陆地声纳无线采集传输系统的设计与研究
许亮
摘要：无线传输的技术已经相当成熟，将无线传输的功能加入到陆地声纳仪中，可以克服许多在施工过程中遇到的困难，并且能够降低设备的成本。文章主要研究陆地声纳无线采集传输的硬件需求，并对陆地声纳无线采集传输系统进行设计。
关键词：陆地声纳：k60；无线采集传输
地震勘探是从勘查石油的需要应运而生的，经过几十年的发展技术已经相当成熟。然而在20世纪其运用到浅层探查时却遇到了诸多困难，为了克服这些困难，陆地声纳法便应运而生。作为一种新的物探方法，经过30多年的发展，经过大量工程和推广单位的应用实践，不断地改进发展而变得成熟起来。陆地声纳仪是根据陆地声纳法而建造的仪器，其经过4代的发展，仪器具有灵活的软硬件配置能力，能够适应复杂的作业环境，具有防水、防潮、防尘、抗震等特点。
当前陆地声纳主要使用有线的方案将击震锤产生的信号、传感器采集的数据传输给主机。使用这种有线的方式能够快速地将数据传输给主机，并且具有抗干扰能力强、传输的数据安全可靠等特点。然而在某些特殊的施工环境下会遇到一些困难，例如隧道施工。隧道施工环境复杂，容易发生塌方、涌水、涌泥、岩爆等地质灾害。隧道地面上到处是施工过程中炮轰产生的小碎石，很锋利。在这样的环境下工作，极易将激震锤和传感器和PC端的连接线划破。由于传感器较小，与传感器相连部分的线缆较细，容易拉断，因此，需要有专门的人员托着线缆。在激震锤锤击激震杆的时候，在一些情况下，有可能锤击到线缆，将线缆锤断。这些都是在现场施工时所遇到的一些困难。为了解决这些困难，就需要研究无线采集传输的方案，本文就陆地声纳无线采集的关键问题进行研究。
1 芯片选取
陆地声纳法的全称是陆上极小偏移距（震一检距）超宽频带弹性波反射连续剖面法，其精华在于超宽频带的激发和接收和近于零的极小震一检距。其接收系统常用于接收IOHz-4kHz宽的频带，最高可接收6kHz的地震信号，并且接收系统不放大也不压制任何频率的波，因此锤击震源激发的子波就可以满足其需求。根据奈奎斯特定律可以知道要想通过数字信号无失真地恢复模拟信号，采样频率必须大于等于信号最高频率的2倍。因此若想无失真地恢复模拟信号，采样频率最小必须达到12kHz，为了保证实验采样的精度，每个周期至少采集10个样点，采样频率最低为60kHz，采集频率远远超过信号最高频率的2倍，因此在理论上可以无失真地恢复原始的模拟信号。
本文选择飞思卡尔公司的MK60DN512ZVLoio微处理器芯片作为主控芯片，该芯片采用ARM中Cort exM4架构，提供了优良的性能。K60内核提供了1.25DMIPS/MHz的DSP指令，高达32位的DMA可以尽可能地减小CPU干预。为了减小功耗，K60提供了10种低功耗操作模式通过优化外设执行和唤醒时间来延长电池寿命。陆地声纳法要求采集三道信号，因此本文选择ADXL335三分量模拟传感器，用于传送激振锤激发的弹性反射波信号。在实际采集过程中为了保证数据的有效性，一般在每道信号上采集5000个点，一种需要15000个点，每个点需要2Byte用于存储信号，一共至少需要30KB的存储空间来存储需要的数据。在采集过程中，由于采集的速度非常快，因此需要DMA技术将采集到的数据及时保存到内存中，K60支持16通道DMA控制器，支持高达63个请求源，能够满足DMA需求。并且K60还提供128KB的RAM，远远大于30KB的需求。K60提供可编程延时模块（PDB），将PDB配置成B2B （Back ToBack）模式，该功能用于实现三道信号同时采集的需求。采集到振动信号数据之后需要将数据以无线的方式传输出去，本文选择2.4G无线技术来满足需求，因此选择nRF24LOI+芯片作为传输模块。通过分析陆地声纳仪有线采集的方案可知，只需要进行两点之间的数据传输即可，因此不需要复杂的传输协议就可以满足传输需求。nRF24LOI+芯片提供增强型的Shock Burst模式，在该模式下能够使双向链接协议执行起来更为容易、有效，并且在发送方能够检测有无数据丢失，一旦数据丢失，可以通过发送功能将丢失的数据恢复。在增强型的Shock Burst模式下空中传输时间很短，可以极大地降低无线传输的碰撞现象。nRF24LOI+芯片传输协议简单，功耗很低，完全满足设计需求。
2 系统设计
陆地声纳法使用激振锤锤击激震杆的方式产生震源，为了方便使用者操作，需要尽量减少激震锤与激震杆之间的连线。因此，设计将激震杆和采集设备以及发送设备放到一个模块当中，激震锤只起锤击作用。为了满足该需求，本文额外需要一个震动传感器，该传感器的作用就是当激震锤锤击激震杆产生振动时，给A/D转换一个触发信号，开始进行转换。
本文以飞思卡尔的芯片MK60DN512ZVLoio为控制中心，将三分量传感器和震动传感器都与其相连，接着再将震动传感器与激震杆固定在一起。当激震锤击打激震杆时，产生震源的同时震动传感器会感应震动产生一个信号，将信号给与A/D转换器，A/D转换接收到触发信号开始进行A/D转换并使用DMA技术将采集到的数据存储到内存中，然后使用无线发射模块将采集到的数据发射出去。无线采集模块的总体设计如图1所示。
3 芯片配置中的关键问题研究
由于陆地声纳法的需要，在进行A/D转换时需要尽可能快地将模拟信号转换为数字信号。A/D转换主要包括采样、量化和编码3个组成部分，采样（抽样）是利用采样脉冲序列p（t）从模拟信号x（t）中抽取一系列离散样值，使之成为采样信号x（n△t）（n=O，l，2，…）的过程。△t称为采样间隔，其倒数称l/△t=fs为采样频率，采样频率的选择必须符合采样定理要求。在上述论述中可知，实验用的采样频率远远大于信号最大频率的2倍，符合采样定理。不同的芯片，ADC采样转换的时间依赖不同，k60的采样转换的时间主要由采样时间、MCU总线频率、转换模式、高速配置和转换时间频率决定。本文可以根据以下公式进行计算：
Conversion Time=SFCAdder+AverageNum×（BCT+LSTAdder+HSCADDER）
其中，SFCAdder是单端或者第一次持续转换的时间。
AverageNum是均值因子（1，4，8，16，32）。
BCT是基本转换时间。
LSTAdder是长采样额外时间。
HSCADDER是高速转换额外时间。
k60芯片的总线时钟频率最高为50MHZ，将AD设置成16位采集模式，输入时钟设置成总线时钟，分配比率为8，硬件平均因子设置为l，禁用硬件均值功能，设置为短时采样。通过以上配置根据公式可以计算出最短采样时间为0.7us，能够满足需求。
为了满足陆地声纳信号的三道连续采集，需要利用k60芯片的PDB模块的B2B模式。可编程延时模块（PDB）可以为内部或外部触发源提供可控制的延时，可以为ADC的硬件触发输入或为DAC的产生提供可编程的间隔。这样就可以为ADC转换和DAC输出的完成提供精确的时间。PDB模块有多达8路的可配置PDB通道，每一个PDB通道对应一个ADC，每一个触发传输对应一个ADC硬件触发。本文需要将PDB模块配置成B2B（Back to Back）模式，此时，ADC转换完成之后会立即触发下一个PDB通道，于是PDB通道会产生一个预触发信号并产生通道触发输出，以便启动下一个ADC转换。采用PDB模块能够满足连续采集三道信号的需求，并使采集结果变得准确，使软件编程变得简洁。
4 结语
通过研究陆地声纳有线采集的工作方式，选取本文所需要的硬件设备以便满足需求。通过对陆地声纳无线采集传输系统的研究，不仅能解决实际施工中所遇到的问题，还可以简化设备，节约成本。
