====== 基于傅里叶变换的MEMS地震检波器设计 ======
===== 引言 =====

地震检波器是石油、煤炭、金属等矿产及工程地震勘探等数据采集中重要的传感器，它的性能将直接影响到地震资料及技术成果的准确性，目前我国的测试系统技术水平相对落后，检波器体积较大、不便携带，CPU功能有限、功耗较大。本设计采用MEMS检波器对信号进行采集，信号经低功耗主控芯片MSP430F247 完成A/D转换后存储数据，将其进行FFT变换，得到采集信号的频谱特性，可以大大提高勘探的准确性，减小系统的体积、重量、功耗等，实现地质勘探、石油开采等现场作业。

===== 硬件设计 =====

本设计由MEMS检测传感器、MSP430F247控制芯片和波形显示三部分组成,系统框图如图1所示。 MEMS采集地震波并将其转换为电压信号，由MSP430完成 A/D转换，经FFT变换，得出其频谱特性图。

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图1 系统框图

===== 检测部分 =====


检测部分的核心是MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）传感器，它以硅材料为基底，采用微机械加工工艺和IC工艺加工出差动电容式微机械加速度计，感应重力的变化，为了提高加速度计的工作灵敏度，通常采用电容式结构，采用质量块—弹簧—阻尼器系统来感应加速度。结构示意如图2所示。

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图2 结构示意图

当加速度计连同外界物体一起加速运动时，质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动。质量块发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制，位移变化，引起可动臂和固定臂之间的电容发生相应的变化，引起输出电压的变化，工作原理图如图3所示。


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图3 工作原理图

Vm表示输入电压信号，Vs表示输出电压，Cs1与Cs2分别表示固定臂与可动臂之间的两个电容，外界加速度与输出电压的关系为：

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可见，在加速度计的结构和输入电压确定的情况下，输出电压与加速度呈正比关系。

===== A/D转换 =====


MSP430 系列单片机具有处理能力强、运行速度快、资源丰富等优点，有很高的性价比，内部自带12位A/D，可以选择多个通道的模拟输入，转换内核由一个采样保持器和一个转换器组成，对高速变化的信号进行瞬时采样时，一旦ADC 开始转换，采样保持器则进行保持，即使现场输入的信号的变化比较快，也不会影响到ADC的转换工作。

采样信号高的时候采样，低的时候转换，自动将转换的结果保存到相应的存储器里。ADC12一共有12个转换通道，有16个转换存储器，存储的数据再经过FFT变换，得到相应的幅频特性。
===== FFT变换 =====


经过A/D转换后的数据，利用傅里叶变换可以把信号从时域转换到频域，进行频域分析，可以看到各个频率下的信号信息，有利于对地震波进行更准确的分析。

离散傅里叶变换分析如下：一个周期为的函数可用傅里叶基数展开为

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其中：

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通过以上算法进行编程，实现对采集信号进行FFT变换，得到其频谱特性图。

===== 参考 =====
  * http://article.ednchina.com/tm/fourier_transform_based_seismic_detector_design_mems.htm