SS—100地震開關(guān)的設(shè)計

郭德順++葉世山++李敬

摘 要：采用縱波（P波）檢測和地震判斷技術(shù)，設(shè)計了SS-100地震開關(guān)，能夠在檢測到地震P波后快速判斷該地震的加速度是否達到設(shè)定閾值，同時驅(qū)動開關(guān)和發(fā)出警報。主要介紹地震開關(guān)的硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計流程。

關(guān)鍵詞：地震波 地震開關(guān) 地震警報 加速度

中圖分類號：TU352.11 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（b）-0229-02

地震波按傳播方式分為三種類型：縱波、橫波和面波?？v波是推進波，地殼中傳播速度為5.5～7 km/s，最先到達震中，又稱P波，它使地面發(fā)生上下振動，破壞性較弱。橫波是剪切波：在地殼中的傳播速度為3.2～4.0 km/s，第二個到達震中，又稱S波，它使地面發(fā)生前后、左右抖動，破壞性較強。面波又稱L波，是由縱波與橫波在地表相遇后激發(fā)產(chǎn)生的混合波。其波長大、振幅強，只能沿地表面?zhèn)鞑?，是造成建筑物強烈破壞的主要因素（http：//baike.baidu.com/view/66121.htm？fr=aladdin）。因此，中強地震發(fā)生時由于震中距的不同，人們將會有數(shù)秒到數(shù)十秒不等的時間做出反應(yīng)。

SS-100地震開關(guān)利用地震波的上述特點，在地震發(fā)生后快速準確地從背景噪聲中檢測出首先到達的P波，通過科學(xué)計算，判斷出該地震所引起的地面震動是否達到設(shè)定的加速度閾值，達到時驅(qū)動外接設(shè)備開關(guān)，并通過內(nèi)置報警系統(tǒng)發(fā)出地震警報。

1 硬件設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

SS-100地震開關(guān)要求加速度傳感器精度高功耗低，邏輯判斷準確，要有時鐘信號和校時功能，能提供兩路開關(guān)信號和內(nèi)置警號。

按照要求，采用16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和25 MHz微控制器及三軸向微機電加速度計，即時數(shù)位處理，提供高精度之數(shù)值判斷；地震判斷邏輯采用PD、PGA、Displacement與STA/LTA模式；內(nèi)置兩組繼電器可連接控制外界設(shè)備；內(nèi)建實時時鐘（RTC）并提供NTP網(wǎng)絡(luò)校時功能，可以實時顯示當前之精確時間，而且還內(nèi)置了蜂鳴器可即時發(fā)出報警聲響。

1.2 系統(tǒng)組成

SS-100地震開關(guān)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理傳輸模塊、報警執(zhí)行模塊等組成。系統(tǒng)組成框架如圖1所示。

1.2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集模塊負責數(shù)據(jù)實時采集。該模塊包含傳感器、ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片）、MCU控制單元。傳感器、ADC負責數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換；MCU控制單元負責實時數(shù)據(jù)的臨時存儲、初步處理，該模塊通過SPI數(shù)據(jù)總線與數(shù)據(jù)處理傳輸模塊進行通訊。

傳感器選擇Kionix公司的KXR94-2283型MEMS加速度傳感芯片，技術(shù)參數(shù)見表1。AD轉(zhuǎn)換芯片選擇TI公司的16位ADC芯片ADS1174，考慮到設(shè)計的擴展性，選擇TI公司的MSP430F6736作為數(shù)據(jù)采集的MCU。框架圖如圖2所示。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與傳輸

數(shù)據(jù)處理傳輸模塊負責數(shù)據(jù)的非易失存儲，數(shù)據(jù)的分析，P波檢測和地震判斷，NTP時鐘同步，控制報警執(zhí)行模塊動作和數(shù)據(jù)傳輸。可以通過以太網(wǎng)方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心；并接收數(shù)據(jù)中心的指令，地震判斷控制數(shù)據(jù)采集模塊的動作和軟件在線升級等。

數(shù)據(jù)處理傳輸模塊采用MISP結(jié)構(gòu)CPU為核心，軟件系統(tǒng)采用嵌入式Linux。選擇的臺灣Ralink RT3052，RT3052含有豐富的外部接口，其本身內(nèi)置了網(wǎng)絡(luò)功能；數(shù)據(jù)處理傳輸模塊將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)進行處理、P波判斷，發(fā)出對應(yīng)的指令控制報警執(zhí)行模塊動作，并將數(shù)據(jù)存儲到存儲芯片和數(shù)據(jù)傳輸。結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

1.2.3 報警執(zhí)行

報警執(zhí)行模塊采用ATMEL公司的8位AVR單片機Tiny13作為控制芯片，Tiny13檢測數(shù)據(jù)處理傳輸模塊發(fā)來的指令驅(qū)動兩路繼電器工作并使蜂鳴器發(fā)出報警。框架圖如圖4所示。

2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要是初始化MCU和A/D轉(zhuǎn)換器的寄存器，對采集的數(shù)據(jù)進行讀取、判斷和保存。如果不是地震觸發(fā)事件，則一直使SRAM中存有各通道最新的數(shù)據(jù)；若為地震事件且達到設(shè)定的加速度閾值，則報警執(zhí)行模塊動作。同時，把緩存的數(shù)據(jù)保存到SD卡。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖和A/D采集中斷子程序分別如圖5和圖6所示，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主流程圖如圖7所示，地震觸發(fā)判斷程序流程圖如圖8所示，報警程序流程圖如圖9所示。

3 結(jié)語

破壞性地震發(fā)生后，如果能夠?qū)y帶能量較小的P波進行快速準確的檢測和判斷，并趕在破壞性強的S波和L波到達之前發(fā)出地震警報和切斷次生災(zāi)害源，這在地震預(yù)報尚屬科學(xué)難題的今天，將會有著重要的社會意義。SS-100地震開關(guān)在這方面做了些探索和嘗試，效果如何，需要在實際工作中檢驗才能給出結(jié)論。

參考文獻

[1] 蘇振華，劉益成，趙汀.地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2] 楊水清，張劍，施云飛.ARM嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3] 張軍，宋濤.AVR單片機C語言程序設(shè)計實例精粹[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4] 陳俊良，王彥.SS-1型地震開關(guān)的研制[J].地震地磁觀測與研究，1997，18（5）： 80-84.

[5] KXR94-2283 datasheet. Kionix Inc.2009.

[6] RT3052 datasheet. Ralink Technology.2008.endprint

摘 要：采用縱波（P波）檢測和地震判斷技術(shù)，設(shè)計了SS-100地震開關(guān)，能夠在檢測到地震P波后快速判斷該地震的加速度是否達到設(shè)定閾值，同時驅(qū)動開關(guān)和發(fā)出警報。主要介紹地震開關(guān)的硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計流程。

關(guān)鍵詞：地震波 地震開關(guān) 地震警報 加速度

中圖分類號：TU352.11 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（b）-0229-02

地震波按傳播方式分為三種類型：縱波、橫波和面波?？v波是推進波，地殼中傳播速度為5.5～7 km/s，最先到達震中，又稱P波，它使地面發(fā)生上下振動，破壞性較弱。橫波是剪切波：在地殼中的傳播速度為3.2～4.0 km/s，第二個到達震中，又稱S波，它使地面發(fā)生前后、左右抖動，破壞性較強。面波又稱L波，是由縱波與橫波在地表相遇后激發(fā)產(chǎn)生的混合波。其波長大、振幅強，只能沿地表面?zhèn)鞑ィ窃斐山ㄖ飶娏移茐牡闹饕蛩兀╤ttp：//baike.baidu.com/view/66121.htm？fr=aladdin）。因此，中強地震發(fā)生時由于震中距的不同，人們將會有數(shù)秒到數(shù)十秒不等的時間做出反應(yīng)。

SS-100地震開關(guān)利用地震波的上述特點，在地震發(fā)生后快速準確地從背景噪聲中檢測出首先到達的P波，通過科學(xué)計算，判斷出該地震所引起的地面震動是否達到設(shè)定的加速度閾值，達到時驅(qū)動外接設(shè)備開關(guān)，并通過內(nèi)置報警系統(tǒng)發(fā)出地震警報。

1 硬件設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

SS-100地震開關(guān)要求加速度傳感器精度高功耗低，邏輯判斷準確，要有時鐘信號和校時功能，能提供兩路開關(guān)信號和內(nèi)置警號。

按照要求，采用16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和25 MHz微控制器及三軸向微機電加速度計，即時數(shù)位處理，提供高精度之數(shù)值判斷；地震判斷邏輯采用PD、PGA、Displacement與STA/LTA模式；內(nèi)置兩組繼電器可連接控制外界設(shè)備；內(nèi)建實時時鐘（RTC）并提供NTP網(wǎng)絡(luò)校時功能，可以實時顯示當前之精確時間，而且還內(nèi)置了蜂鳴器可即時發(fā)出報警聲響。

1.2 系統(tǒng)組成

SS-100地震開關(guān)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理傳輸模塊、報警執(zhí)行模塊等組成。系統(tǒng)組成框架如圖1所示。

1.2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集模塊負責數(shù)據(jù)實時采集。該模塊包含傳感器、ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片）、MCU控制單元。傳感器、ADC負責數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換；MCU控制單元負責實時數(shù)據(jù)的臨時存儲、初步處理，該模塊通過SPI數(shù)據(jù)總線與數(shù)據(jù)處理傳輸模塊進行通訊。

傳感器選擇Kionix公司的KXR94-2283型MEMS加速度傳感芯片，技術(shù)參數(shù)見表1。AD轉(zhuǎn)換芯片選擇TI公司的16位ADC芯片ADS1174，考慮到設(shè)計的擴展性，選擇TI公司的MSP430F6736作為數(shù)據(jù)采集的MCU?？蚣軋D如圖2所示。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與傳輸

數(shù)據(jù)處理傳輸模塊負責數(shù)據(jù)的非易失存儲，數(shù)據(jù)的分析，P波檢測和地震判斷，NTP時鐘同步，控制報警執(zhí)行模塊動作和數(shù)據(jù)傳輸?？梢酝ㄟ^以太網(wǎng)方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心；并接收數(shù)據(jù)中心的指令，地震判斷控制數(shù)據(jù)采集模塊的動作和軟件在線升級等。

數(shù)據(jù)處理傳輸模塊采用MISP結(jié)構(gòu)CPU為核心，軟件系統(tǒng)采用嵌入式Linux。選擇的臺灣Ralink RT3052，RT3052含有豐富的外部接口，其本身內(nèi)置了網(wǎng)絡(luò)功能；數(shù)據(jù)處理傳輸模塊將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)進行處理、P波判斷，發(fā)出對應(yīng)的指令控制報警執(zhí)行模塊動作，并將數(shù)據(jù)存儲到存儲芯片和數(shù)據(jù)傳輸。結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

1.2.3 報警執(zhí)行

報警執(zhí)行模塊采用ATMEL公司的8位AVR單片機Tiny13作為控制芯片，Tiny13檢測數(shù)據(jù)處理傳輸模塊發(fā)來的指令驅(qū)動兩路繼電器工作并使蜂鳴器發(fā)出報警?？蚣軋D如圖4所示。

2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要是初始化MCU和A/D轉(zhuǎn)換器的寄存器，對采集的數(shù)據(jù)進行讀取、判斷和保存。如果不是地震觸發(fā)事件，則一直使SRAM中存有各通道最新的數(shù)據(jù)；若為地震事件且達到設(shè)定的加速度閾值，則報警執(zhí)行模塊動作。同時，把緩存的數(shù)據(jù)保存到SD卡。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖和A/D采集中斷子程序分別如圖5和圖6所示，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主流程圖如圖7所示，地震觸發(fā)判斷程序流程圖如圖8所示，報警程序流程圖如圖9所示。

3 結(jié)語

破壞性地震發(fā)生后，如果能夠?qū)y帶能量較小的P波進行快速準確的檢測和判斷，并趕在破壞性強的S波和L波到達之前發(fā)出地震警報和切斷次生災(zāi)害源，這在地震預(yù)報尚屬科學(xué)難題的今天，將會有著重要的社會意義。SS-100地震開關(guān)在這方面做了些探索和嘗試，效果如何，需要在實際工作中檢驗才能給出結(jié)論。

參考文獻

[1] 蘇振華，劉益成，趙汀.地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2] 楊水清，張劍，施云飛.ARM嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3] 張軍，宋濤.AVR單片機C語言程序設(shè)計實例精粹[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4] 陳俊良，王彥.SS-1型地震開關(guān)的研制[J].地震地磁觀測與研究，1997，18（5）： 80-84.

[5] KXR94-2283 datasheet. Kionix Inc.2009.

[6] RT3052 datasheet. Ralink Technology.2008.endprint

摘 要：采用縱波（P波）檢測和地震判斷技術(shù)，設(shè)計了SS-100地震開關(guān)，能夠在檢測到地震P波后快速判斷該地震的加速度是否達到設(shè)定閾值，同時驅(qū)動開關(guān)和發(fā)出警報。主要介紹地震開關(guān)的硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計流程。

關(guān)鍵詞：地震波 地震開關(guān) 地震警報 加速度

中圖分類號：TU352.11 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（b）-0229-02

地震波按傳播方式分為三種類型：縱波、橫波和面波?？v波是推進波，地殼中傳播速度為5.5～7 km/s，最先到達震中，又稱P波，它使地面發(fā)生上下振動，破壞性較弱。橫波是剪切波：在地殼中的傳播速度為3.2～4.0 km/s，第二個到達震中，又稱S波，它使地面發(fā)生前后、左右抖動，破壞性較強。面波又稱L波，是由縱波與橫波在地表相遇后激發(fā)產(chǎn)生的混合波。其波長大、振幅強，只能沿地表面?zhèn)鞑?，是造成建筑物強烈破壞的主要因素（http：//baike.baidu.com/view/66121.htm？fr=aladdin）。因此，中強地震發(fā)生時由于震中距的不同，人們將會有數(shù)秒到數(shù)十秒不等的時間做出反應(yīng)。

SS-100地震開關(guān)利用地震波的上述特點，在地震發(fā)生后快速準確地從背景噪聲中檢測出首先到達的P波，通過科學(xué)計算，判斷出該地震所引起的地面震動是否達到設(shè)定的加速度閾值，達到時驅(qū)動外接設(shè)備開關(guān)，并通過內(nèi)置報警系統(tǒng)發(fā)出地震警報。

1 硬件設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

SS-100地震開關(guān)要求加速度傳感器精度高功耗低，邏輯判斷準確，要有時鐘信號和校時功能，能提供兩路開關(guān)信號和內(nèi)置警號。

按照要求，采用16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和25 MHz微控制器及三軸向微機電加速度計，即時數(shù)位處理，提供高精度之數(shù)值判斷；地震判斷邏輯采用PD、PGA、Displacement與STA/LTA模式；內(nèi)置兩組繼電器可連接控制外界設(shè)備；內(nèi)建實時時鐘（RTC）并提供NTP網(wǎng)絡(luò)校時功能，可以實時顯示當前之精確時間，而且還內(nèi)置了蜂鳴器可即時發(fā)出報警聲響。

1.2 系統(tǒng)組成

SS-100地震開關(guān)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理傳輸模塊、報警執(zhí)行模塊等組成。系統(tǒng)組成框架如圖1所示。

1.2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集模塊負責數(shù)據(jù)實時采集。該模塊包含傳感器、ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片）、MCU控制單元。傳感器、ADC負責數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換；MCU控制單元負責實時數(shù)據(jù)的臨時存儲、初步處理，該模塊通過SPI數(shù)據(jù)總線與數(shù)據(jù)處理傳輸模塊進行通訊。

傳感器選擇Kionix公司的KXR94-2283型MEMS加速度傳感芯片，技術(shù)參數(shù)見表1。AD轉(zhuǎn)換芯片選擇TI公司的16位ADC芯片ADS1174，考慮到設(shè)計的擴展性，選擇TI公司的MSP430F6736作為數(shù)據(jù)采集的MCU?？蚣軋D如圖2所示。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與傳輸

數(shù)據(jù)處理傳輸模塊負責數(shù)據(jù)的非易失存儲，數(shù)據(jù)的分析，P波檢測和地震判斷，NTP時鐘同步，控制報警執(zhí)行模塊動作和數(shù)據(jù)傳輸?？梢酝ㄟ^以太網(wǎng)方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心；并接收數(shù)據(jù)中心的指令，地震判斷控制數(shù)據(jù)采集模塊的動作和軟件在線升級等。

數(shù)據(jù)處理傳輸模塊采用MISP結(jié)構(gòu)CPU為核心，軟件系統(tǒng)采用嵌入式Linux。選擇的臺灣Ralink RT3052，RT3052含有豐富的外部接口，其本身內(nèi)置了網(wǎng)絡(luò)功能；數(shù)據(jù)處理傳輸模塊將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)進行處理、P波判斷，發(fā)出對應(yīng)的指令控制報警執(zhí)行模塊動作，并將數(shù)據(jù)存儲到存儲芯片和數(shù)據(jù)傳輸。結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

1.2.3 報警執(zhí)行

報警執(zhí)行模塊采用ATMEL公司的8位AVR單片機Tiny13作為控制芯片，Tiny13檢測數(shù)據(jù)處理傳輸模塊發(fā)來的指令驅(qū)動兩路繼電器工作并使蜂鳴器發(fā)出報警。框架圖如圖4所示。

2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要是初始化MCU和A/D轉(zhuǎn)換器的寄存器，對采集的數(shù)據(jù)進行讀取、判斷和保存。如果不是地震觸發(fā)事件，則一直使SRAM中存有各通道最新的數(shù)據(jù)；若為地震事件且達到設(shè)定的加速度閾值，則報警執(zhí)行模塊動作。同時，把緩存的數(shù)據(jù)保存到SD卡。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖和A/D采集中斷子程序分別如圖5和圖6所示，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主流程圖如圖7所示，地震觸發(fā)判斷程序流程圖如圖8所示，報警程序流程圖如圖9所示。

3 結(jié)語

破壞性地震發(fā)生后，如果能夠?qū)y帶能量較小的P波進行快速準確的檢測和判斷，并趕在破壞性強的S波和L波到達之前發(fā)出地震警報和切斷次生災(zāi)害源，這在地震預(yù)報尚屬科學(xué)難題的今天，將會有著重要的社會意義。SS-100地震開關(guān)在這方面做了些探索和嘗試，效果如何，需要在實際工作中檢驗才能給出結(jié)論。

參考文獻

[1] 蘇振華，劉益成，趙汀.地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2] 楊水清，張劍，施云飛.ARM嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3] 張軍，宋濤.AVR單片機C語言程序設(shè)計實例精粹[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4] 陳俊良，王彥.SS-1型地震開關(guān)的研制[J].地震地磁觀測與研究，1997，18（5）： 80-84.

[5] KXR94-2283 datasheet. Kionix Inc.2009.

[6] RT3052 datasheet. Ralink Technology.2008.endprint