隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市規(guī)模逐漸擴(kuò)大，大型結(jié)構(gòu)工程越來越多，而頻繁發(fā)生的地震災(zāi)害給這些大型結(jié)構(gòu)帶來一定程度的損害和破壞，尤其是強(qiáng)震的發(fā)生，不僅會(huì)直接造成人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且極易引起嚴(yán)重的次生災(zāi)害。因此進(jìn)行大規(guī)模典型結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)、加強(qiáng)抗震減災(zāi)建設(shè)成為重點(diǎn)任務(wù)。結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)已經(jīng)由專業(yè)的地震學(xué)研究逐步擴(kuò)展到防災(zāi)減災(zāi)、城市及重大工程強(qiáng)震預(yù)警等相關(guān)領(lǐng)域。這些因素又進(jìn)一步促進(jìn)了強(qiáng)震觀測(cè)儀器研制、強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)建設(shè)、強(qiáng)震觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)、理論研究等不斷深入發(fā)展。
　　在2001年前，中國強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)儀器數(shù)量少、功能落后并且分布不均，而由企業(yè)出資架設(shè)的強(qiáng)震儀器又沒有有效管理、充分運(yùn)行。為了改善這一局面，中國地震局于2001年啟動(dòng)了“數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”項(xiàng)目，旨在擴(kuò)展中國地震動(dòng)及強(qiáng)震動(dòng)數(shù)字觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，因此需要增設(shè)和更新大量功能先進(jìn)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)地震動(dòng)記錄儀。該類型儀器應(yīng)具備大存儲(chǔ)容量、自動(dòng)震動(dòng)觸發(fā)、自動(dòng)報(bào)警、本地串口通訊、遠(yuǎn)程Modem通訊、遠(yuǎn)程TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。這些先進(jìn)功能為強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)、強(qiáng)震動(dòng)記錄以及相關(guān)地震信息自動(dòng)傳輸創(chuàng)建了硬件基礎(chǔ)。
1 概述
　　目前國外的強(qiáng)震觀測(cè)儀器多采用24位△-Σ技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)120dB大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的地震信號(hào)采集。而中國生產(chǎn)的多數(shù)強(qiáng)震儀器多采用二十世紀(jì)90年代的并行16位A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，其動(dòng)態(tài)范圍有限。中國地震局工程力學(xué)研究所的科研人員經(jīng)過努力完成了采用24位△-Σ技術(shù)的多通道大容量同步精密強(qiáng)震記錄器的研制。該多通道數(shù)字強(qiáng)震記錄器主要由模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)采集控制電路、工控計(jì)算機(jī)主板、鍵盤、顯示器等相關(guān)配件組成，其工作原理圖如圖1所示。

2 前置及模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路
　　24位強(qiáng)震記錄器由于其測(cè)量范圍較大、測(cè)量電路靈敏，極易引入干擾信號(hào)^[1]，因此電路設(shè)計(jì)上要仔細(xì)考慮隔離、抗干擾、屏蔽等問題，如前置調(diào)理電路與A/D轉(zhuǎn)換電路的靜電屏蔽、模擬電源與數(shù)字電源要完全隔離。每一塊模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路板包含九個(gè)測(cè)量通道，對(duì)于64通道的強(qiáng)震記錄器而言（其中包含一個(gè)時(shí)間通道），共需要七塊模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路板。該模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路主要由前置調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路所組成。下面就從電路設(shè)計(jì)角度分別介紹這兩部分及其電源處理電路。
2.1前置調(diào)理電路
　　多通道大容量同步精密強(qiáng)震記錄器最多可以同時(shí)測(cè)量64個(gè)通道信號(hào)，每個(gè)測(cè)量通道的前置調(diào)理電路完全相同并且各自獨(dú)立^[2～3]，其單通道前置調(diào)理電路原理圖如圖2所示。其中,輸入端的外界輸入信號(hào)幅值范圍為-5V～+5V，該信號(hào)疊加上由參考電壓電路輸出的+5V參考電壓后形成一個(gè)有效范圍為0V～10V的正極性電壓，輸入到1倍正向放大電路，經(jīng)過正向放大電路驅(qū)動(dòng)后再進(jìn)行二階低通濾波，在圖2中節(jié)點(diǎn)2處形成有效輸出電壓，該輸出電壓連接到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的+V_in端。同時(shí)為了使模/數(shù)轉(zhuǎn)換器正常工作，由圖2中節(jié)點(diǎn)3處提供2.5V參考電壓連接到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的-V_in端和V_REF端。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路
　　該強(qiáng)震記錄器選用△-Σ結(jié)構(gòu)的ADS1252作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器件。ADS1252是一個(gè)高精度、寬動(dòng)態(tài)范圍的△-Σ模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有24位分辨率、由單5V電源供電，可以完成一個(gè)通道的24位模/數(shù)轉(zhuǎn)換。該芯片的設(shè)計(jì)使用比較簡(jiǎn)單，只要滿足圖3所示的管腳CLK（時(shí)鐘信號(hào)）、SCLK（串行移位輸出時(shí)鐘信號(hào)）的工作時(shí)序，就能夠完成模擬信號(hào)到24位數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程。一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換周期需要384個(gè)時(shí)鐘周期，其中，DRDY需要36個(gè)時(shí)鐘周期，DOUT需要348個(gè)時(shí)鐘周期（見圖3的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換周期時(shí)序）。一個(gè)轉(zhuǎn)換周期期間，在DOUT時(shí)鐘周期內(nèi)，ADS1252的DOUT管腳就依次輸出24位二進(jìn)制轉(zhuǎn)換結(jié)果。最后通過三片串/并轉(zhuǎn)換芯片74HC595，即可將24位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三個(gè)8位并行數(shù)據(jù)輸出。

2.3 電源處理電路
　　為了提高測(cè)量精度、避免電源干擾，在電路設(shè)計(jì)中，模擬電路電源與數(shù)字電路電源完全分開，并且將模擬電路中前置調(diào)理電路與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的電源分開，其中，前置調(diào)理電路中所有的運(yùn)算放大器電源為獨(dú)立的穩(wěn)壓電源，所有A/D轉(zhuǎn)換器的電源為另一個(gè)獨(dú)立的+5V穩(wěn)壓電源，每一個(gè)電源部分都進(jìn)行必要的濾波。圖4為前置及模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路的電源處理電路。

3 數(shù)據(jù)采集控制電路
　　對(duì)于多通道大容量精密同步強(qiáng)震記錄器而言，其數(shù)據(jù)采集控制電路板是內(nèi)部核心電路板，它負(fù)責(zé)強(qiáng)震記錄器內(nèi)部邏輯控制與協(xié)調(diào)工作，即模/數(shù)轉(zhuǎn)換的啟?？刂啤⒆x取與發(fā)送所有通道的模/數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的降噪濾波初級(jí)計(jì)算、讀取兩種時(shí)間模塊的時(shí)間及時(shí)間校正、與工控計(jì)算機(jī)主板進(jìn)行通信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾N功能。其內(nèi)部電路共分為CPU控制電路、時(shí)間服務(wù)電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和邏輯控制電路三大部分，各部分在TMS320VC33微控制器的協(xié)調(diào)下工作。

3.1 時(shí)間服務(wù)電路
　　由于強(qiáng)震記錄器必須具備時(shí)間服務(wù)電路，并且該時(shí)間電路能提供高精度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，為提高時(shí)間服務(wù)電路的精度及速度，本記錄器中采用圖5所示的實(shí)時(shí)電路。該時(shí)間服務(wù)電路主要由作為CPU的單片機(jī)（時(shí)間服務(wù)電路的CPU）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片、GPS（內(nèi)含實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能）、可編程器件組成。單片機(jī)分別通過不同的端口讀取兩個(gè)不同類型時(shí)間設(shè)備的時(shí)間數(shù)據(jù)值，當(dāng)需要GPS時(shí)間數(shù)據(jù)值時(shí)，單片機(jī)通過串口來操作讀取該數(shù)值；當(dāng)需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)間數(shù)據(jù)值時(shí)，通過并口從實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片中獲得該時(shí)間值，最后都由單片機(jī)經(jīng)并口寫入先進(jìn)先出器件（即FIFO）中。在多通道強(qiáng)震記錄器啟動(dòng)后，如果GPS能夠成功定位，該記錄器自動(dòng)用GPS的時(shí)間數(shù)據(jù)來校正實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)間。但是在強(qiáng)震記錄器采樣過程中不能進(jìn)行校正，因?yàn)檫@會(huì)造成一定延遲而使數(shù)據(jù)采集控制電路沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)處理。
3.2 CPU控制電路
　　為了提高該多通道強(qiáng)震記錄器的數(shù)據(jù)采集及運(yùn)行速度、降低記錄器功耗，在采集控制電路設(shè)計(jì)時(shí)，選用32位浮點(diǎn)型DSP芯片TMS320VC33作為采集電路板的CPU。該芯片運(yùn)算速度快而且器件功耗低，支持32位指令字、24位地址線，外圍接口有兩個(gè)32位時(shí)鐘，四個(gè)外部中斷、一個(gè)串口，并且提供兩種低功耗運(yùn)行方式。該DSP芯片負(fù)責(zé)控制啟停模/數(shù)轉(zhuǎn)換、順序地讀取各個(gè)測(cè)量通道中的采樣數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到FIFO中、從FIFO中讀取數(shù)據(jù)以及通過BAB總線與工控計(jì)算機(jī)主板進(jìn)行通信,傳送各種命令信息和數(shù)據(jù)信息。
3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊及邏輯控制電路
　　在多通道強(qiáng)震記錄器中，通道測(cè)量數(shù)據(jù)和時(shí)間數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在一個(gè)器件，即FIFO（先進(jìn)先出）中。在該FIFO中依次存儲(chǔ)時(shí)間數(shù)據(jù)、第一個(gè)采樣通道數(shù)據(jù)、第二個(gè)采樣通道數(shù)據(jù)……最后一個(gè)采樣通道數(shù)據(jù)。對(duì)FIFO數(shù)據(jù)的寫、讀控制均由邏輯控制電路協(xié)同完成。同樣，DSP數(shù)據(jù)采集電路板中的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、CPU控制部分依靠邏輯譯碼電路和中斷機(jī)制來協(xié)調(diào)共同完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸功能。其總體邏輯控制原理如圖6所示。