24位地震数据采集器中的数据处理
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(作者电子信箱 , 王翠芳 : wwwcfff@163. com )
参考文献
[ 1 ] 张雄伟等. DSP芯片的原理与开发应用. 北京 : 电子工业出版社 , 2004 [ 2 ] 国家地震局. 遥测地震台网观测技术规范. 北京 : 地震出版社 , 1991
图 4 地震数据传输格式的帧结构图
HEAD: 4 字节帧同步标识码 , 16 进制 从 高 位 到 低 位 值 为 : 0xB F、 0x13、 0x97、 0x74,用于从数据流中识别数据帧 。
SITE2ID: 2字节整数 , 为台站编号 。 CMD: 2字节整数 , 传输数据帧类型标
示字 , 为数据帧其值为 55AAH。 LENGTH: 2字节整数 , 标识帧的长度 ,
第 5期 (总第 341期 ) 2007年 5月
国 际 地 震 动 态 Recent Developments in World Seismology
No. 5 ( Serial No1341) M ay, 2007
24位地震数据采集器中的数据处理 3
王翠芳 邵玉平 宋 澄
(四川省地震局水库地震研究所 , 成都 610041)
×2) , 抽取滤波后数据量为 : 512KSPS ÷256 = 2KSPS, 即每秒 2K个数
200系列的第一段总的抽取率为 640 (20 ×16 ×2) , 抽取滤波后数据量为 : 512KSPS ÷640 = 800SPS, 即每秒 800个数 2. 1 全量程滤波器加权增益
设计 500采样系列的第一级滤波系数增 益 (即滤波系数之和 )为 1 024; 设计 200 系
当 e > 23时 , 尾数直接取 223 - 1, 当 e = 23时 , 直接取尾数 , 当 e < 23时 , 在尾数 前加 0。
例如 : DSP从片内 RAM 中取另一个浮 点数 X = 0x3A00000, 则 e = 0x03 = 3, s = 1, f = 010, 用 X =m ×2e表示为 :
第 5期 王翠芳等 : 24位地震数据采集器中的数据处理
37
CHECKSUM: 2字节整数 , 为帧检查和 , 除 HEAD 外 , 帧中其余部分按 16 位字相加 应为零 。
当 CMD 的值为 0x5555, 数据采集器输 出实时数据流 , 其 DATA 字段的结构如图 5:
2 DSP 第 一 段 滤 波 得 到 2KSPS 或 800 SPS数据流
在图 1中的 DSP第一段滤波器中 , 500 采样系列的第一级抽取率 n = 8, 200采样系 列的第一级抽取率 n = 20, 两采样系列的第 二级和第三级的抽取率都是 16 和 2, 因此 500系列的第一段总的抽取率为 256 ( 8 ×16
X = 10. 010 ×23 b = 0110b ( b表示二进制 ) 因为 s = 1, 为负数 , 所以十进制值为
- [ 01101b + 1 ] = - 14, 即数据采集器输出 的 COUNT值为 - 14 COUNT。 3. 2 将 CO UNT值数据归一化
512K数据流经第一段滤波和第二段滤 波后的数据放进 RAM 中 , DSP从 RAM 中按 上述规则取出数后进行归一化 , 即将取出数 据乘以归一化因子 8. 190438673 ×10 - 10 , 这 里没有考虑 DSP第二段滤波系数的增益 , 因 为该增益只有 0～15的范围 , 其值比起第一 段的增益值 1. 42249316 ×1016是可以忽略 。 这样一来就得到了最后输出的 COUNT值 。
图 2 最小相位滤波抽取器的构成 © 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
36
国 际 地 震 动 态 2007年
其值为数据帧中 DATA 和 HECKSUM 部分的 字节数 。
DATA: 为数据或命令信息 。
© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
中心软件收到数据帧后解包 , 再作后续 的地震定位和震级计算等等工作 。
5 结束语
以上是将地震计感应的地面运动信号 , 经 24位地震数据采集器转换成 COUNT值的 处理过程 。本文所阐述的 24 位地震数据采 集器中的数据处理采用的是软件滤波方案 , 随着电子技术的发展 , 现在市场上可以直接 购买到滤波芯片进行硬件滤波 , 但其效果还 有待进一步验证 。
选 : 10秒 、30秒 、100秒 、300秒 、1 000秒 、 3 000秒 , 用户根据需要选择 。第五级高通滤 波后得到 24位地震数据 。 3. 1 从 D SP数据格式转换成 CO UNT值
我们 采 用 的 是 TM S320C3X 的 DSP 芯 片 , 该芯片中最常用的是单精度浮点数格 式 [ 1 ]如图 3:
摘 要 24位地震数据采集器中的数据处理过程是 : 地震计将感应到的地面运动信 号转换成电压值输出给采集器 , 采集器将模拟电压信号进行滤波放大 , 再进行 A /D 转换 成 512KSPS的 1位数据码流 , 该码流经 DSP的两段滤波后得到 COUNT值 , DSP从 RAM 中取出 COUNT值归一化后打包输出 。
PSUM: 1 字 节 局 部 检 查 和 , SITE2ID、 CMD、LENGTH、 SECOND、 FLAG 和 PSUM 各部分按字节相加结果应为零 。
CH1 DATA: 为 第 一 道 一 秒 数 据 (COUNT值 )块 ; CH2 DATA: 为第二道一秒 数据 (COUNT值 )块 ; CH3 DATA: 为第三道 一秒数据 (COUNT值 )块 。
图 1 24位地震数据采集器的数据处理流程图
125、200、250、500 SPS。本文把采样率为 500、250、125简称 500采样系列 ; 采样率为 200、100、50简称 200 采样系列 。下面对两 系列四阶段的数据处理详细介绍 。
3 收稿日期 : 2006210219。
1 A /D 采样后的 512KSPS数据流
关键词 24位地震数据采集器 ; 512K数据流 ; DSP滤波 ; COUNT值 中图分类号 P315. 73 文献标识码 A
引言
地震计将感应到的地面运动信号转换成 电压值输出给数据采集器 , 采集器将模拟电 压信号进行滤波放大 , 再进行 A /D 转换成 512KSPS的 1位数据码流 , 该码流经 DSP的 两段滤波后就得到了我们熟悉的地震波形的
从图中可以看出一个 TM S320C3X的单
图 3 TM S320C3单精度浮点数格式
精度浮点Baidu Nhomakorabea X 包括 8 位指数 e、1 位符号 s 和 23位分数 f, s和 f称为尾数 m 共 24 位 。 描述尾数的方法是 m = ss·f, 当 e = - 128, s
= f = 0时表示的数为 0。因为采集器中 A /D 转换为 24位 , 所以 e不可能大于 23, 使用 TM S320VC33 DSP 芯片时 , DSP 从 RAM 中 取数规则为 :
4 COUN T值打包输出
从 DSP中取出数后 , 得到的 COUNT值 必须按地震传输数据格式打包后传回记录中 心 , 中心处理软件才能对数据进行处理 。24 位地震数据采集器输出的实时数据流采用一 秒钟一帧的结构 , 须严格按照中国地震局规 定的标准地震传输数据格式 [2 ] , 如图 4 所 示:
第 5期 王翠芳等 : 24位地震数据采集器中的数据处理
35
率时每秒输出 512 KSPS的 1 位码流 。这里 采用的是 512 KSPS速率 , 虽然 0 或 1 一位 码不能直接表示抽样值的大小 , 但可以表示 相邻抽样值的变化规律 , 1 代表上升一个增 量 Δ, 0 代表下降一个增量 Δ。CS5372 定义 无输入信号时 512KSPS 码流中 1 码和 0 码 的密度为 50% , 则 1秒内 512K码流中 1码 和 0 码的和为 0, 即输入信号为 0; CS5372 定义正全量程时 1码的比例为 86% , 0码的 比例为 14% , 则 1秒内 512K码流中 1码和 0码的和为 72% , 对应于最大的模拟输入 + 10V; CS5372定义负的全量程时 1码的比例 为 14% , 0码的比例为 86% , 则 1秒内 512K 码流中 1码和 0码的和为 - 72% , 对应于采 集器的最小输入 - 10V。
列采样的第一级滤波系数增益为 16 000; 两 系列共用的第二级滤波系数增益为 262 144, 共用的第三级滤波系数增益为 512 ×828。因 此 , 500系列第一段总的滤波系数增益的最 小公倍数 :
125 ×1024 ×262144 ×512 ×828 = 1. 42249316 ×1016 200系列滤波系数增益的最小公倍数 : 8 ×16000 ×262144 ×512 ×828 = 1. 42249316 ×1016 即在 CS5372输出的 512K码流中全为 1 码时经滤波得到的值为 1. 42249316 ×1016 ; 由第 2节可知 : 正全量程滤波器加权增益 : 1. 42249316 ×1016 ×(86% - 14% ) = 1. 024195081 ×1016 负全量程滤波器加权增益 : 1. 42249316 ×1016 ×(14% - 86% ) = - 1. 024195081 ×1016 两系列采样率对应着输出的 24 位数的 归一化因子为 : ( 223 - 1) / ( 1. 024195081 ×1016 ) = 8. 190438673 ×10 - 10
COUNT值 , 这个数据转换过程可分为四个 阶段 : 即 A /D 采样后的 512K数据流 、DSP 第一段滤波后的数据流 ( 2KSPS或 800SPS) 、 DSP第二段滤波后的数据流 ( 24 位 COUNT 值 )和数据打包 。四个阶段数据处理流程图 如下 :
数据采集器设计的采样率为 : 50、100、
图 5 地震数据传输格式的实时数据流示意图
SECOND: 32位秒计数 , 表示本帧第一 个采样点的时刻 。
FLAG: 1 字节标志 , 高 4 位一般为零 , 低 4位为标定数据指示 , 其值为 0表示本帧 为正常采集数据 ; 为 1表示采集器处于方波 标定状态 ; 值为 3表示采集器处于正弦波组 标定状态 。
24位地震数据采集器中的 A /D 转换器 采用的是 CS5372 /71 Δ - ∑模数转换芯片 , 该芯片工作在 1. 024 MHz频率时每秒输出 256 KSPS的 1位码流 , 工作在 2. 048 MHz频
© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
3 D SP第二段滤波后的数据流
第二段滤波抽取器由五级构成 。其中前 三级二抽一滤波称为预滤波抽取器 , 第四级 二抽一滤波抽取器称为终滤波抽取器 , 最后 一级为高通滤波器 。构成图如图 2所示 , 有 关说明已标注在图中 , 不再另述 。
最小相位和线性相位滤波是地震数据采 集设计中要求的两种不同类型的滤波器 。最
小相位滤波既有非零的零点 , 亦有非零的极 点 , 简称为零极点型滤波器 , 用无限冲击响 应算法即 IIR算法实现 。线性相位滤波只有 非零的零点 , 极点全部为零 , 简称为全零点 滤波器 , 用有限冲击响应算法即 F IR 算法实 现 。本文只研究最小相位 。
图 2中第五级高通滤波器主要作用是滤 除直流偏移 , 共有六个不同 - 3dB 周期可
参考文献
[ 1 ] 张雄伟等. DSP芯片的原理与开发应用. 北京 : 电子工业出版社 , 2004 [ 2 ] 国家地震局. 遥测地震台网观测技术规范. 北京 : 地震出版社 , 1991
图 4 地震数据传输格式的帧结构图
HEAD: 4 字节帧同步标识码 , 16 进制 从 高 位 到 低 位 值 为 : 0xB F、 0x13、 0x97、 0x74,用于从数据流中识别数据帧 。
SITE2ID: 2字节整数 , 为台站编号 。 CMD: 2字节整数 , 传输数据帧类型标
示字 , 为数据帧其值为 55AAH。 LENGTH: 2字节整数 , 标识帧的长度 ,
第 5期 (总第 341期 ) 2007年 5月
国 际 地 震 动 态 Recent Developments in World Seismology
No. 5 ( Serial No1341) M ay, 2007
24位地震数据采集器中的数据处理 3
王翠芳 邵玉平 宋 澄
(四川省地震局水库地震研究所 , 成都 610041)
×2) , 抽取滤波后数据量为 : 512KSPS ÷256 = 2KSPS, 即每秒 2K个数
200系列的第一段总的抽取率为 640 (20 ×16 ×2) , 抽取滤波后数据量为 : 512KSPS ÷640 = 800SPS, 即每秒 800个数 2. 1 全量程滤波器加权增益
设计 500采样系列的第一级滤波系数增 益 (即滤波系数之和 )为 1 024; 设计 200 系
当 e > 23时 , 尾数直接取 223 - 1, 当 e = 23时 , 直接取尾数 , 当 e < 23时 , 在尾数 前加 0。
例如 : DSP从片内 RAM 中取另一个浮 点数 X = 0x3A00000, 则 e = 0x03 = 3, s = 1, f = 010, 用 X =m ×2e表示为 :
第 5期 王翠芳等 : 24位地震数据采集器中的数据处理
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CHECKSUM: 2字节整数 , 为帧检查和 , 除 HEAD 外 , 帧中其余部分按 16 位字相加 应为零 。
当 CMD 的值为 0x5555, 数据采集器输 出实时数据流 , 其 DATA 字段的结构如图 5:
2 DSP 第 一 段 滤 波 得 到 2KSPS 或 800 SPS数据流
在图 1中的 DSP第一段滤波器中 , 500 采样系列的第一级抽取率 n = 8, 200采样系 列的第一级抽取率 n = 20, 两采样系列的第 二级和第三级的抽取率都是 16 和 2, 因此 500系列的第一段总的抽取率为 256 ( 8 ×16
X = 10. 010 ×23 b = 0110b ( b表示二进制 ) 因为 s = 1, 为负数 , 所以十进制值为
- [ 01101b + 1 ] = - 14, 即数据采集器输出 的 COUNT值为 - 14 COUNT。 3. 2 将 CO UNT值数据归一化
512K数据流经第一段滤波和第二段滤 波后的数据放进 RAM 中 , DSP从 RAM 中按 上述规则取出数后进行归一化 , 即将取出数 据乘以归一化因子 8. 190438673 ×10 - 10 , 这 里没有考虑 DSP第二段滤波系数的增益 , 因 为该增益只有 0～15的范围 , 其值比起第一 段的增益值 1. 42249316 ×1016是可以忽略 。 这样一来就得到了最后输出的 COUNT值 。
图 2 最小相位滤波抽取器的构成 © 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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国 际 地 震 动 态 2007年
其值为数据帧中 DATA 和 HECKSUM 部分的 字节数 。
DATA: 为数据或命令信息 。
© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
中心软件收到数据帧后解包 , 再作后续 的地震定位和震级计算等等工作 。
5 结束语
以上是将地震计感应的地面运动信号 , 经 24位地震数据采集器转换成 COUNT值的 处理过程 。本文所阐述的 24 位地震数据采 集器中的数据处理采用的是软件滤波方案 , 随着电子技术的发展 , 现在市场上可以直接 购买到滤波芯片进行硬件滤波 , 但其效果还 有待进一步验证 。
选 : 10秒 、30秒 、100秒 、300秒 、1 000秒 、 3 000秒 , 用户根据需要选择 。第五级高通滤 波后得到 24位地震数据 。 3. 1 从 D SP数据格式转换成 CO UNT值
我们 采 用 的 是 TM S320C3X 的 DSP 芯 片 , 该芯片中最常用的是单精度浮点数格 式 [ 1 ]如图 3:
摘 要 24位地震数据采集器中的数据处理过程是 : 地震计将感应到的地面运动信 号转换成电压值输出给采集器 , 采集器将模拟电压信号进行滤波放大 , 再进行 A /D 转换 成 512KSPS的 1位数据码流 , 该码流经 DSP的两段滤波后得到 COUNT值 , DSP从 RAM 中取出 COUNT值归一化后打包输出 。
PSUM: 1 字 节 局 部 检 查 和 , SITE2ID、 CMD、LENGTH、 SECOND、 FLAG 和 PSUM 各部分按字节相加结果应为零 。
CH1 DATA: 为 第 一 道 一 秒 数 据 (COUNT值 )块 ; CH2 DATA: 为第二道一秒 数据 (COUNT值 )块 ; CH3 DATA: 为第三道 一秒数据 (COUNT值 )块 。
图 1 24位地震数据采集器的数据处理流程图
125、200、250、500 SPS。本文把采样率为 500、250、125简称 500采样系列 ; 采样率为 200、100、50简称 200 采样系列 。下面对两 系列四阶段的数据处理详细介绍 。
3 收稿日期 : 2006210219。
1 A /D 采样后的 512KSPS数据流
关键词 24位地震数据采集器 ; 512K数据流 ; DSP滤波 ; COUNT值 中图分类号 P315. 73 文献标识码 A
引言
地震计将感应到的地面运动信号转换成 电压值输出给数据采集器 , 采集器将模拟电 压信号进行滤波放大 , 再进行 A /D 转换成 512KSPS的 1位数据码流 , 该码流经 DSP的 两段滤波后就得到了我们熟悉的地震波形的
从图中可以看出一个 TM S320C3X的单
图 3 TM S320C3单精度浮点数格式
精度浮点Baidu Nhomakorabea X 包括 8 位指数 e、1 位符号 s 和 23位分数 f, s和 f称为尾数 m 共 24 位 。 描述尾数的方法是 m = ss·f, 当 e = - 128, s
= f = 0时表示的数为 0。因为采集器中 A /D 转换为 24位 , 所以 e不可能大于 23, 使用 TM S320VC33 DSP 芯片时 , DSP 从 RAM 中 取数规则为 :
4 COUN T值打包输出
从 DSP中取出数后 , 得到的 COUNT值 必须按地震传输数据格式打包后传回记录中 心 , 中心处理软件才能对数据进行处理 。24 位地震数据采集器输出的实时数据流采用一 秒钟一帧的结构 , 须严格按照中国地震局规 定的标准地震传输数据格式 [2 ] , 如图 4 所 示:
第 5期 王翠芳等 : 24位地震数据采集器中的数据处理
35
率时每秒输出 512 KSPS的 1 位码流 。这里 采用的是 512 KSPS速率 , 虽然 0 或 1 一位 码不能直接表示抽样值的大小 , 但可以表示 相邻抽样值的变化规律 , 1 代表上升一个增 量 Δ, 0 代表下降一个增量 Δ。CS5372 定义 无输入信号时 512KSPS 码流中 1 码和 0 码 的密度为 50% , 则 1秒内 512K码流中 1码 和 0 码的和为 0, 即输入信号为 0; CS5372 定义正全量程时 1码的比例为 86% , 0码的 比例为 14% , 则 1秒内 512K码流中 1码和 0码的和为 72% , 对应于最大的模拟输入 + 10V; CS5372定义负的全量程时 1码的比例 为 14% , 0码的比例为 86% , 则 1秒内 512K 码流中 1码和 0码的和为 - 72% , 对应于采 集器的最小输入 - 10V。
列采样的第一级滤波系数增益为 16 000; 两 系列共用的第二级滤波系数增益为 262 144, 共用的第三级滤波系数增益为 512 ×828。因 此 , 500系列第一段总的滤波系数增益的最 小公倍数 :
125 ×1024 ×262144 ×512 ×828 = 1. 42249316 ×1016 200系列滤波系数增益的最小公倍数 : 8 ×16000 ×262144 ×512 ×828 = 1. 42249316 ×1016 即在 CS5372输出的 512K码流中全为 1 码时经滤波得到的值为 1. 42249316 ×1016 ; 由第 2节可知 : 正全量程滤波器加权增益 : 1. 42249316 ×1016 ×(86% - 14% ) = 1. 024195081 ×1016 负全量程滤波器加权增益 : 1. 42249316 ×1016 ×(14% - 86% ) = - 1. 024195081 ×1016 两系列采样率对应着输出的 24 位数的 归一化因子为 : ( 223 - 1) / ( 1. 024195081 ×1016 ) = 8. 190438673 ×10 - 10
COUNT值 , 这个数据转换过程可分为四个 阶段 : 即 A /D 采样后的 512K数据流 、DSP 第一段滤波后的数据流 ( 2KSPS或 800SPS) 、 DSP第二段滤波后的数据流 ( 24 位 COUNT 值 )和数据打包 。四个阶段数据处理流程图 如下 :
数据采集器设计的采样率为 : 50、100、
图 5 地震数据传输格式的实时数据流示意图
SECOND: 32位秒计数 , 表示本帧第一 个采样点的时刻 。
FLAG: 1 字节标志 , 高 4 位一般为零 , 低 4位为标定数据指示 , 其值为 0表示本帧 为正常采集数据 ; 为 1表示采集器处于方波 标定状态 ; 值为 3表示采集器处于正弦波组 标定状态 。
24位地震数据采集器中的 A /D 转换器 采用的是 CS5372 /71 Δ - ∑模数转换芯片 , 该芯片工作在 1. 024 MHz频率时每秒输出 256 KSPS的 1位码流 , 工作在 2. 048 MHz频
© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
3 D SP第二段滤波后的数据流
第二段滤波抽取器由五级构成 。其中前 三级二抽一滤波称为预滤波抽取器 , 第四级 二抽一滤波抽取器称为终滤波抽取器 , 最后 一级为高通滤波器 。构成图如图 2所示 , 有 关说明已标注在图中 , 不再另述 。
最小相位和线性相位滤波是地震数据采 集设计中要求的两种不同类型的滤波器 。最
小相位滤波既有非零的零点 , 亦有非零的极 点 , 简称为零极点型滤波器 , 用无限冲击响 应算法即 IIR算法实现 。线性相位滤波只有 非零的零点 , 极点全部为零 , 简称为全零点 滤波器 , 用有限冲击响应算法即 F IR 算法实 现 。本文只研究最小相位 。
图 2中第五级高通滤波器主要作用是滤 除直流偏移 , 共有六个不同 - 3dB 周期可