分布式多通道同步采集系統(tǒng)設(shè)計

張法全，李宗敏，王國富，葉金才

(1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林541004;2.廣西無線寬帶通信與信號處理重點實驗室，廣西 桂林541004)

在微震采集系統(tǒng)中，為了能對微震位置準(zhǔn)確定位，各個傳感器的數(shù)據(jù)必須同步采集［1］。在設(shè)計中不但要解決各個采集終端之間的同步問題，也要解決同一個采集終端不同通道之間的同步問題。本文開發(fā)了一種基于GPS 與ADS1278 的分布式多通道同步采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以24 bit 八通道同步采樣A/D 轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)同一采集終端不同通道之間的同步采集，相比于傳統(tǒng)的頻分復(fù)用或多A/D 同步轉(zhuǎn)換，其結(jié)構(gòu)更加簡單，同步精度更高［2－3］。不同采集終端之間采用GPS 同步，通過使用分相法測量本地秒脈沖信號和1 pps 信號的差值，然后通過PID 算法計算出誤差控制量，最后調(diào)制恒溫晶振，使本地秒脈沖與1 pps 信號同步［4－6］。相比于傳統(tǒng)方法，該方法具有同步精度高，實現(xiàn)方式簡單等特點。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

分布式多通道數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)主要由信號調(diào)理模塊、ADS1278 采樣模塊、采集控制模塊、GPS 接收機模塊、液晶顯示模塊、恒溫晶振模塊、分頻器模塊、DAC 調(diào)理電路模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。系統(tǒng)原理:GPS 接收機模塊產(chǎn)生時間信息和定位信息在液晶顯示模塊上進行顯示，通過定位信息可以方便野外勘測時信號采集終端和傳感器的布設(shè)。GPS接收機模塊還產(chǎn)生1 pps 信號。恒溫晶振模塊通過鎖相環(huán)模塊(PLL)將輸出頻率20 MHz 倍頻到200 MHz，然后將信號分別延遲90°、180°、270°，這樣可以有效地減小計數(shù)誤差。通過分頻器將倍頻后的頻率進行分頻，得到本地秒脈沖信號和A/D 同步采集信號。利用時鐘分相算法測量穩(wěn)定1 pps 信號和本地秒脈沖之間的誤差，用PID 控制算法對時間差進行處理，得到DAC 頻率偏差控制量。通過DAC 調(diào)理電路對恒溫晶振模塊輸出的頻率進行微調(diào)，進而使穩(wěn)定1 pps 信號和本地秒脈沖信號同步，最終使各個采集終端進行高精度同步采集。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 多通道同步數(shù)據(jù)采集

2.1 前端信號調(diào)理

由于接收到的微震信號非常微弱，而環(huán)境噪聲和干擾很強，故在AD 輸入端對微震信號進行調(diào)理，以濾除電路的環(huán)路噪聲，提高共模抑制比。前端調(diào)理電路如圖2 所示，選用THS4521 作為A/D 的驅(qū)動電路，通過差分方式輸入，以提高信號的抗干擾能力。由于A/D 差分輸入端對地的電壓都必須大于0，即

所以，給差分放大器提供2.5 V 的共模電壓，使輸入電壓范圍為－2.5 ～ +2.5 V，2.5 V 的共模電壓由AD1278 的VCOM 端經(jīng)過跟隨器濾波后提供。為了減小信號的失真，電路中的元件參數(shù)應(yīng)盡可能地對稱，設(shè)計中選用誤差為1%的優(yōu)質(zhì)金屬薄膜電阻和Panasonic 公司生產(chǎn)的PPS 薄膜電容。

2.2 A/D 轉(zhuǎn)換電路

設(shè)計中選用八通道同步采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片ADS1278，其內(nèi)部集成了8 個并行工作的轉(zhuǎn)換器，每個通道之間的同步采樣誤差小于500 ps，采樣率可達144 kS/s，具有非常低的漂移和帶內(nèi)噪聲。ADS1278 可以通過MODE 選擇高速、高分辨率、低功耗、低速四種模式。具體設(shè)計電路如圖3 所示，通過FORMAT 將數(shù)據(jù)輸出格式為SPI 時分復(fù)用模式?；鶞?zhǔn)電壓使用低噪聲精密基準(zhǔn)芯片REF5025 產(chǎn)生2.5 V 電壓，并經(jīng)過濾波后輸出提供，提高了基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

圖2 A/D 驅(qū)動電路

圖3 八通道A/D 轉(zhuǎn)換電路

3 GPS 時鐘同步

3.1 時間差測量

時鐘分相是把時鐘周期的多個相位加以利用，將一個周期按相位可分為360°，通過對原時鐘做一定延時就可以得到不同相位的時鐘信號，然后使用原時鐘信號和延時后的時鐘信號對時間差進行測量。通過鎖相環(huán)將20 MHz 的時鐘信號倍頻到200 MHz，然后將信號分別延遲90°，180°，270°，得到時鐘CLK2，CLK3，CLK4。如圖4 所示，若只用時鐘CLK1 對時間差測量，可測得6 個時鐘周期，測量結(jié)果為30 ns，其分辨率為5 ns。采用時鐘分相算法測量，4 路時鐘同時進行計數(shù)共測得21 個計數(shù)脈沖，即上升沿的個數(shù)為21 個，分辨率為1.25 ns，ΔI=26.25 ns，4 級時鐘分相算法誤差減少了3.75 ns，分辨率提高了4 倍。

圖4 時鐘分相算法原理

3.2 PID 算法

PID 算法執(zhí)行過程為通過將本地秒脈沖與1 pps 信號比較，然后得出時間誤差，并用這個誤差來調(diào)節(jié)控制器，進而實現(xiàn)本地秒脈沖與1PPS 信號同步。

根據(jù)圖5，PID 算法可表達式為

其中，e(t)為系統(tǒng)偏差，e(t)=r(t)－c(t)，r(t)為期望設(shè)定值，c(t)為實際輸出值。Kp為增益常數(shù)，Ki為積分系數(shù)，Kd為微分系數(shù)。

圖5 模擬PID 原理框圖

對于數(shù)字系統(tǒng)，使用一系列離散的采樣點來表示連續(xù)時間，用累加和來代替積分，用增量代替微分，可以得到數(shù)字PID 控制算法:

式中:e(m)，e(m－1)，e(m－2)分別為當(dāng)前、上次、前次測量的時間誤差，Δu(m)為電壓控制量的相對改變量。PID 控制器在ARM 內(nèi)部完成，ΔT 由FPGA 通過SPI 接口發(fā)送給ARM，然后通過該值來計算電壓控制量Δu(m)，調(diào)整DAC 輸出電壓值來控制恒溫晶振的頻率。

3.3 恒溫晶振調(diào)理

DAC 轉(zhuǎn)換電路將轉(zhuǎn)換成電壓值，然后對恒溫晶振的輸出頻率進行微調(diào)。本設(shè)計選用的恒溫晶振壓控端的控制范圍為0 ～5 V，輸出頻率為20 MHz±10 Hz，中心電壓為2.5 V。如圖6 所示，設(shè)計中選用20 位的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC1220，采用5 V 電源供電，D/A 輸出電壓范圍為0 ～2.5 V，所以采用放大電路OP1177 將電壓放大到0 ～5 V，使其范圍落在恒溫晶振的有效控制范圍內(nèi)。使用高精度和穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)芯片REF5025 提供2.5 V 的外部參考電壓，然后經(jīng)過濾波處理后給DAC 提供參考電壓。

圖6 恒溫晶振調(diào)理電路

4 實驗結(jié)果

基于FPGA 和ARM 控制平臺，設(shè)計了分布式多通道同步微震信號采集電路，實現(xiàn)了時鐘分相算法和PID 控制算法。在野外進行勘測時，對同步時鐘的精度進行測量，地點選在陜西省府谷縣某礦廠附近進行實驗測試。使用3 個終端進行實驗測試，每個采集終端連接8 個傳感器。圖7 為其中一個采集終端采集到的微震信號的一段波形。圖8 是GPS 同步時鐘工作1 h 后，2 個不同采集終端之間的同步采集時鐘放大后的波形圖，從圖中可以清楚地看到，2 個不同采集終端之間的同步采集時鐘精度優(yōu)于150 ns，滿足了微震信號采集同步采集的要求。

圖7 震動信號采集圖(截圖)

圖8 GPS 有效工作1 小時(截圖)

5 總結(jié)

針對微震采集系統(tǒng)中分布在不同位置的采集終端和同一采集端不同通道之間數(shù)據(jù)采集同步的要求，設(shè)計并且實現(xiàn)了硬件控制電路和軟件算法。使用ADS1278 八通道同步采集芯片實現(xiàn)同一采集終端各個通道之間的同步采集。將穩(wěn)定1 pps信號和本地秒脈沖利用時鐘分相算法進行測量，通過PID 算法將時間差轉(zhuǎn)換成DAC 頻率偏差控制量，通過DAC 調(diào)理電路對恒溫晶振的輸出頻率進行微調(diào)，最終使穩(wěn)定1 pps信號和本地秒脈沖信號同步，使各個采集終端之間能高精度同步工作。

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