1、电 测与仪表Electrical Measurement 无线数据采集； nRF； ADS1271；便携式中图分类号 : TN763 文献标识码 : A 文章编号： 1001-1390（ 2009） 06-0072-03Development of Elastic Wave Measuring Instrument Based on the Wireless DataAcquisition TechnologyWANG Hong-hui, TUO Xian-guo, YU Xiao-ping(State Key laboratory of Geo-hazard Prevention and G
2、eo-environment Protection, Chengdu University ofTechnology, Chengdu 610059, China)Abstract： With the increasing complexity of the engineering exploration circumstance, the elastic wave measuringinstruments data acquisition and transmission problems were brought about. Thus, the latest ADC (Analog to
3、 DigitalConverter) with high precision was adopted to design the signal sampling element, and the nRF integrated wirelesstransceiver chip was used to form the data transmission unit. In one of the geological region of the“5.12WenchuanEarthquake”, the geological survey has been done with the instrume
4、nt above and somewhere a hidden CT has beenfound. The above achievements show that the research has broken down the traditional fixed wire mode, realized thegoal of portable exploration and shorten the operation time to the 1/3 of the traditional measurement. The project hasa better prospect.Key wor
5、ds： elastic wave, wireless data acquisition, nRF, ADS1271, portable* 国家自然科学基金资助项目（ 40574059）；国家创新方法工作专项资助项目（ 2008IM040500）；地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室开放基金资助项目（ GZ2007- 02,Gz2007- 12）；国家科技支撑计划课题资助项目（ 2008BAK47B04）72- -电 测与仪表Electrical Measurement &Instrumentation总第 46 卷 第 522 期2009 年 第 06 期Vol.46 No.522Jun.
6、 2009数据采集单元主要由 MCU 控制一个 24 位的ADC 对弹性波信号进行采样，转换之后的数字信号通过无线发射器 NRF-Send 实现与主机的无线传输；数据传输单元包括数据 、命令的无线发送和本地接收 。MCU 控制无线接收器 NRF-Receive 完成数据的接收，通信接口完成与上位机的通信，信号处理部分在上位机 PC 上通过 VC+软件编程实现 。采用信号调理电路降低系统噪声，同时参考基准电压为 ADC 提供高质量稳定直流参考，共同保证ADC 的有效分辨率 。数据传输部分采用专用无线数据传输模块 nRF 实现 。整个设计采用微控制器 MCU作为控制中心，软件开发主要包括 ADC
7、的时序控制 、无线通信模块 nRF 的数据收发控制以及数据的编码 、打包 、解码等 。2 数据采集单元实现采用 ADS1271 作为数据采集芯片 。针对该芯片全差分的特点（输入信号全差分 、参考电压基准全差分），对其外围电路进行了设计，原理如图 2 所示 。首先对输入信号进行了前级预处理，主要有前置放大器 、差分驱动器设计，使输入给 ADC 的信号为全差分；参考电压基准采用了基准稳压芯片输出 2.5V，并进行了参考输入的缓冲处理，最大程度上减小后级对参考电压的影响；由于 ADS1271 需外接时钟，这里设计了外部时钟产生单元；逻辑接口部分包括ADS1271 的逻辑控制脚，用以实现对其工作模式
8、、数据输出格式进行控制；数据接口部分采用 SPI 与MCU 接口 。采用了具有极低噪声（ 1.2VPP）的电压基准芯片ADR44110，其输出电压为 Vout1=2.5V，后级采用了容性负载以避免其输出振荡输出 Vout2=1.25V。同时设计了双差分结构得到 VREFP-VREFN=2.5V 的差分参考基准电压，匹配 ADC 双差分结构，如图 3 所示 。为了满足后端 ADS1271 的结构要求，设计了输入信号调理电路 。前级采用了 INA163 进行了前置放大器，其 RG1k，根据 INA163 的内部电路结构，计算其放大倍数为 G=1+6000/RG，这里 G7。对 INA163 的Re
9、f端进行了跟随设计，隔离地上的噪声 。采用AD8131，实现 INA163 全差分信号输出 。AD8131 固定放大 2 倍，不需要另外加反馈电阻，减小增益误差 。结合前级，总的增益放大为 7214 倍 。电路如图 4 所示 。3 数据传输单元实现目前，我国国产的工程弹性波测量仪都采用有线电缆传输数据，需要大量的人力 、物力，并受到地形的限制，大大降低了工作效率6,9。无线弹性波测量仪主要集中在国外几家大型物探装备公司生产和销售，价格偏高，给国内一些物探公司带来较大的经济压力 。由此，提出了无线传输方案 。采用了 Nordic 公司 nRF905 无线收发芯片9。它集成了 VLSI Shock
10、-Burst 技术 。在 Shock-Burst RX模式中，地址匹配 AM 和数据准备就绪 DR 信号通知MCU 一个有效的地址和数据包已经各自接收完成；在 Shock-Burst TX 模式中， nRF905 自动产生前导码G1G2G3G4ADC MCUPC MCUNRF-SendNRF-ReceiveG1G2G3G4 G5G6G7Data-Acquistion-UnitG8G1G2G9GAG5G6G7Data-Transmission-UnitG8图 1 系统总体设计原理框图Fig.1 Block diagram of the whole system图 2 数据采集原理框图Fig.2
11、Block diagram of data acquisitionG1G2G3G4G5G6G7G8G9GAGBGCGDGEG7G8GFG1024bitG11G12G13ADC(ADS1271)G14G15G16G17G18G19G1AG1BG1C(SPI)图 3Fig.3 Circuit diagram of the Vref图 4 信号调理电路图Fig.4 Circuit diagram of the Vref73- -电 测与仪表Electrical Measurement &Instrumentation总第 46 卷 第 522 期2009 年 第 06 期Vol.46 No.522J
12、un. 2009图 5 nRF905 电路图Fig.5 Circuit diagram of the nRF905和 CRC 校验码，数据准备就绪 DR 信号通知 MCU 数据传输已经完成 。nRF905 无线收发电路如图 5 所示 。4 测试结果及结论4.1 实验测试针对数据采集模块的采集精度（有效位）进行了实验，将输入端固定为一个直流电平，连续采样后，扣除直流，得到采样点摆动范围，如图 6 所示 。图中数据显 示 ， ADC 输 出 数 据 98% 分 布 在400LSB 以内 （ 8001200LSB），折算成电压值为119.2V。4.2 工程应用试验在某地质调查课题野外施工的基础上，对
13、弹性波测量仪样机进行了实际应用 。通过对地质区域的实地测量（野外 500 米无误码传输，实现 48 通道弹性波数据采集与接收），找出了地下 57 米处的一个断裂，与高密度电法勘查的结果比较，位置信息一致，说明该仪器满足工程数据处理与解释的要求，应用效果较好 。存在的问题是无线传输误码率随着野外施工环境的复杂度增加而增加，当使用大功率无线模块时，情况较好，但整机功耗较大，有待进一步改进 。本文将无线数据采集技术应用到工程地质勘探上，打破传统的有线传输方式，布线简单，工作效率大大提高，时间缩短到有线方式的 1/3，是方法上的创新；设计的噪声控制方案，提高了数据采集的有效分辨率 。参 考 文 献1
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19、介：王洪辉（ 1985-），男，汉族，湖北孝感人，硕士研究生，从事电子电路设计 。Email： wanghh_庹先国（ 1966-），男，汉族，湖南澧县人，博士（后），教授，博士生导师，四川省学术与技术带头人，从事核技术及应用科研与教学工作 。余小平（ 1970-），男，汉族，四川邻水人，硕士，讲师，从事电子技术应用科研与教学工作 。收稿日期： 2008-12-13（常会敏 编发）图 6 ADS1271 测试数据Fig.6 Block diagram of the data testing采样点数摆动 /LSB 数据采集摆动范围图（扣除直流）c1c2c3c4c5c6c7c8c9c10c11c1
20、2c13c14c15c16c17c18c19c20c21c22c23c24c25c1c2c3c4c5c6c7c8c9c10c1c2c11c12c13c21c26c15c4c7c5c23c3c18c11c12c27c14c20c28c19c29c30c17c31c27c11c29c30c32c24c31c33c33c34c26c4c25c33c7c5c31c7c33c33c6c31c14c28c15c35c5c27c31c36c27c31c36c37c5c29c11c38c39c40c17c14c28c9c41c10c31c14c28c15c18c19c20c12c13c16c15c35R74- -
