頻率即可。在本設(shè)計(jì)中，由STM32根據(jù)預(yù)設(shè)截止頻率值的大小輸出相應(yīng)的CLK信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。濾波電路如圖2所示， 其中AVDD為5 V，DVDD為3.3 V。圖中的NCMOS電路完成電平雙向轉(zhuǎn)換的功能，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用中測(cè)試，它能在保留所需要的次聲波信號(hào)頻段信息的前提下，有效地抑制干擾。

　　2.3 數(shù)據(jù)采集和處理

　　信號(hào)采集采用TI公司生產(chǎn)的ADS1246，它是一種24位Δ-Σ型高精度無(wú)失碼模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最大數(shù)據(jù)輸出率為2 kS/s，可以根據(jù)需要配置相應(yīng)的寄存器，設(shè)置不同的采樣率和PGA增益值。

　　數(shù)據(jù)處理采用STM32系列單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心,它采用最新的32位ARM Cortex-M3內(nèi)核,性能高、功耗小、成本低且處理速度快,工作頻率最高可達(dá)到72 MHz,并且還具有豐富的外設(shè)。在本設(shè)計(jì)中采用STM32F103ZE作為主控芯片，通過(guò)SPI外設(shè)接口分別與ADS1246和網(wǎng)絡(luò)接口芯片ENC28J60直接進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。相關(guān)原理圖如圖3所示。

　　2.4數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

　　在本設(shè)計(jì)中，網(wǎng)絡(luò)暫時(shí)不通或服務(wù)器關(guān)機(jī)時(shí)，將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)暫存器上，等到網(wǎng)絡(luò)連通之后，再將暫存器上的數(shù)據(jù)文件發(fā)送到網(wǎng)口進(jìn)行傳輸。暫存器采用大容量SD卡及USB盤,并且設(shè)置暫存優(yōu)先級(jí)為：USB盤，SD卡。網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后數(shù)據(jù)續(xù)傳的優(yōu)先級(jí)依然是：USB盤，SD卡。這樣就能夠達(dá)到將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到USB盤中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)獲取的目的。

3 軟件部分

　　3.1 LabVIEW通信部分設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)軟件開發(fā)平臺(tái)采用LabVIEW，它采用圖形化編程的G語(yǔ)言，擁有面向數(shù)據(jù)采集、GPIB、串行儀器控制等豐富的擴(kuò)展函數(shù)庫(kù)，并且采用流程圖式的編程方式，具有十分強(qiáng)大的功能。LabVIEW的編程設(shè)計(jì)分為前面板部分和程序框圖部分，前者可以模擬真實(shí)儀器的前面板，用于設(shè)置數(shù)值和觀察輸出量，后者則是對(duì)應(yīng)于前面板的G語(yǔ)言程序[5]。在本設(shè)計(jì)中，LabVIEW上位機(jī)設(shè)計(jì)主要包括控制面板和顯示面板部分。前者主要向下位機(jī)發(fā)送控制命令，完成對(duì)采集系統(tǒng)采樣率，濾波器截止頻率等相關(guān)參數(shù)的配置，同時(shí)在收到下位機(jī)發(fā)送的配置完成信號(hào)后發(fā)啟動(dòng)命令啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集等工作;后者主要用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)察儀器的工作情況,確保相關(guān)參數(shù)配置生效，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)觀測(cè)和保存。

　　上位機(jī)和下位機(jī)通過(guò)串口中斷的方式完成交互和握手。圖4是LabVIEW上位機(jī)與STM32下位機(jī)部分通信的下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖，主要包括控制命令的發(fā)送和ADC采集數(shù)據(jù)的接收和顯示。

　　3.2 STM32軟件設(shè)計(jì)

　　STM32采用MDK作為開發(fā)環(huán)境，STM32軟件設(shè)計(jì)主要包含SPI方式控制ADS1246，SPI方式控制網(wǎng)絡(luò)接口芯片ENC28J60以及SDIO模式控制SD卡。相應(yīng)設(shè)計(jì)部分的流程如圖5所示。

　　系統(tǒng)上電以后進(jìn)行初始化，然后接收LabVIEW上位機(jī)通過(guò)串口發(fā)送來(lái)的控制命令，完成相關(guān)參數(shù)的配置和啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集。同時(shí)完成ENC28J60復(fù)位、工作方式設(shè)置等相關(guān)操作，然后等待網(wǎng)絡(luò)連通。如果網(wǎng)絡(luò)不通則將采集到的數(shù)據(jù)存放到暫存器中，當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)連通時(shí)則根據(jù)設(shè)置的優(yōu)先級(jí)將暫存器中的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)口發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。

　　在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)接收到信號(hào)數(shù)據(jù)后可以將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)或者以固定的時(shí)間間隔分批進(jìn)行傳輸，即可以通過(guò)LabVIEW控制面板設(shè)置傳輸以固定時(shí)間間隔T、每次傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為N的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制格式，每個(gè)數(shù)據(jù)為4 B的二進(jìn)制碼依次排列。另外，設(shè)計(jì)中又在每個(gè)數(shù)據(jù)文件的頭部再加上64 B的字符數(shù)據(jù)，用以記錄時(shí)間、經(jīng)緯度等一些必要的信息，這樣兩部分構(gòu)成了實(shí)際的數(shù)據(jù)文件。然后，再將每個(gè)數(shù)據(jù)文件發(fā)送到網(wǎng)口進(jìn)行傳輸,傳輸采用TCP/IP協(xié)議。

　　4 測(cè)試與總結(jié)

　　圖6為應(yīng)用本無(wú)線次聲波采集系統(tǒng)在服務(wù)器端用MATLAB繪制的次聲信號(hào)時(shí)域波形圖。圖中的尖峰表示振動(dòng)下次聲場(chǎng)產(chǎn)生異常。反復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明本系統(tǒng)可以在噪聲場(chǎng)存在的條件下較好地完成對(duì)次聲信號(hào)的測(cè)量和傳輸，對(duì)次聲信號(hào)的進(jìn)一步處理、研究和應(yīng)用都有著重要的意義。

參考文獻(xiàn)

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　　[2] 夏雅琴,胡爭(zhēng)杰,鄭菲.震前次聲波特征信號(hào)研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,31(5):461-470.

　　[3] 謝金來(lái),陶中達(dá),謝照華.高靈敏度寬頻帶次聲傳感器[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2003,23(5):428-432.

　　[4] 夏雅琴,王微，張斌，等. 次聲信號(hào)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,32(6):573-576.

　　[5] 孫秋野,柳昂,王云爽.LabVIEW 8.5快速入門與提高[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2009.