无缆存储式地震仪是一种新的地震仪实现形式，其特征是：没有地震数据实时传输能力；各个采集站本地存储数据；施工后数据集中回收；不监视采集站的工作状态(郭建和刘光鼎，2009).无缆存储式地震仪结合了数据采集与本地存储数据等技术，采用一种脱离了地震数据实时传输过程的地震勘探方法(高立兵和靳春光，2014).此类地震仪在设计上打破常规设计思路，并结合了现代技术，在采集站中集合了电源，控制电路，AD转换，滤波电路，大容量存储介质，高精度时钟等部分(游庆瑜等，2003；陈祖斌等，2006；叶勇，2009).相对于实时系统，存储式地震仪(由于)放弃了数据实时传输的功能，将系统从大量数据实时传输的压力中解放出来，使得整个系统在理论上可以实现无道数限制的地震数据采集作业，满足大道数地震勘探的要求(陈瑛和宋俊磊，2013；程建远等，2013；刘振武等，2013).在野外工作时，每一个采集站作为一个采集点，在采集站布置过程中就可以开始采集作业，并且不需要布置大量的站间连接线、传输基站，可以实现高效，低成本勘探作业.

现在市面上典型的无缆存储式地震仪有法国SERCEL公司的UNITE系统，美国ION公司的Firefly系统和吉林大学自主研发的无缆自定位地震仪GEIWSR-Ⅱ等(张帅帅等，2014).这类系统采用单站多通道的方式工作，存在道间串音，并且在仪器体积、功耗等方面有进一步降低的空间.近年来，国外出现了以美国的FairFieldNodal公司推出的Z-l and 系统，OYO Geospace公司推出的GSR系统为代表的一类无缆存储式地震仪.这类系统采用单站单通道的方式工作，体积更小、功耗更低、施工成本更少，可以更好地适应未来高精度，高密度，大道数的地震勘探要求(刘振武等，2013；陶知非等，2013).

为此，设计研发了一种基于ADS1281的32位单通道无缆存储式地震仪，力求在仪器噪声、体积、功耗等方面实现突破.

系统以ADS1281为核心，结合STM32F207，GPS接收器模块，以太网控制器，32位A/D芯片等部分组成系统平台.地震仪总体硬件结构如图 1所示，系统采用STM32F207作为控制器.STM32系列是基于ARM Cortex-M内核、专为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而设计的芯片.STM32F207拥有优异的性能：STM32F207拥有更高的运行速度——以120 MHz高速运行时可达到150DMIPS的处理能力；STM32F207有更大的片上内存——高达1 M字节的片上闪存；STM32F207拥有更低的功耗——以120 MHz全速运行时，片内电流仅为22.5 mA.在软件层面，STM32可以运行一些开源的操作系统(比如FreeRTOS，μC /OS-Ⅱ等)，方便实现多线程，多任务(吕成兴等，2011)；STM32F207结合FatFs文件系统可以方便地操作、管理SD卡；STM32F207结合LWIP协议栈，可以在极节约ROM和RAM资源的情况下实现系统的网络通信功能.系统采用SD卡作为存储介质.SD卡有不同的存储速度和存储容量，可以根据需要选用不同的速度等级和容量等级.数据回收时，地震仪和回收主机之间通过以太网接口进行通信，进而完成对SD卡中的地震数据的回收.GPS模块负责接收卫星信息，通过接收、解析GPS数据，完成对地震仪的同步授时(杨泓渊等，2009).电源模块负责提供数字3.3 V、5 V，模拟+2.5 V、-2.5 V的供电电压.

图 1

Fig. 1

图 1 地震仪总体硬件结构图 Fig. 1 General hardware structure diagram of seismograph

ADS1281是为能源勘探和地震监测而设计的性能优秀的32位模数转换器，特别适合应用在高密度数据采集任务中，而且能够节省板级空间.ADS1281采用一个四阶、本质稳定的Δ-∑调制器，提供卓越的低噪声性能和线性性能.

ADS1281支持高信噪比、高保真度、高分辨率的地震数据采集，其主要性能指标如下:

(1)高分辨率：130 dB SNR(250 SPS)，127 dB SNR(500 SPS);

(2)高精度：-122 dB(typ)，-115 dB(max);

(3)低功耗：运行：12 mW，关闭：10 uW;

(4)操作温度：-40～+85 ℃(最大可达+125 ℃). ADS1281可以提供250 SPS、500 SPS、1000 SPS、2000 SPS、4000 SPS五档采样率，可以满足不同情况的数据采集需求.

运算放大器、模拟开关、全差动放大器组成信号预处理单元，可以参考图 1中虚线内部分来理解预处理单元的总体结构.可以看到，自检正弦波到达ADS1281的路径是：通过运算放大器，模拟开关，全差动放大器；地震波信号到达ADS1281的路径是：通过模拟开关和全差动放大器.

采用导通电阻小、开关速度快、功耗低的模拟开关实现采集信号的输入切换(黄建宇，2014).系统开机以后，首先需要采集系统本身生成的正弦波，检验自身的数据采集功能(自检过程).自检完毕以后通过模拟开关切换，开始采集地震波信号.在ADS1281前设有一片全差动放大器.TI公司专门推出了一系列的针对Δ-∑模数转换器实现高精度数据转换的全差动放大器.全差动放大器配合ADS1281工作，使其在需要高分辨率、高精度、低功耗以及出色动态范围的测震设备中更好地发挥作用.

系统采集程序流程图如图 2所示，系统上电以后，给SD卡和AD上电.进行串口1的初始化，包括波特率，数据位等参数的设置.然后生成自检正弦波，系统对自检正弦波的复现与否决定系统能否通过自检.然后进行存储空间自检：检查SD卡是否存在剩余存储空间.如果SD卡中存在足够的存储空间，系统通过存储空间自检.通过两步自检以后，开始测试文件系统，通过是否生成文件列表验证文件系统是否建立成功.初始化SPI2接口，包括MISO，MOSI和SPI_CLK的初始化.配置SPI2在两线全双工主模式下工作，数据传输从MSB位开始，发送接收8位帧结构，设置SPI2的CLK预分频为32.ADS1281的一些相关I/O口的初始化：AD_POWERDOWN，AD_RESET，AD_DRDY，AD_MFLAG，AD_SWITCH.AD_POWERDOWN和AD_RESET负责ADS1281的上电和复位.AD_DRDY的下降沿是读取模数转换后的数据的位置.AD_MFLAG 是过量程标志位.AD_SWITCH 包括5个I/O口，负责控制模拟开关，完成输入信号切换.设置ADS1281的采样率，通过配置REGISTER 0(ADDRESS 01h)可以配置ADS1281的采样率为250，500，1000，2000或4000SPS.调用文件系统的函数——f_open在SD卡中创建一个新文件，为存储数据做准备.ADS1281有两种数据读取模式：连续读取模式和命令模式.考虑到地震数据采集的特点，采用连续读取模式.通过发送0x10(开始连续读取数据)命令，设置ADS1281工作在连续读取模式下.在连续读取模式下，ADS1281的连续读取数据工作时序如图 3所示.当DRDY变低，标志着新的数据准备好，数据从DOUT开始输出.数据通常在SCLK的每一个上升沿被读出.DRDY在第一个SCLK的下降沿重新变高.DRDY将在4个CLK周期(32个SCLK周期)后重新变低，所以必须在4个CLK周期内完成32位数据读取，否则会造成数据丢失.当DRDY重新变低以后开始另一个周期的数据读取.每一次32位数据读取完毕以后，调用文件系统中的函数——f_write将转换后的数据写入到SD卡的文件中.控制每个数据文件中存储5分钟的数据.当5分钟时间到达以后，调用文件系统中的函数——f_close关闭当前的文件，创建下一个文件，继续采集任务.在采集任务执行的过程中，每次有新的文件写入SD卡以后，就进行一次SD卡剩余容量检测.当SD卡写满以后，采集任务结束，控制SD卡、AD下电，系统工作完毕.当然，也可以人为关机，强制系统停止工作.

图 2

Fig. 2

图 2 数据采集程序流程图 Fig. 2 Data acquisition program flow chart

图 3

Fig. 3

图 3 连续读取数据时序图 Fig. 3 Timing diagram of reading data continuously

系统以1000SPS采样率采集幅值是1.25 V，频率是30 Hz的自检正弦波信号，通过MATLAB程序显示出的结果如图 4，可以看到仪器对正弦波的复现情况良好，通过了系统自检，实现数据采集功能.

图 4

Fig. 4

图 4 正弦波测试 Fig. 4 Sine wave test

通过切换模拟开关，控制仪器采集系统噪声.图 5是系统以1000SPS采样率采集系统噪声的MATLAB显示及噪声的分布结果，从系统噪声的分布情况可以看出噪声大体上符合标准正态分布，经过统计知道98.3%的噪声分布在±4 uV之间.通过计算可以得到系统噪声等效的有效值(RMS)约为0.80 uV，满足低噪声要求(李怀良等，2013；魏文豪和李连生，2013；吴海，2013).根据系统本身的输入满幅值——2.5 V可以得出地震仪的动态范围约为129 dB(@1000 sps)(彭朝勇等，2014).

图 5

Fig. 5

图 5 本体噪声测试及其分布 Fig. 5 Test and distribution of noise

针对高精度地震数据采集的需要，以ADS1281为核心，设计实现了一种32位单通道无缆存储式地震仪.经过实验测试，可以看出系统具有系统噪声低，动态范围大等特点.系统作为一个存储式地震仪，可以实现高保真、高可靠性的地震数据采集；系统作为一个单通道地震仪，可以实现完全没有道间串音的地震数据采集.系统结构紧凑，相对于多通道无缆存储式地震仪，具有轻便化，运营成本低等特点.当然，在未来应用中，需要优化系统的在线质量监控手段，使其更好地在未来大道数，真三维地震勘探中发挥作用.