人耳所能接收到的物體振動產生的彈性波的頻率范圍為20 Hz~20 kHz,，凡是低于這個范圍的聲波都稱為次聲波。次聲波具有頻率低,、能量大,、穿透力強，易于接收等特點,。

　　長期以來的科學試驗表明,，地震、泥石流等自然災害事件在孕育,、發(fā)生和發(fā)展的過程中均可能向大氣中輻射低頻的次聲波[1],。通過監(jiān)測和分析這些次聲波信號，對次聲波源進行定位,，研究次聲波的產生和傳播規(guī)律來揭示次聲波信號與自然事件的關聯(lián)性,，可以達到預測和監(jiān)測自然災害事件并進行短期預警的目的[2]。高精度,、高動態(tài)范圍,、穩(wěn)定性強、可靠性高的次聲波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對次聲波數(shù)據(jù)的采集以及進一步的研究應用都有著重要的意義,。

　　本文設計采用低功耗,、高可靠性的STM32作為主控制器，連接MAX293和24位精準模數(shù)轉換器ADS1246,，同時掛載SD卡,、溫濕度傳感器、GPS模塊構成一套無線次聲波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，通過串口與上位機通信完成參數(shù)配置,，并且通過網口連接無線路由器實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸到主服務器，達到遠距離監(jiān)測次聲波的目的,。

1 系統(tǒng)總體設計方案

　　系統(tǒng)的總體結構如圖1所示,，主要包括了次聲傳感器、信號調理電路,、A/D轉換,、數(shù)據(jù)存儲模塊、電源模塊,、USB/串口,、網口接口部分、GPS模塊,、3G轉WiFi模塊以及基于LabVIEW平臺的上位機部分,。

2 硬件部分

　　2.1 次聲信號的獲取

　　InSYS2008型超低頻次聲測量傳感器是一種電容式次聲傳感器，它具有溫度系數(shù)低,、工作溫度范圍寬,、工作濕度范圍寬，潮濕氣候對靈敏度影響極小等特點,，該傳感器只對聲波敏感,，而對振動不敏感，具有很好的抗振動干憂性能和良好的長期穩(wěn)定性[3],。該傳感器的頻率響應范圍為0.001 Hz~100 Hz,靈敏度為750 mV/Pa,，完全能夠滿足次聲信號的采集要求。

　　2.2 信號調理

　　次聲波在大氣中傳播的過程中因風噪及地形因素造成的信號混疊,、偶然事件引起的噪聲以及系統(tǒng)噪聲等是主要的干擾[4],。濾波電路設計采用八階橢圓形濾波器MAX293，該濾波器具有很快的滾降速度，通帶到阻帶的過渡帶可以很窄,，它具有固定的頻率響應函數(shù),，只需要設定所需要的截止頻率即可。在本設計中,，由STM32根據(jù)預設截止頻率值的大小輸出相應的CLK信號來實現(xiàn),。濾波電路如圖2所示， 其中AVDD為5 V,，DVDD為3.3 V,。圖中的NCMOS電路完成電平雙向轉換的功能，經實際應用中測試,，它能在保留所需要的次聲波信號頻段信息的前提下,，有效地抑制干擾。

　　2.3 數(shù)據(jù)采集和處理

　　信號采集采用TI公司生產的ADS1246,，它是一種24位Δ-Σ型高精度無失碼模數(shù)轉換器,，最大數(shù)據(jù)輸出率為2 kS/s，可以根據(jù)需要配置相應的寄存器,，設置不同的采樣率和PGA增益值,。

　　數(shù)據(jù)處理采用STM32系列單片機作為系統(tǒng)的控制核心,它采用最新的32位ARM Cortex-M3內核,性能高、功耗小,、成本低且處理速度快,工作頻率最高可達到72 MHz,并且還具有豐富的外設,。在本設計中采用STM32F103ZE作為主控芯片，通過SPI外設接口分別與ADS1246和網絡接口芯片ENC28J60直接進行通信,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送,。相關原理圖如圖3所示,。

　　2.4數(shù)據(jù)存儲

　　在本設計中，網絡暫時不通或服務器關機時,，將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)暫存器上,，等到網絡連通之后，再將暫存器上的數(shù)據(jù)文件發(fā)送到網口進行傳輸,。暫存器采用大容量SD卡及USB盤,并且設置暫存優(yōu)先級為：USB盤,，SD卡。網絡恢復后數(shù)據(jù)續(xù)傳的優(yōu)先級依然是：USB盤,，SD卡,。這樣就能夠達到將數(shù)據(jù)存儲到USB盤中實現(xiàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)場獲取的目的。

3 軟件部分

　　3.1 LabVIEW通信部分設計

　　上位機軟件開發(fā)平臺采用LabVIEW,，它采用圖形化編程的G語言,，擁有面向數(shù)據(jù)采集、GPIB,、串行儀器控制等豐富的擴展函數(shù)庫,，并且采用流程圖式的編程方式，具有十分強大的功能。LabVIEW的編程設計分為前面板部分和程序框圖部分,，前者可以模擬真實儀器的前面板,，用于設置數(shù)值和觀察輸出量，后者則是對應于前面板的G語言程序[5],。在本設計中,，LabVIEW上位機設計主要包括控制面板和顯示面板部分。前者主要向下位機發(fā)送控制命令,，完成對采集系統(tǒng)采樣率，濾波器截止頻率等相關參數(shù)的配置,，同時在收到下位機發(fā)送的配置完成信號后發(fā)啟動命令啟動數(shù)據(jù)采集等工作;后者主要用于現(xiàn)場監(jiān)察儀器的工作情況,確保相關參數(shù)配置生效,，同時也可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場實時觀測和保存。

　　上位機和下位機通過串口中斷的方式完成交互和握手,。圖4是LabVIEW上位機與STM32下位機部分通信的下位機軟件設計流程圖,，主要包括控制命令的發(fā)送和ADC采集數(shù)據(jù)的接收和顯示。

　　3.2 STM32軟件設計

　　STM32采用MDK作為開發(fā)環(huán)境,，STM32軟件設計主要包含SPI方式控制ADS1246,，SPI方式控制網絡接口芯片ENC28J60以及SDIO模式控制SD卡。相應設計部分的流程如圖5所示,。

　　系統(tǒng)上電以后進行初始化,，然后接收LabVIEW上位機通過串口發(fā)送來的控制命令，完成相關參數(shù)的配置和啟動數(shù)據(jù)采集,。同時完成ENC28J60復位,、工作方式設置等相關操作，然后等待網絡連通,。如果網絡不通則將采集到的數(shù)據(jù)存放到暫存器中,，當檢測到網絡連通時則根據(jù)設置的優(yōu)先級將暫存器中的數(shù)據(jù)通過網口發(fā)送到遠程服務器。

　　在本設計中,，單片機接收到信號數(shù)據(jù)后可以將數(shù)據(jù)實時或者以固定的時間間隔分批進行傳輸,，即可以通過LabVIEW控制面板設置傳輸以固定時間間隔T、每次傳輸數(shù)據(jù)長度為N的方式進行數(shù)據(jù)傳輸,。數(shù)據(jù)采用二進制格式,，每個數(shù)據(jù)為4 B的二進制碼依次排列。另外,，設計中又在每個數(shù)據(jù)文件的頭部再加上64 B的字符數(shù)據(jù),，用以記錄時間、經緯度等一些必要的信息,，這樣兩部分構成了實際的數(shù)據(jù)文件,。然后，再將每個數(shù)據(jù)文件發(fā)送到網口進行傳輸,傳輸采用TCP/IP協(xié)議。

　　4 測試與總結

　　圖6為應用本無線次聲波采集系統(tǒng)在服務器端用MATLAB繪制的次聲信號時域波形圖,。圖中的尖峰表示振動下次聲場產生異常,。反復實驗測試表明本系統(tǒng)可以在噪聲場存在的條件下較好地完成對次聲信號的測量和傳輸，對次聲信號的進一步處理,、研究和應用都有著重要的意義,。

參考文獻

　　[1] 劉俊民, 唐偉，王曉明,，等. 次聲信號產生機理與特性分析[J]. 環(huán)境工程,2010,28(4):92-96.

　　[2] 夏雅琴,胡爭杰,鄭菲.震前次聲波特征信號研究[J].北京工業(yè)大學學報,2005,31(5):461-470.

　　[3] 謝金來,陶中達,謝照華.高靈敏度寬頻帶次聲傳感器[J].核電子學與探測技術,2003,23(5):428-432.

　　[4] 夏雅琴,王微,，張斌，等. 次聲信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].北京工業(yè)大學學報,，2006,32(6):573-576.

　　[5] 孫秋野,柳昂,王云爽.LabVIEW 8.5快速入門與提高[M].西安:西安交通大學出版社,2009.