专利名称：数字强震仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及地震信号检测领域，尤其涉及数字强震仪。
背景技术：
大震造成的巨灾对生命财产的破坏非常严重。当大震发生时，通过专门的仪器快速获取的有关地震烈度的数据对指导抗震救灾有重要意义，有助于在短时间内判断宏观震中以及地震造成破坏的程度。破坏性地震发生时，对重大工程、生命线工程以及公众集中的场所和设施需要提供地震紧急处置措施和报警信息。例如针对高速铁路的地震灾害防御， 需要强震观测仪器能够实时捕捉地震信号，准确判断地震破坏程度，及时采取处置措施确保安全。从捕捉到地震信号，判断破坏程度到最终采取紧急措施，要求在尽可能短的时间内完成，提高了对强震仪实时性的要求。由强震仪组成的强震观测网络，直接为抗震设防服务，获得的强震纪录为重大工程、结构的抗震设防提供依据，在地震工程科学研究和防震减灾工作中发挥了重要的作用。 用于强震观测的仪器是一种典型的模数混合嵌入式系统，通常包括有前置放大电路，高分辨率AD转换器，嵌入式处理器，通信接口以及高精度的时间服务系统。由于防震减灾领域对地震灾害防御的标准和要求日渐提高，需要强震观测系统能及时提供地震烈度参数并进行地震紧急处置。现有技术中，例如专利文献CN1407349A, ZL200420018483. X，ZL200920003722. 7 以及ZL2008200776M.4，还未有任何方案对仪器的实时性有专门的说明或措施，通常是采用单一的嵌入式处理器进行地震数据的采集和处理，同时还要完成远程通信、数据存储等功能。由于嵌入式系统的处理能力有限，随着仪器功能的增加，处理任务数量庞大，即便是采用32位的嵌入式处理器，在不同的处理任务之间进行切换会浪费大量的处理器工作时间，不能保证烈度速报和紧急处置任务对实时性的严格要求。此外，精确的烈度算法计算量较大，在嵌入式系统上实现会占用大量的时间，无法实现真正的烈度速报。有的强震仪采用了 8位或16位的嵌入式微控制器作为主控CPU，虽然降低了成本，但是牺牲了系统的整体性能和灵活性，大大限制了其应用的范围。因此，采用单一嵌入式微控制器的强震仪性能较低，灵活性较差。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了数字强震仪。本发明提供了一种数字强震仪，包括地震信号采集转换单元、地震信号处理与控制单元、地震数据管理单元、人机交互单元以及电源管理单元；地震信号采集转换单元，用于采集地震信号，并将地震信号进行数字化处理后发送至地震信号处理与控制单元；地震信号处理与控制单元包括数字信号处理器、程序存储器和随机存储器；用于地震事件判断、烈度计算和紧急处置控制；
地震数据管理单元包括嵌入式微控制器、程序存储器和随机存储器和网络控制器；用于接收来自地震信号处理与控制单元的数据，按照一定的格式进行整理之后发送至人机交互单元；人机交互单元，用于实现用户与数字强震仪之间信息与数据交流；电源管理单元用于为地震信号采集转换单元、地震信号处理与控制单元、地震数据管理单元以及人机交互单元供电。在一个示例中，地震信号采集转换单元包括第一水平向加速度计、第二水平向加速度计、垂直向加速度计、第一差分运算放大器、第二差分运算放大器、第三差分运算放大器和模数转换器；第一水平向加速度计、第二水平向加速度计、垂直向加速度计分别与第一差分运算放大器、第二差分运算放大器、第三差分运算放大器连接；第一水平向加速度计、第二水平向加速度计和垂直向加速度计用于输出电压信号；第一差分运算放大器、第二差分运算放大器和第三差分运算放大器用于对接收到的电压信号进行差分放大并将放大后的电压信号输入模数转换器；模数转换器用于将接收到的电压信号量化为数字信号并输入数字信号处理器；数字信号处理器对数字信号进行处理后，向嵌入式微控制器输出地震数据。在一个示例中，地震信号处理与控制单元还包括两路继电器，其中一路为常开路继电器，另一路为常闭路继电器；继电器由数字信号处理器的通用输入/输出管脚控制。在一个示例中，地震数据管理单元还包括与嵌入式微控制器连接的数据存储器、 网络控制器、串行存储器和异步串行接口芯片；数据存储器，用于存储地震数据；嵌入式微控制器，用于接受用户的命令，并执行对数字强震仪的设置以及对保存在数据存储器内地震数据的管理；串行存储器，用于数字强震仪的基本参数和工作参数；网络控制器，用于控制嵌入式微控制器与人机交互单元之间的信息与数据交流。在一个示例中，人机交互单元包括LED指示灯，用户按键和IXD显示屏；LED指示灯，用户按键和IXD显示屏连接在嵌入式微控制器通用输入/输出接口上。在一个示例中，电源管理单元包括3. 3V电压生成模块，1. 8V电压生成模块，1. 2V 电压生成模块，士 12V电压生成模块，以及士 12V电压生成模块；电源管理单元接收9-15V 直流电压，并将9-15V直流电压提供至3. 3V电压生成模块，1. 8V电压生成模块，1. 2V电压生成模块，5V电压生成模块，以及士 12V电压生成模块。在一个示例中，地震信号采集转换单元还包括第四差分运算放大器，第四差分运算放大器的输出端与模数转换模块连接，第四差分运算放大器的输入端用作备用通道。在一个示例中，LED指示灯和用户按键的数量均为4组。在一个示例中，第一水平向加速度计、第二水平向加速度计和垂直向加速度计输出的电压信号为单端电压信号或者差分电压信号；第一水平向加速度计用于测量东西向水平加速度，第二水平向加速度计用于测量南北向水平加速度。在一个示例中，第一差分运算放大器、第二差分运算放大器、第三差分运算放大器和第四差分运算放大器的型号均为0PA1632 ；模数转换器的型号为ADS1274 ；地震信号处理与控制单元的数字信号处理器的型号为ADSP-BF533，地震信号处理与控制单元的程序存储器的型号为M25P64，地震信号处理与控制单元的随机存储器的型号为HY57V561620 ；地震数据管理单元的嵌入式微控制器的型号为AT91SAM拟60，地震数据管理单元的程序存储器的型号为K9F2G08，地震数据管理单元的随机存储器的型号为HY57V2561620，地震数据管理单元的网络控制器的型号为DP83848，地震数据管理单元的异步串行接口芯片的型号为MAX3221 ；5V电压生成模块的型号为MC78M05，士 12V电压生成模块的型号为WRA1212D， 3. 3V电压生成模块的型号为LM2575-3. 3V，1. 8V电压生成模块，1. 2V电压生成模块的型号为 AMS1117-1. 2V。本发明提供的强震仪能够应对目前以及未来对大震巨灾进行灾害防御的需求。本发明能够进行地震灾害防御，能够实时捕捉地震信号，准确判断地震破坏程度，及时采取处置措施确保安全。本发明采用数字信号处理器来专门完成地震信号采集、分析处理、烈度计算以及紧急处置控制等，对计算负荷较低与实时性较弱的功能和任务由嵌入式微控制器来完成，实现了仪器功能的分级与分布处理，大大提高了系统的实时性和可靠性。由于选用的数字信号处理器具有优异的处理和计算性能，为将来烈度计算方法与紧急处置控制算法的改进、优化以及升级留有足够的冗余。
下面结合附图来对本发明作进一步详细说明，其中图1是本发明提供的数字强震仪的系统框图；图2是地震信号采集转换单元示意图；图3是地震信号处理与控制单元示意图；图4是地震数据管理单元示意图；图5是人机交互单元示意图；图6是电源管理单元示意图。
具体实施例方式如图1所示，本发明提供的具有烈度速报、紧急处置以及强震数据记录等功能的数字化强震仪，包括地震信号采集转换单元、地震信号处理与控制单元、地震数据管理单元、人机交互单元以及电源管理单元。地震信号采集转换单元，主要由差分运算放大器与模数转换器等芯片构成。该单元的差分运算放大器接受来自加速度传感器的输出电压信号作为输入，电压信号既可以是单端的，也可以是差分的。电压信号经过增益转换之后输入到模数转换器，将模拟电压信号转换成数字信号，输出到地震信号处理与控制单元。本单元采用4路差分运算放大器0PA1632作为加速度传感器输入电压信号。输入电压可以是单端也可以是差分形式，由 0PA1632统一转换为差分形式输出。0PA1632输出的信号被4路同步转换M位精度的模数转换器ADS1274量化为数字信号。量化后的数字信号从ADS1274的数字串行端口输出给数字信号处理器。强震仪通常接入三个通道的加速度计信号，这三个通道的信号分别来自测量东西向水平加速度计、测量南北向的水平加速度计以及测量垂直向的加速度计。本方案中的模数转换器具有4个通道，余下的一个通道作为备用。地震信号处理与控制单元，主要由数字信号处理器、程序存储器和随机存储器等芯片构成。该单元中的数字信号处理器将数字化后的数据放入随机存储器内进行处理，处理的内容包括地震事件判断、烈度计算和紧急处置控制。程序存储器用来保存数字信号处理器运行所需的程序。本单元的数字信号处理器为ADSP-BF533，程序存储器为M25P64，随机存储器为HY57V561620。数字信号处理器ADSP-BF533将数字化后的数据放入随机存储器内进行处理，处理的内容包括地震事件判断、烈度计算和紧急处置控制。程序存储器M25P64 用来保存数字信号处理器运行所需的程序。紧急处置控制装置为两路继电器，一路为常开， 另一路为常闭，由ADSP-BF533的通用输入输出管脚控制。当地震来临，确认需要采取紧急处置控制时，ADSP-BF533的通用输入输出管脚控制继电器，输出控制动作。地震数据管理单元，主要由嵌入式微控制器、程序存储器、随机存储器和网络控制器等芯片组成。地震信号处理与控制单元的数字信号处理器通过同步串行口与嵌入式处理器相连，进行数据交换。嵌入式微控制器负责接收来自地震信号处理与控制单元的地震数据，按照一定的格式进行整理之后从串行接口或网络接口实时发送出去，并存储在本地的存储卡内作为备份。本单元接受用户的命令，执行对系统的设置以及保存在存储卡内地震数据的管理。本单元嵌入式微控制器为AT91SAM拟60，程序存储器为K9F2G08，随机存储器为HY57V2561620，网络控制器为DP83848，异步串行接口芯片MAX3221。地震信号处理与控制单元的数字信号处理器ADSP-BF533通过其自带的同步串行口与嵌入式微控制器 AT91SAM9260自带的同步串行口相连，进行数据交换。嵌入式微控制器AT91SAM9260负责接收来自地震信号处理与控制单元的地震数据，按照一定的格式进行整理之后从自带的异步串行接口或网络接口实时发送出去，并存储在本地的SD卡内作为备份。嵌入式控制器接受用户的命令，执行对系统的设置以及保存在SD卡内地震数据的管理。为了保存仪器的基本参数和工作参数，嵌入式微控制器AT91SAM9260的SPI 口接有串行存储器AT45D161，用来保存这些参数。人机交互单元，负责用户与仪器之间直接进行信息与数据交流。本单元包括4组 LED指示灯，4组用户按键，单色IXD显示屏等。嵌入式微控制器AT91SAM9260有丰富的通用输入输出接口，人机交互单元的组件就连接在这些通用输入输出接口上。电源管理单元，负责将外部输入的直流电源转换为系统各个器件所需的适宜的供电电压，本系统需要的供电电压有模拟电源5V、士 12V，数字电源3. 3V、1.8V、1.2V。电源管理单元有不同的器件为模拟电路和数字电路供电，模拟电源的5V电压由MC78M05提供， 士 12V电压由电源模块WRAl212D提供，数字电源的3. 3V电压由LM2575-3. 3V提供，1. 8V电压由 AMS1117-1. 8V, 1. 2V 电压由 AMS1117-1. 2V 提供。本发明提供了集强震观测、烈度速报与紧急处置功能于一身的数字化强震观测仪器。针对烈度速报与紧急处置的计算负荷高，实时性强的特点，本发明采用数字信号处理器完成地震信号采集、分析处理、烈度计算以及紧急处置控制等处理任务，而其他如数据管理、通信、人机接口等计算负荷较低与实时性较弱的功能和任务由嵌入式微控制器来完成， 实现了仪器功能的分级与分布处理，大大提高了系统的实时性和可靠性。由于选用的数字信号处理器具有优异的处理和计算性能，为将来烈度计算方法与紧急处置控制算法的改进、优化以及升级留有足够的冗余。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此。任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，均可对其进行适当的改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种数字强震仪，其特征在于，包括地震信号采集转换单元、地震信号处理与控制单元、地震数据管理单元、人机交互单元以及电源管理单元；地震信号采集转换单元，用于采集地震信号，并将地震信号进行数字化处理后发送至地震信号处理与控制单元；地震信号处理与控制单元包括数字信号处理器、程序存储器和随机存储器；用于地震事件判断、烈度计算和紧急处置控制；地震数据管理单元包括嵌入式微控制器、程序存储器和随机存储器和网络控制器；用于接收来自地震信号处理与控制单元的数据，按照一定的格式进行整理之后发送至人机交互单元；人机交互单元，用于实现用户与数字强震仪之间信息与数据交流； 电源管理单元用于为地震信号采集转换单元、地震信号处理与控制单元、地震数据管理单元以及人机交互单元供电。
2.如权利要求1所述的数字强震仪，其特征在于，地震信号采集转换单元包括第一水平向加速度计、第二水平向加速度计、垂直向加速度计、第一差分运算放大器、第二差分运算放大器、第三差分运算放大器和模数转换器；第一水平向加速度计、第二水平向加速度计、垂直向加速度计分别与第一差分运算放大器、第二差分运算放大器、第三差分运算放大器连接；第一水平向加速度计、第二水平向加速度计和垂直向加速度计用于输出电压信号； 第一差分运算放大器、第二差分运算放大器和第三差分运算放大器用于对接收到的电压信号进行差分放大并将放大后的电压信号输入模数转换器；模数转换器用于将接收到的电压信号量化为数字信号并输入数字信号处理器； 数字信号处理器对数字信号进行处理后，向嵌入式微控制器输出地震数据。
3.如权利要求2所述的数字强震仪，其特征在于，地震信号处理与控制单元还包括两路继电器，其中一路为常开路继电器，另一路为常闭路继电器；继电器由数字信号处理器的通用输入/输出管脚控制。
4.如权利要求3所述的数字强震仪，其特征在于，地震数据管理单元还包括与嵌入式微控制器连接的数据存储器、网络控制器、串行存储器和异步串行接口芯片；数据存储器，用于存储地震数据；嵌入式微控制器，用于接受用户的命令，并执行对数字强震仪的设置以及对保存在数据存储器内地震数据的管理；串行存储器，用于数字强震仪的基本参数和工作参数；网络控制器，用于控制嵌入式微控制器与人机交互单元之间的信息与数据交流。
5.如权利要求4所述的数字强震仪，其特征在于，人机交互单元包括LED指示灯，用户按键和IXD显示屏；LED指示灯，用户按键和IXD显示屏连接在嵌入式微控制器通用输入/ 输出接口上。
6.如权利要求4所述的数字强震仪，其特征在于，电源管理单元包括3.3V电压生成模土夬，1. 8V电压生成模块，1. 2V电压生成模块，士 12V电压生成模块，以及士 12V电压生成模块；电源管理单元接收9-15V直流电压，并将9-15V直流电压提供至3. 3V电压生成模块， 1. 8V电压生成模块，1. 2V电压生成模块，5V电压生成模块，以及士 12V电压生成模块。
7.如权利要求6所述的数字强震仪，其特征在于，地震信号采集转换单元还包括第四差分运算放大器，第四差分运算放大器的输出端与模数转换模块连接，第四差分运算放大器的输入端用作备用通道。
8.如权利要求7所述的数字强震仪，其特征在于，LED指示灯和用户按键的数量均为4组。
9.如权利要求8所述的数字强震仪，其特征在于，第一水平向加速度计、第二水平向加速度计和垂直向加速度计输出的电压信号为单端电压信号或者差分电压信号；第一水平向加速度计用于测量东西向水平加速度，第二水平向加速度计用于测量南北向水平加速度。
10.如权利要求9所述的数字强震仪，其特征在于，第一差分运算放大器、第二差分运算放大器、第三差分运算放大器和第四差分运算放大器的型号均为0PA1632 ；模数转换器的型号为ADS1274 ；地震信号处理与控制单元的数字信号处理器的型号为ADSP-BF533，地震信号处理与控制单元的程序存储器的型号为M25P64，地震信号处理与控制单元的随机存储器的型号为HY57V561620 ；地震数据管理单元的嵌入式微控制器的型号为AT91SAM拟60， 地震数据管理单元的程序存储器的型号为K9F2G08，地震数据管理单元的随机存储器的型号为HY57V2561620，地震数据管理单元的网络控制器的型号为DP83848，地震数据管理单元的异步串行接口芯片的型号为MAX3221 ；5V电压生成模块的型号为MC78M05，士 12V电压生成模块的型号为WRA1212D，3. 3V电压生成模块的型号为LM2575-3. 3V，1. 8V电压生成模块，1. 2V电压生成模块的型号为AMSl 117-1. 2V。
全文摘要
本发明公开了数字强震仪，包括地震信号采集转换单元、地震信号处理与控制单元、地震数据管理单元、人机交互单元以及电源管理单元；地震信号采集转换单元，用于采集地震信号，并将地震信号进行数字化处理后发送至地震信号处理与控制单元；地震信号处理与控制单元，用于地震事件判断、烈度计算和紧急处置控制；地震数据管理单元，用于接收来自地震信号处理与控制单元的数据，按照一定的格式进行整理之后发送至人机交互单元；人机交互单元，用于实现用户与数字强震仪之间信息与数据交流；电源管理单元用于为地震信号采集转换单元、地震信号处理与控制单元、地震数据管理单元以及人机交互单元供电。本发明能够进行地震灾害防御。
文档编号G01V1/18GK102411154SQ201110216889
公开日2012年4月11日 申请日期2011年7月29日 优先权日2011年7月29日
发明者杨振宇 申请人:中国地震灾害防御中心