分布式微地震数据采集节点的设计与实现

论文摘要

随着科学技术的不断发展,地球物理勘探技术也越来越受到人们的重视,尤其是微震监测技术。作为一种重要的安全监测手段,在矿山开采、桥梁建设、隧道施工、水坝监测、地下能源存储以及水利压裂能源开采等多个领域得到了广泛的应用。微地震数据采集节点做为微震监测系统中核心组成部分,其工作性能、数据采集质量以及多节点间采集数据的同步性对于微地震事件的定位、分析有着至关重要的影响。目前国内微地震监测设备发展缓慢,仪器大多依赖于进口,大部分设备不仅价格昂贵且针对不同施工环境通用性较差。鉴于此,研究具有高精度、高性能、低成本、通用性好的分布式微地震数采集节点具有重要意义。本课题以Zynq-7000系列FPGA器件为主导,采用软硬件协同设计的思想构建了多通道微地震数据采集节点的总体设计方案。其主要研究内容如下:1、针对前端信号采集单元设计了高保真信号调理电路,可针对传感器原始信进行164倍增益调节,并将其转换为差分信号,提高抗干扰能力。2、针对多通道并行采集需求,在Vivado平台下利用自顶向下的设计方法,通过Verilog硬件描述语言,开发了基于AXI总线的多通道32位高精度A/D转换控制IP核,实现了多通道的严格并行同步采集,用时兼具了采样通道剪裁与扩展功能。3、为最大程度上发挥出该芯片的优异性能以达到最佳的系统控制效果,ARM处理器加载嵌入式Linux操作系统,采用多线程编程技术在Eclipse平台下完成相关外设驱动及应用程序设计。4、为确保采集数据能够进行实时、高效、稳定地传输及存储,分别创建数据传输与存储线程。将采集到的数据存储到外部SD卡的同时通过基于TCP/IP协议的以太网实现远距离传输。与此同时线程中采用双缓存乒乓操作的机制,避免了线程调度对数据缓冲区造成访问冲突。5、嵌入式Linux中搭建FTP服务器便于调试过程中进行数据回收。6、为实现多节点间同步采集,在嵌入式Linux系统应用层移植PTP网络时钟同步协议,修改Linux内核添加PTP协议补丁程序,使之能够在MAC层获取时间戳信息。同比采用专用时钟芯片方案减小了硬件成本的同时提高了硬件设备的通用性,与纯软件方式实现PTP协议相比提高了同步精度。经测试该系统在采样率1ksps下等效噪声小于3uV,道间串扰最大可达-115dB,节点间同步精度达到亚微秒级满足设计需求。

论文目录

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 微地震数据采集系统的国内外研究现状

1.2.2 分布式系统时间同步技术研究现状

1.3 论文主要研究内容

1.4 论文结构安排

2 系统总体方案设计

2.1 微震信号产生机理

2.2 分布式微地震监测基本原理与定位方法

2.3 分布式微震监测系统整体结构

2.4 分布式微地震数据采集节点需求分析

2.4.1 硬件需求分析

2.4.2 嵌入式软件及逻辑电路设计需求分析

2.5 分布式微地震数据采集节点方案设计

2.5.1 硬件电路方案设计

2.5.2 嵌入式软件及逻辑电路总体方案设计

2.5.3 多节点时间同步方案设计

2.6 本章小结

3 分布式微地震数据采集节点硬件电路设计

3.1 信号调理电路设计

3.1.1 放大电路设计

3.1.2 陷波电路设计

3.1.3 单端转差分输入电路设计

3.2 ADC采样电路设计

3.3 数据存储电路设计

3.4 以太网传输电路设计

3.5 电源电路设计

3.6 本章小结

4 分布式微地震数据采集节点软件程序及逻辑电路设计

4.1 Zynq-7000 FPGA-ARM间通信逻辑设计

4.2 Zynq-7000 FPGA逻辑电路整体架构

lite总线的ADC控制器IP核设计'> 4.3 基于AXI_lite总线的ADC控制器IP核设计

4.3.1 ADS1282采样时序分析

4.3.2 ADS1282逻辑状态机设计

4.4 Zynq-7000 嵌入式软件开发

4.4.1 Zynq-7000系统启动流程及环境搭建简介

4.4.2 Zynq-7000 Linux设备树修改

4.4.3 Zynq-7000 外设模块的Linux驱动程序设计

4.4.4 Zynq-7000 Linux应用程序设计

4.5 本章小结

5 PTP网络同步技术原理与实现

5.1 PTP协议基本构成

5.1.1 PTP时钟结构

5.1.2 PTP报文类型

5.2 PTP同步基本原理

5.3 时间戳位置选取

5.4 最佳主时钟算法

5.4.1 数据集比较算法

5.4.2 状态决定算法

5.5 PTP协议状态机

5.6 PTP网络同步协议的实现

5.6.1 PTP网络同步设备驱动程序开发

5.6.2 Linux PTP开源工程简介与移植

5.6.3 时间戳报文处理

5.7 本章小结

6 系统测试与分析

6.1 单节点系统测试

6.1.1 基本功能测试

6.1.2 信号采集测试

6.1.3 系统等效噪声测试

6.1.4 道间串扰测试

6.1.5 实际震动波形测试

6.2 多节点间同步测试

6.3 PTP协议不同实现方式效果对比

6.4 本章小结

总结与展望

1 总结

2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 邢启阳

导师: 庹先国

关键词: 分布式,微地震数据采集,嵌入式,多线程

来源: 西南科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 地质学,地球物理学,矿业工程,自动化技术

单位: 西南科技大学

分类号: TP212;P631.4

总页数: 77

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