12道集中式地震仪的设计
摘要
目前我国大规模的基础设施建设正在蓬勃发展，其中包括大量的铁路、地铁、引水等隧道建设和各种矿山的巷道开采。由于隧道及井巷多为隐蔽工程，且深埋于地下，其岩体的工程地质、水文地质条件复杂多变。加上隧道工程的山地条件增多，井巷工程的开采深度加大，通常在工程勘探阶段查明其相关的岩体特征以及可能存在的不良地质体的位置、规模和性质是极其困难的。在这种情况下，隧道及井巷工程施工过程中对前方地质条件的不可预见性增强，所造成的掘进头遭遇断层构造、煤与瓦斯突出、老空区、软弱岩层坍塌、突水等事故频频发生，不仅造成大量的经济损失，而且带来惨重的人员伤亡。因此为了避免由于勘探不精准而造成的地质灾害，在井巷施工过程中，必须采用科学、合理的方法进行超前探测与预报。
在多种超前探测方法中，反射地震波法是应用最多的一种方法。其中TSP法（隧道地震超前预报法）和TVSP法（隧道垂直地震剖面法）都是依据反射波原理进行超前探测。在国内进行超前探测，应用最多的还是TSP系统。本文以地震反射波法为理论基础，参考TSP法和TVSP法中的优点，进而设计出一套新型井下超前探测系统，即12道集中式地震仪。
本文首先对采集板和控制板进行了设计：通过模拟信号调理电路，完成模拟信号的滤波和线性放大；采用Delta-Sigma型24位A/D转换芯片，它不需要传统的浮点放大器与抗混叠滤波器等模拟电路，大幅度增加了系统的瞬时动态范围，提高了采集精度，而且集成度更高，降低了采集站的总重量和总功耗；设计FPGA接口电路，将A/D转换电路中输出的串行数据读出且缓存，并转换为并行数据流，实现与ARM接口的数据传输；选用ATMEL公司的AT91RM9200芯片完成ARM最小控制系统的设计，提高了系统的性能和工作效率。
在硬件设计的基础上，完成采集系统测控软件的设计：设计基于Linux的AT91RM9200驱动程序；介绍了运行于工控机（主机）的地震数据采集管理软件，采用多线程技术；使用C语言设计了运行于采集站的采集软件和触发控制软件，实现主机通过网口（以太网）向ARM传输各种指令，进而完成数据采集。
最后通过对地震仪样机进行系统基本性能测试，包括检波器测试和采集通道测试；然后结合震源在野外进行了实验，得到令人满意的结果，达到了预期目标。
Now China’s massive infrastructure construction is booming, which includesconstruction of the diversion tunnel of railway, metro and headrace, also exploitationof various mine. Because majority of tunnels and lanes are concealed works whichburied underground, the engineering geology condition is complex. With increasingtunnel mountain condition, the depths of mining well engineering increase. It isextremely difficult to identify the characteristics of rocks, as well as the location, sizeand nature of the possible body in the engineering prospecting stage. Theunpredictability of the geological condition ahead increases in this case, so accidentscaused by fault, outburst of coal and gas, collapse in weak rock and water burstfrequently occur. It not only results in pecuniary loss, but also injuries and deaths. It isnecessary to predict reasonably during engineering so as to avoid geological hazard.
In a variety of advanced detection methods, the method of seismic reflectionwave is most widely used. The method of TSP and TVSP is based on the principle ofreflected wave. In our country’s advanced detection, TSP is the most widely usedsystem. In this paper, the method of seismic reflection wave is used as the theoreticalbasis, refers to the advantages of TSP and TVSP, and then designs a new set of12-channel compact seismic recorder.
We design the acquisition board and control board at first: linear amplificationand filter of the analog signal by the analog signal conditioning circuits; use theDelta-Sigma24bit A/D converter, which do not need traditional floating amplifier、anti-aliasing filter and other analog circuits, it improves the instantaneous dynamicrange of the system, and improves the sample precision, higher integration, decreasingthe total weight and power consumption; design the related circuits with FPGA,reading and caching the serial output data of D/A and converting to parallel dataflow,realizing the data transmit to ARM; design the ARM control system withAT91RM200chip, improving the performance and efficiency of the system.
On the basis of hardware design, we complete the design of the acquisitionsystem monitoring and control software: design AT91RM9200driver based of Linux;introduce the data collection and management software which run on the IPC; use theC language designed acquisition software and trigger control software, realize thevarious instructions of the host via the Ethernet port (Ethernet) transmit to the ARMand complete of the data collection.
Finally, the instrument is assembled. Through system performance testing,detector test and acquisition channel test of the prototype of the seismic instrument,and then combine with seismic source，doing the laboratory test and get thesatisfactory result, to achieve the desired objective.
在多种超前探测方法中，反射地震波法是应用最多的一种方法。其中TSP法（隧道地震超前预报法）和TVSP法（隧道垂直地震剖面法）都是依据反射波原理进行超前探测。在国内进行超前探测，应用最多的还是TSP系统。本文以地震反射波法为理论基础，参考TSP法和TVSP法中的优点，进而设计出一套新型井下超前探测系统，即12道集中式地震仪。
本文首先对采集板和控制板进行了设计：通过模拟信号调理电路，完成模拟信号的滤波和线性放大；采用Delta-Sigma型24位A/D转换芯片，它不需要传统的浮点放大器与抗混叠滤波器等模拟电路，大幅度增加了系统的瞬时动态范围，提高了采集精度，而且集成度更高，降低了采集站的总重量和总功耗；设计FPGA接口电路，将A/D转换电路中输出的串行数据读出且缓存，并转换为并行数据流，实现与ARM接口的数据传输；选用ATMEL公司的AT91RM9200芯片完成ARM最小控制系统的设计，提高了系统的性能和工作效率。
在硬件设计的基础上，完成采集系统测控软件的设计：设计基于Linux的AT91RM9200驱动程序；介绍了运行于工控机（主机）的地震数据采集管理软件，采用多线程技术；使用C语言设计了运行于采集站的采集软件和触发控制软件，实现主机通过网口（以太网）向ARM传输各种指令，进而完成数据采集。
最后通过对地震仪样机进行系统基本性能测试，包括检波器测试和采集通道测试；然后结合震源在野外进行了实验，得到令人满意的结果，达到了预期目标。
Now China’s massive infrastructure construction is booming, which includesconstruction of the diversion tunnel of railway, metro and headrace, also exploitationof various mine. Because majority of tunnels and lanes are concealed works whichburied underground, the engineering geology condition is complex. With increasingtunnel mountain condition, the depths of mining well engineering increase. It isextremely difficult to identify the characteristics of rocks, as well as the location, sizeand nature of the possible body in the engineering prospecting stage. Theunpredictability of the geological condition ahead increases in this case, so accidentscaused by fault, outburst of coal and gas, collapse in weak rock and water burstfrequently occur. It not only results in pecuniary loss, but also injuries and deaths. It isnecessary to predict reasonably during engineering so as to avoid geological hazard.
In a variety of advanced detection methods, the method of seismic reflectionwave is most widely used. The method of TSP and TVSP is based on the principle ofreflected wave. In our country’s advanced detection, TSP is the most widely usedsystem. In this paper, the method of seismic reflection wave is used as the theoreticalbasis, refers to the advantages of TSP and TVSP, and then designs a new set of12-channel compact seismic recorder.
We design the acquisition board and control board at first: linear amplificationand filter of the analog signal by the analog signal conditioning circuits; use theDelta-Sigma24bit A/D converter, which do not need traditional floating amplifier、anti-aliasing filter and other analog circuits, it improves the instantaneous dynamicrange of the system, and improves the sample precision, higher integration, decreasingthe total weight and power consumption; design the related circuits with FPGA,reading and caching the serial output data of D/A and converting to parallel dataflow,realizing the data transmit to ARM; design the ARM control system withAT91RM200chip, improving the performance and efficiency of the system.
On the basis of hardware design, we complete the design of the acquisitionsystem monitoring and control software: design AT91RM9200driver based of Linux;introduce the data collection and management software which run on the IPC; use theC language designed acquisition software and trigger control software, realize thevarious instructions of the host via the Ethernet port (Ethernet) transmit to the ARMand complete of the data collection.
Finally, the instrument is assembled. Through system performance testing,detector test and acquisition channel test of the prototype of the seismic instrument,and then combine with seismic source，doing the laboratory test and get thesatisfactory result, to achieve the desired objective.
引文
[1]单娜琳，程志平，刘云祯.工程地震勘探[M].北京：冶金工业出版社，2006.
[2]赵永贵，刘浩，孙宇等.隧道地质超前预报研究进展[J].地球物理学进展，2003，18(3)：460~464.
[3]钟宏伟，赵凌.我国隧道工程超前预报技术现状分析[J].人民长江，2004，35(9)：15~19.
[4]王齐仁.地下地质灾害地球物理探测研究进展[J].地球物理学进展，2004，19(3)：497~503.
[5]何振起，李海，梁颜忠.利用地震反射法进行隧道施工地质超前预报[J].铁道工程学报，2000(4)：81~85.
[6]曾昭璜.隧道地震反射法超前预报[J].地球物理学报，1994，37(2)：268~271.
[7]张平松，吴健生.中国隧道及井巷地震波法超前探测技术研究分析[J].地球科学进展，2006，21(10):1033-103
[8]刘秀峰. TSP探测数据采集和处理中应注意的问题的研究[J].石家庄铁道学院学报，2002，15(2).
[9]何樵登.地震勘探原理和方法[M].北京：地质出版社，1986.
[10]Am berg Measuring Technique Ltd. Comparison of Various Tunnel GeologicalForecast Techniques[M].2003.
[11]刘志刚，刘秀峰. TSP(隧道地震勘探)在隧道隧洞超前预报中的应用与发展[J].岩石力学与工程学报，2003，22(8)：1399-1402.
[12]王齐人，杨天春.隧道地质灾害超前预报的地震反射法.2006，21(2)：643-649
[13]袁子龙，狄帮让，肖忠祥.地震勘探仪器原理[M].北京：石油工业出版社，2006
[14]李怀良.无线遥测48道高分辨率浅层数字地震仪的研制[D].四川：成都理工大学，2010
[15]林学龙.高分辨率低功耗浅层地震勘探仪器的研究与实现[D].上海：上海大学，2008
[16]王玉茹.工程与环境地震勘探技术[M].北京：地质出版社，2002.
[17]袁子龙，曹广华.地震仪数据采集系统的改进[J].大庆石油学院学报，2000，24(4)：15-17
[18]王卫峰，于海勋.基于AT91RM9200的嵌入式数据采集系统设计[J].微型电脑应用，2007，10
[19]李振坡，林家骏.基于ARM9和Linux的嵌入式便携数据采集系统[J].电工技术，2006，2
[20][美]R.E.谢里夫，[加]L.P.吉尔达特编，初英译，勘探地震学，石油工业出版社，1999(2)：1~35；301~343.
[21]Chen Zubin，Lin Jun. Design for Vibrator Field Experiment Based-on VibratorSystem. Jounrnal of Geoscience Research in Northeast Asia，2000，3(1)：107~113.
[22]孙传友.地震勘探仪器原理，石油大学出版社，1996年第1版：10~25.
[23]许磊，缪思恩.基于AT91RM9200的振动监测数据采集系统[J].电站系统工程，2007(2)
[24]刘波.基于嵌入式ARM系统的应用分析[J].商场现代化，2010(11)
[25]朱明杰，张业宏.家用电器浪涌干扰的抑制[J].家电科技，2008，11
[26]冀慧聪，林君，陈祖斌，于生宝.探寻地壳深层次奥秘的利器—近地表弹性波地下目标探测成像系统及应用获吉林省科学技术进步奖一等奖[J].中国科技奖励，2004(10)
[27]Cirrus Logic Corporation， CS5340Data Sheet.http://www.cirrus.com/en/pubs/proDatasheet/CS5341_F1.pdf
[28]http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XDDJ200612018.htm
[29]王艳松.嵌入式ARM处理器的选型及应用[J].可编程控制器与工厂自动化(PLC FA)，2004，10
[30]Atmel Corporation. AT91RM9200Datasheet,http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc1768.pdf.
[31]李志刚.基于AT91RM9200的嵌入式数据采集仪的设计与实现[D].江苏：南京邮电大学，2007
[32]史岩，杨世武.基于AT91RM9200微控制器的高速同步数据传输的研究[J].中国科技信息，2006(19)
[33]林守刚.基于ARM的宽频地震仪数据采集模块的研究[D].吉林：吉林大学，2007
[34]朱婧.基于ARM9的嵌入式数据采集与控制系统硬件平台的设计[D].辽宁：大连海事大学，2006
[35]许先斌，熊慧君，李渊，杨芬.基于ARM9的嵌入式Linux开发流程的研究[J]，微计算机信息.2006,11:87-90
[36]余守强.基于战术通信网的基层数据融合—嵌入式网关系统的设计与实现[D].江苏：南京理工大学，2010
[37]许文丹.低功耗低漏失CMOS线性稳压IC设计与实现[D].陕西：西北工业大学，2004
[38]柳娟娟.低压差线性稳压器中核心模块的设计[D].四川：西南交通大学，2007
[39]李亚锋，欧文盛.嵌入式系统开发从入门到精通[M].北京：北京清华大学出版社，2007.
[40]李曦灏.嵌入式Linux实时性应用研究[D].四川：西南科技大学，2011
[41]贺玉梅.基于ARM+Linux的嵌入式音频系统的研究与实现[D].北京：北京化工大学，2007
[42]张林行.基于接力式以太网的可控震源地震勘探数据传输技术研究[D].吉林：吉林大学，2007
[43]王捷.嵌入式LED显示屏控制系统的研究与实现[D].江苏：东南大学，2008
[44]王园园.基于Linux的工业控制终端的设计与开发[D].浙江：杭州电子科技大学，2010
[45]徐巍.基于ARM9的嵌入式图像采集系统的设计[D].江苏：南京理工大学，2009
[46]http://www.360doc.com/content/08/0223/10/45933_1064363.shtml
[47]杨泓渊.复杂山地自定位无缆地震仪的研究与实现[D].吉林：吉林大学，2009
[48]Nick Randolph, David Gardner. Visual Studio2008高级编程[M],北京：清华大学出社，2009
[49]徐兵.串行口与以太网数据传输实现[D].江苏：南京理工大学，2005
[50]吕郊.地震勘探仪器原理[M].东营：石油大学出版社，1997.
[51]黄先律.地震勘探仪器[M].北京：地质出版社，1987.
[2]赵永贵，刘浩，孙宇等.隧道地质超前预报研究进展[J].地球物理学进展，2003，18(3)：460~464.
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[5]何振起，李海，梁颜忠.利用地震反射法进行隧道施工地质超前预报[J].铁道工程学报，2000(4)：81~85.
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[29]王艳松.嵌入式ARM处理器的选型及应用[J].可编程控制器与工厂自动化(PLC FA)，2004，10
[30]Atmel Corporation. AT91RM9200Datasheet,http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc1768.pdf.
[31]李志刚.基于AT91RM9200的嵌入式数据采集仪的设计与实现[D].江苏：南京邮电大学，2007
[32]史岩，杨世武.基于AT91RM9200微控制器的高速同步数据传输的研究[J].中国科技信息，2006(19)
[33]林守刚.基于ARM的宽频地震仪数据采集模块的研究[D].吉林：吉林大学，2007
[34]朱婧.基于ARM9的嵌入式数据采集与控制系统硬件平台的设计[D].辽宁：大连海事大学，2006
[35]许先斌，熊慧君，李渊，杨芬.基于ARM9的嵌入式Linux开发流程的研究[J]，微计算机信息.2006,11:87-90
[36]余守强.基于战术通信网的基层数据融合—嵌入式网关系统的设计与实现[D].江苏：南京理工大学，2010
[37]许文丹.低功耗低漏失CMOS线性稳压IC设计与实现[D].陕西：西北工业大学，2004
[38]柳娟娟.低压差线性稳压器中核心模块的设计[D].四川：西南交通大学，2007
[39]李亚锋，欧文盛.嵌入式系统开发从入门到精通[M].北京：北京清华大学出版社，2007.
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[42]张林行.基于接力式以太网的可控震源地震勘探数据传输技术研究[D].吉林：吉林大学，2007
[43]王捷.嵌入式LED显示屏控制系统的研究与实现[D].江苏：东南大学，2008
[44]王园园.基于Linux的工业控制终端的设计与开发[D].浙江：杭州电子科技大学，2010
[45]徐巍.基于ARM9的嵌入式图像采集系统的设计[D].江苏：南京理工大学，2009
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[47]杨泓渊.复杂山地自定位无缆地震仪的研究与实现[D].吉林：吉林大学，2009
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[49]徐兵.串行口与以太网数据传输实现[D].江苏：南京理工大学，2005
[50]吕郊.地震勘探仪器原理[M].东营：石油大学出版社，1997.
[51]黄先律.地震勘探仪器[M].北京：地质出版社，1987.