引言

爆破振动效应是爆破工程中的重大危害之一。为了减少振动对周围其他建筑物的影响，需要采取一定的措施减小爆破振动效应。其中，毫秒延时爆破是一种最为有效的方法。但是，由于各个爆破现场地质条件的差异性和复杂性，很难用统一的公式求得最佳毫秒延时时间。这就需要进行爆破振动测试，对信号进行分析得到特征参数来指导爆破：一方面，通过近点振动测试系统得到爆破振动信号的较高频信号，以此来指导数码电子雷管的最佳毫秒延时时间，同时分析雷管的爆炸情况；另一方面，通过对远点振动信号的监测分析，评估爆破振动对周围环境及建筑物的破坏效应，以此来指导日后的爆破。

以往测振设备在进行多点采集时很难实现较好的同步，本文基于北方邦杰“隆芯一号”数码电子雷管数字化平台，采用基于GPS的同步方式很好地解决了这个问题，同时采用无线传输方式克服了线路繁乱的缺点。系统结构框图如图1所示。

图1系统结构框图1理论分析

1.1GPS 1pps脉冲精确同步

同步采样是实现异地同步测量的关键技术，只有采样同步进行，才会具有统一的参考时间基准。表1列出了各种同步方式的误差范围，可看到GPS 1pps拥有最高时间同步性，能很好地实现异地测振点的同步采集。

表1各种授时方法的比较

GPS秒脉冲pps是一个电平信号，以方波形式输出，周期为1 s，高电平持续时间为100 μs。高电平上升沿为PPS输出的精确时刻。在接收机取得有效导航解的时候，秒脉冲上升沿的时刻和UTC时刻相差50 ns以内。RS232数据输出中UTC时刻的输出较脉冲上升沿的时刻有一定延迟（小于0.5 s），即接收机先为用户提供秒脉冲控制采集数据存储时间戳的存储，然后提供导航解。其波形如图2所示。

图2GPS 1pps脉冲波形及UTC输出

1.2无线通信方式对比

随着移动通信需求、远程数据采集量以及有线传输费用的日益增加，人们逐渐认识到在许多测试领域采用无线传输的必要性。爆破振动测试系统需要将测振节点设备置于与爆炸点较近的距离来测试，所以具有一定的危险性。传统的有线传输不仅不方便，而且多点测振时使线路杂乱，采用无线方式完全避免了这些限制。

现用近距离无线通信技术主要有：IEEE802.11、红外技术、蓝牙技术、UWB和微功率无线技术。与其他几种通信技术相比，微功率无线通信技术具有体积小、成本低、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，对开发来说，最重要的是源码开放、易于开发实现。这里采用具有无线收发内核nRF24L01的nRF24LE1和nRF24LU1+来实现无线通信，它们是具有控制内核和微功率无线通信模块的SOPC。

2系统硬件设计

如图3所示，传感器节点以控制器FPGA为中心进行设计，采用3～4通道数据并行同步采集，可以精确地达到数据的精确同步性。同时，利用GPS接收器的1pps脉冲来实现多测振点的同步采集，采集数据中加入精确的时间数据。无线数据传输时，测振点采用具有增强型51内核的nRF24LE1来实现从存储器读取数据及无线传输，相当于一个协处理器；监测端采用具有USB 2.0接口和增强型51内核的nRF24LU1+，直接通过USB接口与PC机连接。PC机上利用VC++编写相应的程序调入数据，同时发送参数设置信息及控制信息。

图3测振节点硬件电路框图

图4为数据中转监测模块框图。

图4数据中转监测模块

2.1GPS接收模块

GPS授时模块采用Motorola公司的M12M+ Timing ONCORE接收器。它精度高、可编程，能产生高达ns级的同步授时，带有每秒一个脉冲或每秒钟100个脉冲的时序输出。该接收器利用Motorola公司的时间RAIM算法（接收器自主检测），确保了GPS测量的有效性和可靠性；具有12个并行通道，可以同时跟踪12颗卫星，完全校准到UTC时间；支持RS232标准串口通信，兼容TTL电平，速率为9600 bps。其工作原理如下：系统上电复位后，FPGA通过串口TXD实现对GPS接收器的初始化，设置GPS接收器传送的数据格式；初始化完毕后，接收器会给出相应信息；FPGA识别到这些信息后，开始接收传送来的NEMA格式时间数据，并将输出的UTC时间转换为北京时间输出。

如图5所示，GPS接收器通过串口与FPGA通信，通过RXD和TXD进行通信和初始化。

图5GPS与FPGA的连接图在FPGA中编程一个软核控制器，用来从串口接收GPS时间信息并进行解析，得到时间信息；同时，利用1pps脉冲和外部手动信号在触发判决电路中判决得到采集触发信号，同时要输出时间信息并进行存储，使测振得到的数据具有时间信息。

2.2无线通信电路

2.2.1nRF24LE1及其连接电路

nRF24LE1采用了Nordic公司最新的无线与超低功耗技术，在一个极小的封装中集成了包括2.4 GHz无线传输、增强型51 Flash高速单片机、丰富的外设等。它内嵌2.4 GHz低功耗无线收发内核nRF24L01P（速率可选，250 kbps、1 Mbps和2 Mbps），具有高性能51内核、16 KB Flash、1 KB data RAM、1 KB NV RAM。

nRF24LE1连接电路如图6所示。其中，MSCK为时钟输入，MMISO和MMOSI为串行数据通信引脚，CE为片选，CSN为使能引脚，IRQ为中断信号引脚；RFC为射频信号引脚，与PA和LNA连接；VDD_PA实现PA和LNA的选择。

图6nRF24LE1连接电路

2.2.2nRF24LU1+及其应用电路

nRF24LU1+是Nordic半导体公司推出的一款将高性能的射频收发器和单片USBdongle的功能结合起来的无线收发芯片。nRF24LU1+内含1个增强型的8051内核、无线收发模块、符合全速USB 2．0标准的控制器、2 KB的片内SRAM、16 KB或32 KB的片内Flash存储器。nRF24LU1+显著地增强了抗宽带干扰和互调失真（IMD）性能。nRF24LU1+是单片结构，外形尺寸很小（5 mm×5 mm）。它的无线收发器工作于全球开放的2.4 GHz频段，与nRF24系列完全兼容，通信波特率可以通过软件设置工作于250 kbps、1 Mbps、2 Mbps；使用Enhanced ShockedBust技术可以实现数据包的自动打包/解包和传输处理（应答、重传）；使用MultiCeiver技术可同时支持6个无线装置，频段、输出能量和其他射频参数可通过射频寄存器方便地进行编程调节；具有点对多点通信，并且采用AES加密技术实现更安全的数据传输；使用超低功耗（ULP）无线技术，0 dBm输出功率时典型峰值电流为11.1 mA；芯片可以直接由USB总线供电。

nRF24LU1+的应用非常简单，需要的外部元件只是低成本的16 MHz晶振、去耦电路、匹配网络和天线。具体电路如图7所示。nRF24LU1+直接通过USB2.0 A型接口与计算机连接传输数据。RFC为射频信号输入输出引脚，VDD_PA为PA和LNA选择引脚。

图7与PC连接的nRF24LU1+电路连接图

2.3A/D转换电路

由于实际振动信号是方向不确定的信号，一般采用3个速度传感器采集水平两个方向和垂直方向的分量，然后可以进行矢量合成。为了保证各个通道数据的同步性，要进行3通道的并行采集。这里采用3片ADI公司生产的AD7685通过工作Chain Mode来完成，在该模式下，3片AD7685进行并行的同步采集。AD7685是采用MSOP封装的超高精度16位ADC，采样速率250 ksps。它是基于电荷重分配原理产生模拟电压输出的逐次逼近型ADC；采用多功能串行接口端口，可以采用SPI接口；而且具有低功耗和无失码的特性。其连接控制图如图8所示。

3FPGA的设计及其他软件

利用FPGA实现基于GPS的多节点爆破振动测试系统的核心控制单元。采用自顶向下的设计方法，用Verilog HDL语言描述，使用Altera公司的EPC2C8Q208 FPGA在QuartusII 9.0 中进行仿真、综合和实现。

（1） 开机配置过程

打开节点设备电源，首先，FPGA加载程序形成逻辑功能块，同时完成nRF24LE1、无线设备和GPS接收器的初始化等；然后，FPGA通知nRF24LE1无线连接上位机，得到恢复后上位机下传参数，节点设备无线接收参数传入FPGA进行采集参数的设置，成功后回复上位机。

图8三片并行采集串连方式连接图

（2） GPS工作过程

GPS授时模块主要完成多点数据的同步，初始化之后等待串口时间数据的到来。软核控制器接收到时间数据后，转换成北京时间并加上1 s暂存（GPS授时信号的是1pps脉冲先到来，而后发送时间数据）。下一秒的1pps脉冲到来后，利用内部精确的DLL进行精确的计时。如果此时数据也开始存储，则存储之前先将暂存的时间数据和计时器的数据相加，得到精确的时间数据进行存储，每秒存储一次。同时，利用1pps在每一秒校准时钟信号。

（3） 采集存储过程

采集参数设置后，上位机命令开始采集，A/D转换器开始工作。采集到的数据经SPI总线以48位（三通道数据串联传输，每通道一个采集点量化为16位数据）为单位送入FPGA，首先进行串并转换并进行负延时判断（即触发电平判断），然后数据缓存到FIFO（64 ms数据量大小）中。如果达到触发电平，则通知存储控制逻辑将数据存储到SD卡；若达不到，则继续运行等待触发电平。

（4） 无线发送数据

当不进行数据采集时（即采集完或间断采集，由采集控制逻辑向数据存取逻辑发送信号），就立即转入数据无线发送状态，把无线传输和数据采集在时间上分开，防止无线射频对采集信号的干扰。进入无线发送状态后，首先从数据最前端读取数据，经SPI总线送给nRF24LE1，然后缓存发射无线信号。

nRF24LU1+接收到无线数据后，通过USB2.0接口与PC机实现通信。 PC机上采用VC++编写监测与分析软件，实现对采集到的振动信号的接收、存储、显示和分析。

结语

本文设计了基于GPS 1pps脉冲进行多点同步采集的爆破振动监测系统，并且实现了较远距离的无线数据传输。GPS采用成熟的模块，通过串口接收时间信息；无线方式采用带增强51内核的nRF24系列无线SoC芯片，源代码开放，便于使用；采用串联方式的三通道并行数据进行A/D采集。工程实践表明，这些方法都是可行的。但由于自身电路的局限和工业现场的环境干扰，该产品的精度有待提高。