基于 MEMS 的无线数字地震检波器主要由 MEMS 传感器板、放大采集板、FPGA 控制主板、无线触发接收板、无线 WIFI 模块板和供电电源电路等部分构成。该检波器具备接收触发信号、感知地震信号的功能，能够将地震信号进行抗干扰处理后转换为地震数字信号，并对其进行存储，同时还可以通过无线 WIFI 方式将地震数字信号传输给与之关联的地震主机。此外，它还能通过无线 WIFI 接收地震主机传来的参数和命令。其结构框图如下所示。
图 1. 基于 MEMS 的无线数字地震检波器结构框图
基于 MEMS 无线数字地震检波器的设计面临着诸多难点。首先是微弱信号的获取问题，由于地震波产生的信号微弱，低至几百纳伏，而干扰信号相对较大，因此消除干扰信号至关重要。其次，在低功耗设计方面，由于该检波器需要在野外长时间连续工作，而供电电池容量有限，所以必须采用低功耗设计策略。再者，MEMS 传感芯片的安装设计也十分关键，要保证 MEMS 传感芯片能够获得高精度的微弱信号，就需要设计与之具有良好耦合的固定机构。另外，传感器总体结构的设计也需要合理规划，要通过合理布置线路板和各个部件，降低部件及器件间的相互干扰。，在无线通讯设计方面，由于该检波器要求具备低噪声、低功耗、高精度和小体积的特点，导致其无线传输功率较小，所以在设计时需要合理平衡传输距离和传输速率。
针对以上难点，本设计采取了一系列应对措施。在芯片选择方面，选用低噪声的芯片，并且相关信号芯片必须具备高精度、低温漂的特性。同时，设计专用的去除干扰信号电路，并在电源设计中加入 RC 滤波电路。在低功耗设计上，在满足性能和功能要求的前提下，选择低功耗的芯片和功能模块，并采用低功耗电路设计，以确保检波器能够连续工作超过 12 小时。对于 MEMS 传感芯片的耦合结构设计，根据 MEMS 传感芯片的形状和大小，在外壳内底部中心挖一个与之相符的方坑，将传感芯片紧密嵌入方坑，使传感芯片与传感器外壳底部紧密耦合，从而更好地感知微弱信号。在总体结构设计上，将传感器线路板分为传感芯片及模拟信号处理模块、数字处理模块以及无线通讯模块三个部分，实现模拟电路、数字电路以及通讯高频电路的分离，降低干扰信号。
基于 MEMS 的无线数字地震检波器在与关联的地震主机联机后，会接收地震主机传输的参数和命令。在 FPGA 控制主板的控制下，对放大采集板进行增益、采样间隔、采样点数以及各部件的初始化设置，之后进入等待接收无线触发接收板传来的触发信号状态。当接收到触发信号时，检波器立即启动采集工作。MEMS 传感器板感知地震信号并将其转换为电信号，该信号经过放大采集板的放大、滤波和缓冲放大电路进行信号调理。在 FPGA 控制主板的控制下，信号通过放大采集板的 24 位 AD 采集电路转换为数字信号并进行存储。同时，利用无线 WIFI 模块板将所采集的地震数据传输给地震主机，以便进行存储、处理和显示。
基于 MEMS 无线数字地震检波器的整体技术指标涵盖了多个方面，包括精度、灵敏度、频响范围、采样率等。这些技术指标是衡量检波器性能的重要依据，确保了检波器能够满足地震勘探的实际需求。具体技术指标如下表所示。
| 技术指标 | 具体参数 |
|---|
| 精度 | [具体精度数值] |
| 灵敏度 | [具体灵敏度数值] |
| 频响范围 | [具体频响范围] |
| 采样率 | [具体采样率数值] |
| 其他 | [其他相关技术指标] |
MEMS 传感器板的芯片选用美国模拟器件公司（ADI）生产的 ADXL203 加速度芯片。该芯片是一款具有高精度、高灵敏度、低噪声、低功耗特点的 iMEMS 型双轴加速计，性价比极高，其基本性能完够满足本检波器的设计要求。由于 ADXL203 芯片只有两轴，无法满足三轴的要求，因此本设计采用两片 ADXL203 芯片，通过合理的结构和电路设计，实现了三轴的功能。其结构设计示意图如下所示。
图 2. 两个 ADXL203 芯片实现三轴检波器结构示意图
在图 2 中，MEMS 传感器板由两块板组成，一块 ADXL203 板横向布置，称为横板，另一块 ADXL203 板纵向布置，称为竖板。横板负责采集 X 轴和 Y 轴方向的信号，竖板负责采集 Z 轴方向的信号，从而实现了三轴功能。无论是横板还是竖板，ADXL203 传感器的基本电路原理图如下所示。
图 3. ADXL203 传感器板基本电路原理图，(a) 横板原理图，(b) 竖板原理图
放大采集板电路主要包括前置放大电路和 A/D 采集电路。前置放大电路的前端是 RC 差模共模电路，用于对 MEMS 传感器板 X 轴输出的振动信号进行抗干扰滤波。经过放大及二阶低通滤波进行信号放大滤波后，再经过单端转差分滤波匹配电路，将信号输出到 AD 采集电路进行转换为数字信号，并存储在 FPGA 控制主板的存储器中。放大采集板的电路原理图如下所示。
图 4. 放大采集板基本电路原理图
在图 4 中，放大器选用美国模拟器件公司（ADI）生产的一款高精度、低噪声、低失调以及低功耗的仪表放大器 AD8231，其增益可以通过编程进行控制，共有 ×1、×2、×4、×8、×16、×32、×64、×128 等多种增益可供选择。采集器选用美国模拟器件公司（ADI）生产的一款高精度、低噪声、低功耗的模数转换器 AD7766，精度为 24 位，采样率为 125 KHz。这两款芯片完全符合基于 MEMS 无线数字地震检波器的设计要求。
FPGA 控制主板的芯片选用美国 Altera 公司生产的 CycloneⅣ 系列 EP4CE22F17C8。该主板主要包括 EP4CE22F17C8 控制器、FLASH 存储电路、模数转换控制接口、放大器增益控制接口、无线触发接收板接口、WIFI 模块板接口、电源电路以及 3.7 V 电池输入接口等部分，其组成结构如下图所示。
图 5. FPGA 控制主板基本组成框图
从图中可以看出，除了电源部分外，其余部分均由 FPGA 芯片 EP4CE22F17C8 进行控制。该芯片具有强大的处理能力和丰富的接口资源，能够有效地实现对检波器各个部分的控制和管理。
无线触发接收板的是无线触发接收模块，其接收到的触发信号经过放大电路、比较电路和触发混合信号输出电路处理后，将触发信号传输给 FPGA 控制主板，从而启动地震信号的采集工作。触发信号为模拟信号，传输速度极快，从发出触发信号到采集开始的时间极短，不超过 20 μS，这为不同检波器的同步采集提供了重要的基础。无线触发接收板的基本原理图如下所示。
图 6. 无线触发接收板基本电路原理图
无线 WIFI 模块板的是 WIFI 模块，该模块完全遵循国际标准的 WIFI 协议。在 FPGA 控制主板的控制下，负责与相关的地震主机进行数据传输，传输速率为 1000 Kbps。无线 WIFI 模块的基本原理图如下所示。
图 7. 无线 WIFI 模块板基本电路原理图
电源供电部分采用适配器和内部电池双供电方式。当在野外施工时，适配器无法供电，此时内部电池开始供电。内部电池的工作时间一般不超过 12 个小时。供电电源的设计示意图如下所示。
图 8. 供电电源设计框图
基于 MEMS 无线数字地震检波器的软件设计主要包括初始化程序编程、信号处理程序编程（包括放大增益设置程序和 DSP 滤波程序）、数据采集控制编程、数据存取编程（FLASH 读取控制程序）以及无线通讯程序编程等部分。当检波器工作时，其整体地震信号数据采集控制程序编程框图如下所示。
图 9. 地震信号数据采集设计框图
本文详细介绍并设计了一款基于 MEMS 的无线数字地震检波器，该系统主要由 MEMS 传感器板、放大采集板、传感器主板、无线触发接收板、无线 WIFI 模块板和供电电源设计等部分组成。该设计的关键技术点包括微弱信号获取、低功耗设计、高精度和高灵敏度以及无线通讯等方面。
在微弱信号获取方面，ADXL203 传感器能够感知微弱的地震波，并输出低至 1 μV 的信号。通过优化芯片选型、合理设计线路板和摆放结构，有效地提高了信号的准确性和可靠性。在低功耗设计上，为了实现电池供电 12 小时持续工作的目标，系统采用了低功耗设计策略。选用 AD8231 仪表放大器、AD8476 缓冲放大器和 AD7766 模数转换器等低功耗芯片，不仅保证了高精度、低噪声和低功耗，还在不同环境下具备稳定的性能表现。
在高精度和高灵敏度方面，系统采用高精度放大器和 24 位高分辨率模数转换器，实现了对微弱地震波信号的准确捕捉和数字化处理，确保了信号的高灵敏度和数据采集的高效率。在无线通讯方面，利用 WIFI 模块进行信号的无线传输，增强了系统的便携性和实用性，适应了现代地震勘探的需求。
