MEMS加速度传感器在强震观测中的应用*

刘钢锋 朱 威 邹 彤 林 强

(中国地震局地震研究所，武汉 430071)

MEMS加速度传感器在强震观测中的应用*

刘钢锋 朱 威 邹 彤 林 强

(中国地震局地震研究所，武汉 430071)

提出基于MEMS加速度传感器的强震仪设计方案，并在强震观测中完成了地震加速度数据的采集、触发判断和存储。

MEMS加速度传感器;地震台站;触发判断;强震观测;地震仪器

1 引言

地震观测是研究地震活动的重要手段，传统的地震观测仪器具有体积大、价格高的缺点。为减小仪器体积，提高采样速率，我们利用 ST公司的LIS344ALH加速度传感器、TI公司的ADS1255数模转换器和STM32F103VB处理器，设计了一款新的强震加速度测量仪器，该仪器能够实现多通道实时同步采集和保存地震加速度数据。

2 观测系统整体设计

整个地震观测系统由信号调理、采集、转换、判断保存、报警和传输组成(图1)。系统采用三轴线性MEMS加速度传感器进行观测。当有地震发生时，传感器把加速度信号转变为可输出的电压信号，经过低通滤波进入A/D芯片，处理器把转化的数字信号保存到 SRAM缓存中，当速度达到阈值时，SRAM中的值才保存到SD卡中，并触发报警系统。最后把数据传输到PC机进行数据分析处理。

图1 系统组成框图Fig.1 Block diagram of the system

3 硬件设计

硬件系统主要由以下几个模块组成：

1)MEMS加速度传感器。MEMS加速度传感器要求：三轴、宽频带、低频响应好、加速度和灵敏度满足地震监测要求。设计中传感器采用ST公司的LIS344ALH，该LIS344ALH是一款超紧凑低功耗三轴线性加速度传感器，非线性度低，噪声密度小。加速度传感器采用2.4～3.6 V单电源供电;工作温度范围为-40～+85℃;抗冲击力为10 000 g;检测量程为±2 g或±6 g(一般监测地震±2 g就满足需求)。加速度计的输出电阻约为110 kΩ(图2)，在信号输出端加上电容C，构成低通滤波器，以改变三轴输出量的频率带宽。频率范围从DC到1.8 kHz。在静止状态下3.3 V供电输出1 650 mV信号，称之为“零重力水平”。该“零重力水平”可保证在2 g量程范围内加速度计的输出都是正值。

图2 LIS344ALH电路设计Fig.2 Circuit design of LIS344ALH

2)信号调理电路。由于LIS344ALH的输出范围为0.33～2.97 V，符合ADS1255模拟输入在0～5 V的要求，故不用放大电路。一般地震波属于0～80 Hz的低频信号，兼顾对高频信号的考虑，在设计中我们取截止频率为f=150 Hz。其二阶有源压控低通滤波器如图3所示。

图3 二阶有源低通滤波器Fig.3 Two-order active low-pass filter

3)A/D转化器。ADS1255是德州仪器(TI)推出的一款高性能A/D转换器，其内部集成了多路选择开关(MUX)、可编程增益控制器(PGA)、四阶△-∑调制器，可编程数字滤波器等，具有极低的噪声，可满足高精度的测量要求。A/D采样方式可以分为多路复用A/D采样方式和每通道独立A/D采样方式。早期的采样电路由于A/D转换器成本较高，多采样多路复用A/D采样方式，这样的采样方式动态范围小，一般只有80 dB，使得高达24位的采样精度失去意义。通道较多时必须使用多个模拟复用开关进行组合控制，这样容易引起通道间的干扰产生噪声，而且多路复用A/D的同步信号采集精度不高。所以本设计中采用每通道独立A/D采样方式。ADS1255的电路设计图如图4所示。

图4 ADS1255电路设计Fig.4 Circuit design of ADS1255

采用独立外部参考电压器件REF5025提供2.5 V的参考电压，该器件具有低噪声、低漂移、高精度等特点，特别适合于16位以上的A/D转换系统。图5为REF5025的参考电压设计电路。

图5 参考电压设计电路Fig.5 Circuit design of the VREF voltage

因为AIN0端输入的加速度信号带有1.65 V的直流分量，我们在AIN1端输入一个1.65 V的直流电压量，使得最后的采样只含有实际的加速度值。

4)处理器采用意法半导体公司的STM32F103VB为处理器。该款处理器是基于ARM最新先进架构Cortex-M3内核，低功耗且控制功能强大。

观测系统的数据存储分为两个部分：数据暂时存储和触发文件存储。因为我们只需要强震触发前后各30 s的加速度数据，并需要暂时存储最近30 s的数据在SRAM中。由于数据量较大，通过STM32的FSMC扩展了1片1M*8bit的SRAM。触发文件存储则是把触发前后各30 s的数据永久保存到SD卡中。STM32与SD卡的连接采用SPI总线方式，数据传输速度满足设计需要。

此外，为了提供数据的采集时间，设计中选用PCF8563作为时钟芯片，它与处理器之间通过I2C总线进行数据传输。

4 软件设计

软件设计主要是初始化处理器和A/D转换器的寄存器，设置A/D采样率，对采集的数据进行读取、判断和保存。如果不是地震触发事件，则一直使SRAM中存有各个通道最新30s数据;若为地震事件，则产生报警信息，把缓存的数据存入SD卡，并通过串口上传至PC机进行后续处理。系统流程图和A/D采样中断子程序分别如图6和图7所示。

图6 系统流程Fig.6 Flow chart of the system

图7 A/D采集数据中断子程序Fig.7 Interrupt subroutine of A/D sampling

5 结语

MEMS加速度传感器在低频响应和低噪声方面要好于传统的地震仪，但它的使用环境受限，如传感器埋置要求高，振动干扰要小等。

1 许建华.基于微型传感器的地震加速度监测系统技术研究［D］.中国地震局地球物理研究所，2006.

2 李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008.

3 李彩华，李小军.一种高精度三通道强震动记录器的设计［J］，地震地磁观测与研究，2006，(9)：16-17.

4 康华光.电子技术基础(第四版)［M］.北京：高等教育出版社，1996.

5 陈金鹰，龚江涛，庞进，席华.地震检波器技术与发展研究［J］.物化探化探计算技术，2007，(18)：5-6.

APPLICTION OF MEMS ACCELERATION SENSOR TO MACROSEISM OBSERVATION

Liu Gangfeng，Zhu Wei，Zou Tong and Lin Qiang
(Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071)

The digital seismometer based on MEMS acceleration sensor is of low cost and small volume.A design of seismometer based on MEMS acceleration sensor to accomplish sample，trigger judgment and storage of the earthquake acceleration data，is proposed and realized.

MEMS acceleration sensor;seismostation;trigger judgment;macroseism observation;seismograph

1671-5942(2011)Supp.-0168-03

2011-01-08

刘钢锋，男，1984年生，硕士研究生，研究方向为测试计量技术及仪器.E-mail：gf_liu@hotmail.com

TH76.3

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