Автономный цифровой сейсмометр
Владельцы патента RU 2434249:
Учреждение Российской академии наук Институт динамики геосфер РАН (ИДГ РАН) (RU)
Изобретение относится к приемникам сейсмических сигналов и может быть использовано при создании систем регистрации сейсмических данных. Заявленное устройство содержит сейсмопреобразователь, аналого-цифровой преобразователь, канал передачи данных, формирователь сигналов астрономического времени, тактовый генератор, контроллер управления. Дополнительно в устройстве выход формирователя сигналов астрономического времени соединен со входом прерываний контроллера управления, вход разрешения приема данных которого соединен с выходом готовности данных аналого-цифрового преобразователя. Заключенная в контроллер управления программа обеспечивает одновременный прием данных с аналого-цифрового преобразователя и формирователя сигналов астрономического времени и передачу данных через канал передачи данных на выход устройства. Помимо этого в контроллер заключена программа обработки прерывания, запускающаяся по перепаду напряжения на входе прерываний контроллера управления и обеспечивающая перезапуск цикла выборки аналого-цифрового преобразователя. Технический результат: повышение точности синхронизации сейсмических данных с астрономическим временем. 5 ил.
Изобретение относится к сейсмологии, а точнее к аппаратуре для сейсмических исследований, и может быть использовано при создании систем регистрации сейсмических данных.
Известен сейсмометр, содержащий последовательно соединенные сейсмопреобразователь и аналого-цифровой преобразователь, а также блок памяти, контроллер управления, который имеет программу, заключенную в нем, обеспечивающую прием данных с аналого-цифрового преобразователя, запись данных в блок памяти [1].
Недостатком известного устройства является то, что привязка собираемых им данных к астрономическому времени возможна лишь только фиксацией начального момента запуска устройства, т.к. оно не имеет средств для синхронизации с астрономическим временем. При достаточно большом времени (несколько суток или месяцев) непрерывного сбора данных в автономном режиме отклонение внутренних часов устройства от астрономического времени может достигать минут, что совершенно недопустимо при сейсмологических наблюдениях.
Известен также автономный цифровой сейсмометр, содержащий последовательно соединенные сейсмопреобразователь и аналого-цифровой преобразователь, а также блок энергонезависимой памяти, канал передачи данных, формирователь сигналов астрономического времени, контроллер управления, вход данных которого соединен с выходом данных аналого-цифрового преобразователя, выход записи-чтения данных и выход управления памятью соединены с входом-выходом и управляющим входом соответственно блока энергонезависимой памяти, а выход передачи данных соединен с входом канала передачи данных, выход которого является выходом сейсмометра, причем контроллер управления имеет программу, заключенную в нем, обеспечивающую прием данных с аналого-цифрового преобразователя, запись и чтение данных из блока энергонезависимой памяти и передачу данных через канал передачи данных на выход устройства [2].
Недостатком известного технического решения является сложность привязки сейсмических данных к астрономическому времени, т.к. хотя импульс секундной метки приемника глобального позиционирования, который может выполнять функции формирователя сигналов астрономического времени, сам по себе точно синхронизирован с астрономическим временем, но различить к какой секунде, какой из импульсов относится затруднительно, не имея сообщения приемника об этом. Зафиксировать же в полевых условиях точную секунду астрономического времени начала регистрации данных сейсмометром сложно или для этого нужно иметь дополнительные специальные средства.
Наиболее близким техническим решением к настоящему изобретению, принятым за прототип, является автономный цифровой сейсмометр, содержащий последовательно соединенные сейсмопреобразователь и аналого-цифровой преобразователь, а также канал передачи данных, формирователь сигналов астрономического времени, тактовый генератор, контроллер управления, вход данных которого соединен с выходом данных аналого-цифрового преобразователя, вход синхронизации которого соединен с выходом синхронизации контроллера управления, тактовый вход которого соединен с выходом тактового генератора, а выход передачи данных соединен с входом канала передачи данных, выход которого является выходом сейсмометра, причем контроллер управления имеет программу, заключенную в нем, обеспечивающую одновременный прием данных с аналого-цифрового преобразователя и формирователя сигналов астрономического времени и передачу данных через канал передачи данных на выход устройства [3].
К недостаткам известного технического решения можно отнести то, что синхронизация сейсмических данных с астрономическим временем обеспечивается с точностью до периода выборки аналого-цифрового преобразователя, т.к. моменты выборки никак не связаны с астрономическим временем. В результате установить в какой момент между выборками поступил передний фронт сигнала астрономического времени невозможно. Так, например, при частоте оцифровки аналогового сигнала 100 Гц точность определения момента выборки аналого-цифрового преобразователя составляет 10 мс, не считая дополнительной погрешности, вносимой неточностью тактового генератора. Уменьшение периода выборки для увеличения точности временной синхронизации приводит к увеличению шумов аналого-цифрового преобразователя, т.е. снижению динамического диапазона сигналов сейсмопреобразователя.
Целью изобретения является повышение точности синхронизации сейсмических данных с астрономическим временем.
Поставленная цель достигается тем, что в автономном цифровом сейсмометре, содержащем последовательно соединенные сейсмопреобразователь и аналого-цифровой преобразователь, а также канал передачи данных, формирователь сигналов астрономического времени, тактовый генератор, контроллер управления, вход данных которого соединен с выходом данных аналого-цифрового преобразователя, вход синхронизации которого соединен с выходом синхронизации контроллера управления, тактовый вход которого соединен с выходом тактового генератора, а выход передачи данных соединен с входом канала передачи данных, выход которого является выходом сейсмометра, причем контроллер управления имеет программу, заключенную в нем, обеспечивающую одновременный прием данных с аналого-цифрового преобразователя и формирователя сигналов астрономического времени и передачу данных через канал передачи данных на выход устройства, выход формирователя сигналов астрономического времени соединен со входом прерываний контроллера управления, вход разрешения приема данных которого соединен с выходом готовности данных аналого-цифрового преобразователя, причем контроллер управления имеет программу обработки прерывания, заключенную в нем, запускающуюся по перепаду напряжения на входе прерываний контроллера управления и обеспечивающую перезапуск цикла выборки аналого-цифрового преобразователя.
Совокупность существенных признаков предложенного устройства: «выход формирователя сигналов астрономического времени соединен со входом прерываний контроллера управления, вход разрешения приема данных которого соединен с выходом готовности данных аналого-цифрового преобразователя, причем, контроллер управления имеет программу обработки прерывания, заключенную в нем, запускающуюся по перепаду напряжения на входе прерываний контроллера управления и обеспечивающую перезапуск цикла выборки аналого-цифрового преобразователя» - обеспечивает повышение точности синхронизации сейсмических данных с астрономическим временем. Это достигается за счет того, что таймер контроллера управления, задающий цикл выборки данных, перезапускается каждый раз по переднему фронту периодических сигналов астрономического времени. В результате момент оцифровки жестко связывается с приходом сигналов астрономического времени. За время между ними циклы выборки формируются обычным путем - делением частоты тактового генератора.
Существенный признак данного технического решения: «вход разрешения приема данных контроллера управления соединен с выходом готовности данных аналого-цифрового преобразователя» - необходим для обеспечения корректной работы аналого-цифрового преобразователя в момент подстройки цикла выборки данных под сигнал астрономического времени. Обычно во время преобразования на аналого-цифровые преобразователи не допускается подача сигнала запуска оцифровки. С другой стороны из-за отклонения частоты тактового генератора от номинала неизвестно, когда поступит сигнал астрономического времени. Он может поступить и во время преобразования. В этом случае контроллер управления не подает сигнал, запускающий преобразование аналого-цифровым преобразователем, до окончания запрещающего сигнала от него.
На фиг.1 представлена блок-схема автономного цифрового сейсмометра, на фиг.2, 3 - временные диаграммы работы устройства, на фиг.4 - алгоритм работы основной программы контроллера управления, на фиг.5 - алгоритм работы программы обработки прерываний контроллера управления.
Автономный цифровой сейсмометр содержит сейсмопреобразователь 1, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2, контроллер 3 управления, тактовый генератор 4, формирователь 5 сигналов астрономического времени, канал 6 передачи данных. Выход 7 синхронизации контроллера 3 соединен с входом синхронизации АЦП 2, выход готовности данных которого соединен с входом 8 разрешения приема данных контроллера 3, вход 9 прерываний которого соединен с выходом формирователя 5 сигналов астрономического времени.
Сейсмопреобразователь 1 обычно состоит из сейсмического датчика 10 и блока 11 фильтрации, но наличие последнего необязательно. В качестве формирователя 5 сигналов астрономического времени может быть использована известная схема, состоящая из приемника 12 глобального позиционирования, блока 13 согласования логических уровней и формирователя 14 минутной метки. В этом случае формирователь 5 сигналов астрономического времени на выходе будет выдавать импульс, передний фронт которого совпадает с началом первой секунды каждой минуты. В то же время ничто не препятствует использовать в качестве выхода формирователя 5 непосредственно выход секундной метки приемника 12. В таком варианте на выходе формирователя 5 импульсы будут выдаваться каждую секунду, а их передние фронты совпадать с началом секунд.
В качестве контроллера 3 управления может быть использован любой микроконтроллер, обладающий необходимым количеством портов ввода-вывода и интерфейсов, в частности таймером для формирования цикла опроса АЦП 2 и входом внешних прерываний. Таким микроконтроллером может быть, например, ATMEGA165 серии AVR. Кроме того, АЦП 2, контроллер 3 и тактовый генератор 4 конструктивно могут быть выполнены и в виде единого узла, например микросхемы MSС1213.
Программа, заключенная в контроллере 3, обеспечивает управление работой АЦП 2, прием данных с него и с формирователя сигналов астрономического времени с частотой, кратной частоте тактового генератора 4, а также передачу данных на выход устройства через канал 6 передачи данных. Также в контроллере 3 заключена программа обработки прерывания, запускающаяся по перепаду напряжения на входе прерываний контроллера 3 управления и обеспечивающая перезапуск цикла выборки АЦП 2.
Устройство работает следующим образом.
Приемник 12 глобального позиционирования на выходе PPS каждую секунду вырабатывает импульс, передний фронт которого совпадает с началом секунды астрономического времени [4]. Одновременно на выходе RS-232 приемника 12 каждый импульс сопровождается последовательным кодом, содержащим информацию о его времени. Блок 13 согласования логических уровней преобразует уровни электрических сигналов, соответствующих стандарту RS-232 в стандартные логические уровни микросхем, например ТТЛ. Формирователь 14-минутной метки по данным приемника 12 выдает на своем первом выходе импульсы, передний фронт которых совпадает с началом первой секунды каждой минуты астрономического времени, а на втором выходе - импульсы, передний фронт которых совпадает с каждой секунды астрономического времени.
Сейсмический датчик 10 устанавливается в грунт. Он преобразует параметры колебания грунта (смещение, скорость или ускорение в зависимости от типа датчика) в электрический аналоговый сигнал. При необходимости этот сигнал поступает на блок 11 фильтрации, где отфильтровываются его частотные составляющие, выходящие за рабочую полосу частот датчика 10. Далее аналоговый сигнал поступает в АЦП 2, где происходит его оцифровка.
При отсутствии положительного перепада напряжения (из «0» в «1») на входе 9 прерываний контроллера 3 управления последний формирует на выходе 7 синхронизации импульсы с периодом Тоцф., соответствующим периоду выборки АЦП 2 по алгоритму, изображенному на фиг.4.
Начало каждого преобразования аналогового сигнала начинается по отрицательному фронту этих импульсов (переключение из «1» в «0» на входе синхронизации АЦП 2). Получив указанный фронт на своем входе синхронизации, АЦП 2 начинает преобразование и одновременно сбрасывает в «0» выход готовности данных. Он остается в этом состоянии на время tпр., пока не закончится преобразование, и данные не станут доступными для чтения контроллером 3. Пока идет преобразование АЦП 2, подавать на него сигнал синхронизации не допускается. Низкий уровень с выхода готовности данных АЦП 2 поступает на вход 8 разрешения приема данных контроллера 3, сигнализируя последнему о том, что преобразование не завершено, и данные для чтения не готовы.
По окончании преобразования АЦП 2 изменяет на выходе готовности данных уровень с низкого на высокий. Получив этот сигнал, контроллер 3 принимает данные с АЦП 2 и одновременно значение уровня сигнала на входе 9 прерываний и передает их на выход сейсмометра через канал 6 передачи данных, после чего переводит выход 7 синхронизации в состояние «1». Когда контроллер 3 отсчитает необходимое количество импульсов, поступивших на него с выхода тактового генератора 4 за время от начала запуска последнего преобразования, т.е. пройдет время Тоцф., он вновь формирует отрицательный фронт на своем выходе 7 синхронизации, тем самым запуская новый цикл оцифровки данных.
В начале каждой астрономической минуты формирователь 5 подает на вход 9 прерываний контроллера 3 положительный перепад напряжения, по которому выполнение его основной программы прерывается, и запускается выполнение программы обработки прерывания в соответствии с алгоритмом, представленным на фиг.5. Эта программа перезапускает отсчет времени цикла оцифровки Тоцф., а затем проверяет состояние выхода 7 синхронизации контроллера 3. Если в этот момент на выходе 7 синхронизации низкий уровень, т.е. АЦП 2, находится в режиме преобразования или контроллер 3 еще не принял из АЦП 2 последние оцифрованные данные, то на этом программа обработки прерывания завершается (фиг.2). В противном случае, когда контроллер 3 просто ждет окончания цикла оцифровки, программа обработки прерывания формирует отрицательный фронт на выходе 7 синхронизации, вызывая начало преобразования АЦП 2, и после этого завершается (фиг.3). По завершении обработки прерывания контроллер 3 управления возвращается в то место основной программы, из которого он вышел на прерывание.
Таким образом, поступление на контроллер 3 переднего фронта метки времени инициирует начало нового цикла оцифровки АЦП 2. Это дает возможность определения времени ближайшего и всех последующих моментов оцифровки аналоговых данных относительно начала сигнала метки времени.
Высокий уровень метки времени удерживается в течение нескольких периодов оцифровки данных. Каждый раз, принимая сейсмические данные из АЦП 2, контроллер 3 фиксирует и соответствующее им состояние на своем входе 9 прерываний. Первые данные, принятые от АЦП 2, соответствующие логическому уровню метки времени «1», оцифрованы в момент tm+Тоцф., где tm - астрономическое время начала минуты. Моменты оцифровки всех последующих данных отличаются на величину Тоцф.. Определить минуту, на которой был включен сейсмометр, несложно даже в полевых условиях.
Обычно частота оцифровки используется такой, что в секунде укладывается целое количество периодов Тоцф.. В таком случае начало следующей метки времени должно совпасть с началом периода деления. Но из-за отклонений частоты генератора 4 от номинала, а также влияния внешних факторов, в реальности этого не происходит. Относительная погрешность периода сигнала генератора 4 на кварцевом резонаторе среднего качества составляет 10-5, т.е. за 60 с ошибка определения времени оцифровки не превысит tсдв.=600 мкс. Каждая новая метка времени производит сдвиг начала периода оцифровки в ту или иную сторону на величину tсдв., обеспечивая тем самым подстройку моментов оцифровки под астрономическое время.
Высокая точность синхронизации сейсмических данных с астрономическим временем необходима для функционирования мобильных сетей наблюдения из автономных сейсмометров, имеющих своей целью построение скоростных моделей строения земной коры и мантии и определение местоположения эпицентра источников сейсмических колебаний. Сейсмометры располагаются на расстояниях в десятки и сотни километров друг от друга и фиксируют колебания земной поверхности по трем координатам. Анализ и сопоставление сейсмограмм со всех сейсмометров сети позволяет проследить направление и скорость прохождения волнового фронта, а также затухание волны. Для сопоставления сейсмограмм, полученных от разных сейсмометров, и требуется их возможно более точная синхронизация. В предложенном устройстве моменты оцифровки данных синхронизируются фронтами минутных меток, вырабатываемых формирователями сигналов астрономического времени на основе приемников глобального позиционирования. Эти метки поступают на все сейсмометры сети, где бы они ни находились, одновременно с точностью до 1 мкс, обеспечивая расхождение между «одновременными» отсчетами разных сейсмометров, как было показано выше, порядка 600 мкс.
Предложенное устройство было разработано для проведения прецизионных сейсмологических измерений в рамках реализации проекта РФФИ 09-05-12023-офи_м «Инициирование и накопление деформаций в блочной геофизической среде в результате электромагнитных и механических воздействий 2009-2010» и использовалось при регистрации карьерных взрывов на территории центральной и северо-западной частей России. Проведенные работы подтвердили достижение в предложенной совокупности существенных признаков поставленной цели изобретения.
Список литературы
1. Патент РФ №2265867, МПК: G01V 1/00 от 29.12.2003 г.
2. Патент РФ №2323455, МПК: G01V 1/00 от 22.04.2003 г., фиг.1А.
3. Патент РФ по заявке №2009101905/28, МПК: G01V 1/16 от 21.01.2009 г., решение о выдаче патента от 20.04.2010 г.
4. GARMIN. GPS 250 LP series GPS sensor boards GPS25-LVC, GPS25-LVS, GPS25-HVS. Technical Specification.
Автономный цифровой сейсмометр, содержащий последовательно соединенные сейсмопреобразователь и аналого-цифровой преобразователь, а также канал передачи данных, формирователь сигналов астрономического времени, тактовый генератор, контроллер управления, вход данных которого соединен с выходом данных аналого-цифрового преобразователя, вход синхронизации которого соединен с выходом синхронизации контроллера управления, тактовый вход которого соединен с выходом тактового генератора, а выход передачи данных соединен с входом канала передачи данных, выход которого является выходом сейсмометра, причем контроллер управления имеет программу, заключенную в нем, обеспечивающую одновременный прием данных с аналого-цифрового преобразователя и формирователя сигналов астрономического времени и передачу данных через канал передачи данных на выход устройства, отличающийся тем, что выход формирователя сигналов астрономического времени соединен со входом прерываний контроллера управления, вход разрешения приема данных которого соединен с выходом готовности данных аналого-цифрового преобразователя, причем контроллер управления имеет программу обработки прерывания, заключенную в нем, запускающуюся по перепаду напряжений на входе прерываний контроллера управления и обеспечивающую перезапуск цикла выборки аналого-цифрового преобразователя.
