基于MEMS的无线数字地震检波器

1. 引言

近年来，随着计算机和电子技术的快速发展，并应用到地震勘探领域，同时也提高了探测技术和数据采集技术的水平。在交通领域[1] [2]、建筑领域[3] [4]、海洋领域[5] [6]以及矿山领域[7] [8]普遍存在着地震勘探，对我国甚至世界查找资源、地质普查以及安全预报做出卓越贡献。但是，用于分析地震勘探数据的理论和系统虽然已逐渐完善，但是，作为地震勘探中最关键的部件，地震检波器的发展较慢。目前，在国内应用得比较广泛的地震检波器种类是模拟地震检波器[9]，它是运用电磁感应的方式将地震波的振动信号转化为电信号并进行模拟传输。它存在精度不高、灵敏度低、频响范围小的缺点，满足不了日益发展的地震勘探的需要。在数字地震检波器的应用方面，国内尚处于起步阶段，主要由部分大学、检波器厂家和科研院所在进行相关的研发，但目前大都处于实验室研发阶段，还没有成熟的相关产品大范围地投入实际应用[10]。由此可见，开发一种高精度、高灵敏度、宽频带稳定可靠的地震检波器势在必行。

2. 地震检波器总体设计

2.1. 地震检波器组成

Figure 1. Block diagram of MEMS-based wireless digital seismic detector

图1. 基于MEMS的无线数字地震检波器结构框图

基于MEMS的无线数字地震检波器由MEMS传感器板、放大采集板、FPGA控制主板、无线触发接收板、无线WIFI模块板和供电电源电路组成的。它的功能包括接收触发信号并感知地震信号，并把此信号进行抗干扰处理后，转换成地震数字信号，存储该地震数字信号，同时可把地震数字信号以无线WIFI方式传输给与之关联的地震主机。另外，基于MEMS的无线数字地震检波器也可以通过无线WIFI接收地震主机传来的参数和命令。基于MEMS的无线数字地震检波器组成如图1所示。

2.2. 地震检波器设计的难点与对策

基于MEMS无线数字地震检波器设计的难点在于：1) 微弱信号的获取：微弱信号低至几百纳伏，而干扰信号与之相比要大得多，消除干扰信号尤为重要；2) 低功耗设计：本检波器野外连续工作时间长，而供电电池容量有限，必须采用低功耗设计；3) MEMS传感芯片安装设计：要保证MEMS传感芯片获得高精度微弱信号，必须设计有与该MEMS芯片具有很好的耦合的固定机构；4) 传感器总体结构设计：合理设计线路板，布置各个部件得当，降低部件及器件间的相互干扰；5) 无线通讯设计：由于本检波器要求低噪声、低功耗、高精度和体积的小设计，致使无线传输功率比较小，设计时必须对传输距离和传输速率进行合理平衡。

针对以上难点，应对的方法有：1) 芯片选择低噪声，相关信号芯片必须是高精度、低温漂。设计有去除干扰信号专用电路。电源设计有RC滤波电路；2) 在充分满足性能和功能的要求下，选择低功耗芯片和功能模块，同时也采用低功耗电路设计，保证连续工作时间超过12小时；3) MEMS传感芯片耦合结构设计：根据MEMS传感芯片形状大小在外壳内底部中心挖一个与该传感芯片大小相符的方坑，安装时把传感芯片紧密嵌入方坑，安装后使传感芯片紧密耦合传感器外壳底部，感知微弱信号；4) 总体结构设计：将传感器线路板分为三个部分：传感芯片及模拟信号处理模块，数字处理模块以及无线通讯模块，做到模拟电路、数字电路以及通讯高频电路分开，降低干扰信号。

2.3. 地震检波器工作原理

首先，本检波器和关联的地震主机联机后，接收地震主机传输的参数和命令，在FPGA控制主板的控制下，对放大采集板进行增益、采样间隔、采样点数以及各部件初始化设置，之后进入等待接收无线触发接收板传来的触发信号。当接收到触发信号时立即启动采集工作，MEMS传感器板感知地震信号变为电信号，此信号经过放大采集板的放大、滤波和缓冲放大电路的信号调理，并在FPGA控制主板的控制下，通过放大采集板24位AD采集电路转换为数字信号并存储，同时利用无线WIFI模块板把所采集的地震数据传输给地震主机进行存储、处理和显示。

2.4. 地震检波器的技术指标

Table 1. Technical specifications of MEMS-based wireless digital seismic detector

表1. 基于MEMS无线数字地震检波器技术指标

基于MEMS无线数字地震检波器整体技术指标如表1所示。

3. 地震检波器硬件设计

3.1. MEMS传感器板

MEMS传感器板核心芯片选择美国模拟器件公司(ADI)生产的ADXL203加速度芯片，它是一款具有高精度、高灵敏度、低噪声、低功耗的iMEMS型双轴加速计，性价比极高，其基本性能完全满足本检波器设计的要求。由于ADXL203芯片只有两轴，满足不了三轴的要求，现采用两片ADXL203，通过结构和电路上的合理设计，完全可以满足三轴的要求，其结构设计示意图如图2所示。

Figure 2. Schematic of triaxial detector using two ADXL203 chips

图2. 两个ADXL203芯片实现三轴检波器结构示意图

在图2中，MEMS传感器板由两块板组成的，一块ADXL203板横向布置，简称横板，另一块ADXL203板纵向布置，简称竖板。其中，横板规定为X轴方向、Y轴方向采集信号，竖板规定为Z轴方向采集信号，这样就可完成三轴功能。无论是横板，还是竖板，ADXL203传感器的基本电路原理图如图3所示。

Figure 3. Basic circuit diagram of the ADXL203 sensor board, (a) horizontal board schematic, (b) vertical board schematic

图3. ADXL203传感器板基本电路原理图，(a)横板原理图，(b)竖板原图

3.2. 放大采集板

放大采集板电路包括前置放大电路和A/D采集电路。前置放大电路1的前端是RC差模共模电路，对MEMS传感器板X轴输出的振动信号进行抗干扰滤波，后经过放大及二阶低通滤波进行信号放大滤波后，再经过单端转差分滤波匹配电路输出到AD采集电路1转换为数字信号存储在FPGA控制主板存储器中。放大采集板电路原理图如图4所示。

Figure 4. Basic circuit diagram of the amplification and acquisition board

图4. 放大采集板基本电路原理图

在图4中，放大器选择美国模拟器件公司(ADI)生产的一款高精度、低噪声、低失调以及低功耗的仪表放大器AD8231，增益×1、×2、×4、×8、×16、×32、×64、×128，并可编程控制。采集器选择美国模拟器件公司(ADI)生产的一款高精度、低噪声、低功耗的模数转换器AD7766，精度24位，采样率125 KHz。这两款芯片完全满足基于MEMS无线数字地震检波器设计要求。

3.3. FPGA控制主板

FPGA控制主板核心芯片选择美国Altera公司生产的CycloneⅣ系列EP4CE22F17C8。主要包括EP4CE22F17C8控制器、FLASH存储电路、模数转换控制接口、放大器增益控制接口、无线触发接收板接口、WIFI模块板接口、电源电路以及3.7 V电池输入接口，其组成如图5所示。从图中可以看出，除了电源部分，其余均由FPGA芯片EP4CE22F17C8控制。

Figure 5. Block diagram of the FPGA control mainboard

图5. FPGA控制主板基本组成框图

3.4. 无线触发接收板

无线触发接收板核心是无线触发接收模块，其接收到的触发信号经过放大电路、绝对比较电路和触发混合信号输出电路后，FPGA控制主板接收到触发信号，启动采集地震信号。触发信号是模拟信号，传输极快，从发出触发信号至采集开始这段时间极短，不超过20 uS，这为不同检波器的同步采集提供至关重要的基础。无线触发接收板基本原理图如图6所示。

Figure 6. Basic circuit diagram of the wireless trigger receiver board

图6. 无线触发接收板基本电路原理图

3.5. 无线WIFI模块板

Figure 7. Basic circuit diagram of the wireless WIFI module board

图7. 无线WIFI模块板基本电路原理图

无线WIFI模块板核心是WIFI模块，完全遵循国际标准的WIFI协议，在FPGA控制主板的控制下，负责与相关的地震主机进行数据传输，传输速率1000 Kbps。无线WIFI模块基本原理图如图7所示。

3.6. 供电电源设计

电源供电部分采用适配器和内部电池双供电，当在野外施工时，适配器不能供电，内部电池开始供电。内部电池工作时间一般不超过12个小时，电源设计示意图如图8所示。

Figure 8. Block diagram of the power supply design

图8. 供电电源设计框图

4. 地震检波器软件设计

基于MEMS无线数字地震检波器软件设计主要包括初始化程序编程、信号处理程序编程(包括放大增益设置程序和DSP滤波程序)、数据采集控制编程、数据存取编程(FLASH读取控制程序)以及无线通讯程序编程。当基于MEMS无线数字地震检波器工作时，其整体地震信号数据采集控制程序编程框图如下图9所示。

Figure 9. Block diagram of the seismic signal data acquisition design

图9. 地震信号数据采集设计框图

5. 地震检波器测试

为了验证设计的基于MEMS无线数字地震检波器的性能和功能是否能达到预期要求，进行了室内测试(如图10所示)和野外测试(如图11所示)来验证所设计的地震检波器是否能正确接收到地震波。

Figure 10. Schematic of indoor testing

图10. 室内测试示意图

Figure 11. Schematic of field experiment

图11. 野外实验示意图

图12所示是在室内用相同大小的震源，分别在距离0.3 m、0.6 m以及0.9 m处的振动试验得到的时域波形。

Figure 12. Time domain waveform of seismic waves

图12. 地震波时域波形

从室内和室外对本设计的基于MEMS无线数字地震检波器测试结果分析，其功能和性能满足设计的要求。

6. 结论

本文详细介绍并设计了一款基于MEMS无线数字地震检波器的硬件设计与实现，系统主要包括MEMS传感器板、放大采集板、传感器主板、无线触发接收板、无线WIFI模块板和供电电源设计等部分。设计的关键技术点如下：

1) 微弱信号获取：ADXL203传感器能够感知微弱的地震波并输出低至1 μV的信号，因此在设计过程中，信号的获取和干扰的排除成为主要挑战。通过优化芯片选型、线路板的合理设计和合理的摆放结构，提高了信号的准确性和可靠性。

2) 低功耗设计：为实现电池供电12小时持续工作，系统采用了低功耗设计策略。AD8231仪表放大器、AD8476缓冲放大器和AD7766模数转换器的选择，不仅保证了高精度、低噪声和低功耗，还在不同环境下具备稳定的性能表现。

3) 高精度和高灵敏度：系统采用高精度放大器和24位高分辨率模数转换器，实现了对微弱地震波信号的准确捕捉和数字化处理。这样设计确保了信号的高灵敏度和数据采集的高效率。

4) 无线通讯：利用WIFI模块进行信号的无线传输，增强了系统的便携性和实用性，适应了现代地震勘探的需求。

综上所述，本系统针对现代地震勘探中对高精度、高灵敏度和低功耗的需求，设计并实现了一套基于MEMS无线数字地震检波器。其创新点在于解决了微弱信号的获取与传输、低功耗设计及高效无线通讯等技术难题，具有广泛的应用前景。

NOTES

*通讯作者。

参考文献