[0038] 实施例 一种高精度无线自组网地震采集器
[0039] 本实施例提供了一种高精度无线自组网地震采集器，其结构参考图1，它包括：
[0040] （一）主控单元1
[0041] 主控单元1为控制中心，本实施例采用嵌入式控制芯片STM32F103RBT6芯片作为主控单元1。所述主控单元1通过与其相连的无线组网通信单元4与外部无线通信设备相连接。
[0042] 本实施例中的无线组网通信单元4采用现有技术中的CC2530通信芯片，且芯片的外部电路均为现有技术中常用的电路。
[0043] （二）地震波传感器2
[0044] 地震波传感器2用于采集地震波的数据信息，并将采集到的信息传送给主控单元1。
[0045] 本实施例中的地震波传感器2采用现有技术中的8340型地震传感器的地震波采集器，其信号输出端通过用于对地震波模拟信号进行滤波放大处理的信号处理单元3连接主控单元1。
[0046] 其中，所述的信号处理单元3包括用于对采集的模拟信号进行滤波处理的滤波模块31、用于对模拟信号进行放大的浮点放大模块32，以及用于将模拟信号转换成数字信号的A/D转换模块33，其中滤波模块31的信号输入端接收地震波传感器2采集的模拟信息，其信号输出端连接浮点放大模块32的信号输入端，浮点放大模块32的信号输出端通过A/D转换模块33连接主控单元1。
[0047] 而滤波模块31包括：
[0048] （1）前置放大电路311
[0049] 前置放大电路311用于对地震波传感器2采集到的模拟信号进行放大处理，其信号输入端连接地震波传感器2。具体如图2所示，包括：
[0050] ①反向尖峰电压保护电路
[0051] 反向尖峰电压保护电路用于保护反向尖峰电压，所述反向尖峰电压保护电路包括第一双向稳压管D1与第二双向稳压管D2，所述第一双向稳压管D1与第二双向稳压管D2构成的串联电路通过前置放大电路311的两个信号输入端S1与S2连接外部地震波采集器。在第一双向稳压二极管D1与第二双向稳压二极管D2的串联电路之前并联有第一电容器C1，同时还并联有第二电容器C2与第三电容器C3的串联电路。
[0052] ②放大电路
[0053] 放大电路用于对地震波传感器2采集到的模拟信号进行放大处理，如图2所示，所述放大电路包括第一运算放大器UA1、第二运算放大器UA2、第三运算放大器UA3，以及其外围的电阻、电容。
[0054] 本实施例中，第一运算放大器UA1与第二运算放大器UA2均采用现有技术中的运算放大器OP777，而第三运算放大器UA3则采用现有技术中的运算放大器OP07。
[0055] 其中第一运算放大器UA1的同相输入端通过第一电阻R1连接前置放大电路311的第一信号输入端S1，反相输入端通过第九电阻R9与第十电阻R10的串联电路连接第三运算放大器UA3的反相输入端，输出端连接第九电阻R9与第十电阻R10的串联电路的中间节点。第二运算放大器UA2的同相输入端通过第二电阻R2连接前置放大电路311的第二信号输入端S2，反相输入端通过第十一电阻R11与第十二电阻R12的串联电路连接第三运算放大器UA3的同相输入端，输出端连接第十一电阻R11与第十二电阻R12的串联电路的中间节点。所述第三运算放大器UA3的输出端作为前置放大电路311的输出端，输出放大后的模拟信号记为CS1。
[0056] ③自检信号输入端
[0057] 自检信号输入端用于检测数据采集通道是否通顺，本实施例设有两个自检信号输入端TEST+和TEST-，所述自检信号输入端的正极TEST+在进行自检时与外部地震波采集器的主控单元1相连，负极TEST-在进行自检时接地。同时，自检信号输入端还与后续的放大电路相连接。
[0058] 而为了令自检信号与检测到的地震波信号区分开，本实施例还于反向尖峰电压保护电路与放大电路之间设置有选择开关电路；为了信息传递方便，本实施例在自检信号输入端与地震波采集器的主控单元1之间还设有八同相三态缓冲器U1，本实施例中的八同相三态缓冲器U1采用现有技术中的74HC244芯片。
[0059] 所述选择开关电路可以选通检测信号或自检信号中之一的信号输入到前置放大电路311内。具体如图2所示，所述选择开关电路包括第一联动开关K1与第二联动开关K2，第一联动开关K1与第二联动开关K2均选用现有技术中的程控开关芯片DG303，具有两个联动的动触点和四个静触点。所述第一联动开关K1并联在第一双向稳压管D1与第二双向稳压管D2构成的反向尖峰保护电路的后面，第一联动开关K1的第一动触点连接前置放大电路311的第一输入端S1，第二动触点连接前置放大电路311的第二输入端S2，第一静触点通过第三电阻R3与第五电阻R5的串联电路连接自身的第三静触点， 同时在第三电阻R3与第五电阻R5的串联电路之前并联有第四电阻R4，第二静触点连接自检信号输入端的正极TEST+，第四静触点连接自检信号输入端的负极TEST-。所述的第二联动开关K2串接在第一电阻R1、第二电阻R2与放大电路之间，其中第二联动开关K2的第一静触点连接第一电阻R1；第二静触点连接自检信号输入端的正极TEST+，同时第二静触点还连接八同相三态缓冲器U1的与十四管脚Y3；第三静触点连接第二电阻R2，第四静触点连接自检信号输入端的负极TEST-，同时第四静触点还连接八同相三态缓冲器U1第十二管脚Y4；第一动触点连接第一运算放大器UA1的同相输入端；第二动触点连接第二运算放大器UA2的同相输入端。
[0060] 而八同相三态缓冲器U1的信号输入端连接地震波采集器的主控单元1，第十六管脚Y2与第十八管脚Y1通过第三开关K3连接放大电路，第九管脚Y5连接第二联动开关K2的控制端, 第七管脚Y6连接第一联动开关K1的控制端。
[0061] 此外，本实施例中在前置放大电路311中还设有两个屏蔽信号端V1+与V1-，用于屏蔽外界信号的干扰，所述两个屏蔽信号端V1+与V1-共同通过第十三电阻R13连接第三运算放大器UA3的同相输入端。
[0062] （2）滤波电路312
[0063] 滤波电路312用于对采集到的模拟信号进行滤波处理，具体结构如图3所示，包括：
[0064] ①陷波器电路
[0065] 陷波器电路用于对前置放大电路311放大后的模拟信号进行除杂，所述陷波器电路包括第四运算放大器UA4、第五运算放大器UA5及外围的电阻、电容器，本实施例中第四运算放大器UA4与第五运算放大器UA5均采用运算放大器OP27。其中第四运算放大器UA4的同相输入端通过第十五电阻R15与第十六电阻R16的串联电路连接前置放大电路311输出的模拟信号CS1，在第十五电阻R15与第十六电阻R16串联电路的两端并联有第五电容器C5与第六电容器C6构成的串联电路，同时在第十五电阻R15与第十六电阻R16的串联电路的中间节点，以及第五电容器C5与第六电容器C6串联的电路的中间节点之间串接有第四电容器C4与第十七电阻R17构成的串联电路。第四运算放大器UA4的反相输入端与自身的输出端相连，其输出端通过第一电位器RP1接地。
[0066] 而第五运算放大器UA5的同相输入端连接第四电容器C4与第十七电阻R17串联电路的中间节点，反相输入端通过第一电位器RP1接地，输出端连接自身的同相输入端。
[0067] ②低通滤波器电路
[0068] 低通滤波器电路用于对陷波器除杂后的模拟信号进行低通滤波，其具体结构如图3所示，包括第六运算放大器UA6及其外围的电阻、电容器，其中第六运算放大器UA6采用现有技术中的运算放大器OP07，而第六运算放大器UA6同相输入端通过第十八电阻R18与第十九电阻R19的串联电路连接第四运算放大器UA4的输出端，其反相输入端通过第二十电阻R20接地，同时还通过第二十一电阻R21连接自身的输出端。
[0069] ③高通滤波器电路
[0070] 高通滤波器电路用于对低通滤波电路除杂后的模拟信号进行高通滤波，其具体结构如图3所示，包括第七运算放大器UA7及其外围的电阻、电容器。本实施例中第七运算放大器UA7采用现有技术中的运算放大器OP4177，其中第七运算放大器UA7的同相输入端通过第七电容器C7连接第六运算放大器UA6的输出端，同时还通过第二十二电阻R22接地；其反相输入端通过第二十三电阻R23与第八电容器C8的并联电路连接自身的输出端。
[0071] （3）缓冲延时电路313
[0072] 缓冲延时电路313用于对应该是滤波电路312输出的模拟信号进行延时缓冲处理，其具体结构如图4所示，包括：
[0073] ①输入缓冲器电路
[0074] 输入缓冲器电路用于对滤波电路312输出的模拟信号进行缓冲处理，所述输入缓冲器电路包括输入第八运算放大器UA8、第九运算放大器UA9、第十运算放大器UA10，以及外围的电阻、电容器，本实施例中第八运算放大器UA8、第九运算放大器UA9、第十运算放大器UA10均采用现有技术中运算放大器LM741，其中第八运算放大器UA8的同相输入端通过第二十四电阻R24与第九电容器C9构成的串联电路连接第七运算放大器UA7的输出端，同时还通过第十电容器C10与第二十五电阻R25的并联电路接地；其反相输入端连接自身的输出端。
[0075] 所述第九运算放大器UA9的同相输入端接地，反相输入端通过第二十六电阻R26与第二十七电阻R27的串联电路接地，同时还通过第十一电容器C11连接自身的输出端，所述第九运算放大器UA9的输出端通过第二十八电阻R28连接第九电容器C9与第二十四电阻R24的中间节点。
[0076] 所述第十运算放大器UA10的同相输入端接地，反相输入端通过第二十九电阻R29与第三十电阻R30的串联电路接地，同时还通过第十二电容器C12连接自身的输出端。
[0077] ②延时缓冲器电路
[0078] 延时缓冲器电路用于对输入缓冲器电路处理后的模拟信号进行处理，包括第十一运算放大器UA11，以及外围的电阻、电容器，实施中的第十一运算放大器UA11采用现有技术中的运算放大器LM324。其中第十一运算放大器UA11的同相输入端通过第三十一电阻R31连接第八运算放大器UA8的输出端，同时还通过第十三电容器C13接地 ；所述反相输入端通过第三十二电阻R32连接第八运算放大器UA8的输出端，同时还通过第三十三电阻R33与第十四电容器C14的并联电路连接自身的输出端；所述第十一运算放大器UA11还通过第三十四电阻R34连接第十运算放大器UA10的输出端。
[0079] 所述浮点放大模块32如图5所示包括：
[0080] （1）幅值预判电路U2
[0081] 幅值预判电路U2用于对滤波模块31输出的模拟信号进行幅值判断、并能选择对模拟信号进行放大的倍数。
[0082] 幅值预判电路U2包括主控单元，主控单元作为控制中心，内部设有12位A/D转换功能，同时内部存储有至少两个数字信号的基准值，以及比对程序。
[0083] 为了结构简单，本实施例中直接采用地震波采集器内的主控单元1作为幅值预判电路U2的控制中心。
[0084] （2）浮点放大电路U3
[0085] 浮点放大电路U3的输入端接收滤波模块31输出的模拟信号，在幅值预判电路的控制下，选择相应的放大倍数对该模拟信号进行放大处理，处理后的信号通过多路选择器U4输出给后续的高精度A/D转换电路，其中高精度A/D转换电路采用现有技术中的24位AD放大转换电路，多路选择器U4采用现有的DG509芯片实现。
[0086] 浮点放大电路U3结构如图6所示，具体包括：
[0087] ①无放大电路
[0088] 无放大电路对输入的模拟信号不作放大改变，即模拟信号不改变幅值大小，按照原来的幅值进行后续的A/D转换处理。
[0089] 本实施例中的无放大电路包括第十二运算放大器UA12，第十二运算放大器UA12采用现有的运算放大器OP777。
[0090] 第十二运算放大器UA12的同相输入端连接第八选择开关K8的其中一个静触点，第八选择开关K8的另一静触点连接第五选择开关K5的一个静触点，第八选择开关K8的动触点连接缓冲延时电路处理后的模拟信号CS3；第十二运算放大器UA12的反相输入端连接自身的输出端，其输出端连接多路选择器U4的第四信号输入端IN4。
[0091] ②放大电路
[0092] 放大电路用于对采集电路采集处理后的模拟信号进行放大处理，在使用时至少设置有一级放大电路，且放大电路也通过第八选择开关K8接收缓冲延时电路输出的模拟信号CS3。
[0093] 本实施例中按照采集地震波的情况共设置了三级放大电路：一级放大电路 、二级放大电路和三级放大电路。
[0094] 一级放大电路包括第十三运算放大器UA13，二级放大电路包括第十四运算放大器UA14、三级放大电路包括第十五四运算放大器UA15，第十三运算放大器UA13、第十四运算放大器UA14、第十五运算放大器UA15均采用现有技术中的运算放大器OP07。
[0095] 第十三运算放大器UA13的同相输入端通过第三十五电阻R35连接第五选择开关K5的动触点；而第十三运算放大器UA13的反相输入端通过第十五电容器C15与第三十六电阻R36的并联电路连接自身的输出端，同时还通过第三十七电阻R37接地，其输出端连接多路选择器U4的第三信号输入端IN3，同时第十三运算放大器UA13的输出端还连接第六控制开关K6的一个静触点，第六控制开关K6的动触点通过第三十八电阻R38连接第十四运算放大器UA14的同相输入端；而第十四运算放大器UA14的反相输入端通过第三十九电阻R39与第十六电容器C16的并联电路连接自身的输出端，同时还通过第四十电阻R40接地，其输出端连接多路选择器U4的第二信号输入端IN2，同时还连接第七选择开关K7的一个静触点，第七选择开关K7的动触点连接第十五运算放大器UA15的同相输入端，且第七选择开关K7的动触点也在主控单元1的控制下选择其中的一个静触点进行接通，而第十五运算放大器UA15的反相输入端通过第四十一电阻R41与第十七电容器C17的并联电路连接自身的输出端，同时还通过第四十二电阻R42接地，其输出端连接多路选择器U4的第一信号输出端IN1。
[0096] 上述的第五选择开关K5、第六选择开关K6、第七选择开关K7、第八选择开关K8均在主控单元1的控制下令动触点与其中的一个静触点接通。
[0097] 此外，多路选择器U4也受主控单元1的控制，选通四个信号输入端中的一个输入端导通。而多路选择器U4的信号输出端输出放大处理后的信号CS4给下一级的高精度A/D转换电路进行A/D转换。
[0098] （三）电源单元
[0099] 电源单元用于供电，它分别连接主控单元1、信号处理单元3，以及无线组网通信单元4。
[0100] （四）GPS授时单元
[0101] GPS授时单元通过外部远程控制进而控制主控单元1定时通电运行，所述GPS授时单元设于电源单元与主控单元1之间。本实施例中的GPS授时单元采用现有技术中带有内置陶瓷天线的UBLOXNEO6M型号的GPS模块。
[0102] 本实施例的工作原理为：当地震波传感器2采集到模拟信号时，首先将该模拟信号传送给信号处理单元3进行处理，处理的过程为将第一屏蔽信号端V+连接地震波采集器的外壳，第二屏蔽信号端V-接地，然后将第一联动开关K1的第一动触点接通第一静触点，第二动触点接通第三静触点，而第二联动开关K2的第一动触点接通第一静触点，第二动触点接通第三静触点，采集到的地震波模拟信号通过反向尖峰保护电路后，经过运算放大电路放大，放大后的模拟信号CS1传递给滤波电路312，依次经过陷波器电路、低通滤波器电路、高通滤波器电路进行除杂，除杂后的模拟信号CS2再依次经过缓冲延时电路313的输入缓冲器电路和延时缓冲器电路，最终输出较为纯净的模拟信号CS3。
[0103] 所述的模拟信号CS3为纯净度较高的模拟信号，之后该模拟信号输入至浮点放大模块32内，在浮点放大模块32内，模拟信号CS3会经过如下的处理：模拟信号CS3通过PC0引脚输入给主控单元1，主控单元1会对该模拟信号进行A/D转换，由于本实施例采用的是地震波采集器自身的主控单元1，因此，该主控单元1具有的是十二位A/D转换，转换后的信号变为数字信号，该信号与主控单元1中存储的基准值进行比对，同时由于本实施例中设置了三级放大电路，因此在主控单元1内存储了四个基准值，将A/D转换后的信号值首先与存在的最大基准值进行比对，如果转换后的信号值不小于存储的最大基准值，则该模拟信号无需放大，直接可以输出给高精度A/D转换电路，因此，主控单元1的第六控制脚PC6发出控制信号，令第八选择开关K8接通第十二运算放大器UA12，令模拟信号CS3通过第十二运算放大器UA12直接输出给多路选择器U4，同时主控单元1的第一控制脚PC1与第二控制脚PC2控制多路选择器U4只选通第四信号输入端IN4，最终有多路选择器U4的信号输出端OUT输出信号CS4给后续的高精度A/D转换电路。
[0104] 如果转换后的信号值小于存储的最大基准值，则将该信号值与存储的第二大的基准值进行比对，如果该信号值不小于存储的第二大的基准值，该模拟信号只需进行一级放大即可，因此，主控单元1的第六控制脚PC6、第五控制脚PC5，第四控制脚PC4，第三控制脚PC3分别发出控制信号，令第八选择开关K8接通第五选择开关K5，而控制第五选择开关K5接通第十三运算放大器UA13，第六选择开关K6不接通第十四运算放大器UA14，令模拟信号CS3通过第十三运算放大器UA13的一级放大后直接输出给多路选择器U4，同时主控单元1的第一控制脚PC1与第二控制脚PC2控制多路选择器U4只选通第三信号输入端IN3，最终有多路选择器U4的信号输出端OUT输出信号CS4给后续的高精度A/D转换电路。
[0105] 如果转换后的信号值小于存储的第二大的基准值，则将该信号值与存储的第三大的基准值进行比对，如果该信号值不小于存储的第三大的基准值，该模拟信号只需进行两级放大即可，因此，主控单元1的第六控制脚PC6、第五控制脚PC5，第四控制脚PC4，第三控制脚PC3分别发出控制信号，令第八选择开关K8接通第五选择开关K5，而控制第五选择开关K5接通第十三运算放大器UA13，第六选择开关K6接通第十四运算放大器UA14，而第七选择开关K7不接通第十五运算放大器UA15，令模拟信号CS3通过第十三运算放大器UA13的一级放大后，再经过第十四运算放大器UA14的二级放大，才输出给多路选择器U4，同时主控单元1的第一控制脚PC1与第二控制脚PC2控制多路选择器U4只选通第二信号输入端IN2，最终有多路选择器U4的信号输出端OUT输出信号CS4给后续的高精度A/D转换电路。
[0106] 如果转换后的信号值小于存储的第三大的基准值，则将该信号值与存储的最小的基准值进行比对，如果该信号值不小于存储的第二大的基准值，该模拟信号需要进行三级放大，因此，主控单元1的第六控制脚PC6、第五控制脚PC5，第四控制脚PC4，第三控制脚PC3分别发出控制信号，令第八选择开关K8接通第五选择开关K5，而控制第五选择开关K5接通第十三运算放大器UA13，第六选择开关K6接通第十四运算放大器UA14，同时第七选择开关K7接通第十五运算放大器UA15，令模拟信号CS3依次通过第十三运算放大器UA13的一级放大、第十四运算放大器UA14的二级放大，以及第十五运算放大器UA15的三级放大后，输出给多路选择器U4，同时主控单元1的第一控制脚PC1与第二控制脚PC2控制多路选择器U4只选通第一信号输入端IN1，最终有多路选择器U4的信号输出端OUT输出信号CS4给后续的高精度A/D转换电路。
[0107] 此外，本实施例在对模拟信号处理之前需要对整个的数据采集通道进行通顺检测，首先，主控单元1产生一固定频率及振幅的正弦信号作为自检信号送至前置放大电路311的TSET+，将第一联动开关K1的第一动触点接通第二静触点，第二动触点接通第四静触点，而第二联动开关K2的第一动触点接通第二静触点，第二动触点接通第四静触点，此时自检信号会依次通过滤波模块31，浮点放大模块32，A/D转换模块33，最终回到主控单元1，主控单元1将收到的信号与送出的自检信号对比，如相同则说明数据检测通道是通顺的，可以对采集的地震波进行处理，反之，则不能用来采集地震波。
