滤波器在多通道声发射监测仪中的应用

岩体声发射是指岩体在外力作用下，其内部会存在缺陷或不均质部位，首先储蓄着应变能，当这种应变能储蓄到一定程度时便以弹性波的形式释放，并由源点向四周传播开去的现象。它在很大程度上反映了岩体受力后的活动状态，可作为预测、预报、评价岩质工程结构稳定性的重要依据。滑坡破裂面追踪定位系统的硬件是一个8通道声发射监测仪，该监测仪的主要功能是通过设置于空间不同部位的传感器实时检测并采集滑坡滑动面变形破裂过程中所激发出的岩体声发射波，根据其首次波到达的时间差来实现对声发射源的定位，从而实现滑动面破裂实时追踪与滑坡预报，使工作人员能提前有的放矢地加固这些岩土体工程，以预防灾害的发生，减小事故损失。

    在声发射监测过程中，由传感器所感应到的声发射信号是多频率混淆分布的，并且还有一些并不是监测所需的频段信号干扰，因此，必须根据现场信号抗混淆滤波的需要，对探头感应到的声发射信号进行指定截止频率的高低通滤波处理，从而得到真正有效，有助于滑坡危害分析的声发射信号。

1 信号采集器中滤波部分的参数设计要求
    该声发射监测仪主要由探头、信号采集器、收发器、主机(PC机)及电源组成。每一个通道有1个探头、1台信号采集器，根据监测区域的大小、实际选用电缆的性能及“探头矩阵法”的分析，选择使用8个通道来进行声发射信号的实时监测，将8个通道分布在监测区的不同位置上。
    每一个信号采集器的结构相当于一个独立的数据采集系统，位于被测对象附近(有些应用中直接将其与探头传感器整装在一起)，可独立完成信号的处理、采集和存储，其具体的结构示意图见图1。采集到的声发射模拟信号经A／D转换器转换成数字信号，存储于暂存器中，由发送／接收单元以无线通信的方式传送到PC机。

    在信号处理模块中，要先对由探头传送来的声发射信号进行滤波处理。在该设计中，要求使用带通滤波器，按照低工作电压、低功耗的原则进行设计。其中，滤波器的截止频率要求可以由程序控制，高通和低通滤波的截止频率各有3档，数值如下：高通：100Hz、500 Hz、950 Hz；低通：1050 Hz、2000 Hz、3500 Hz。
    由结构示意图可知，该程控带通滤波器是由低通滤波器和高通滤波器级联而成的。
    由于在声发射监测过程中需要对监测到的信号进行不同截止频率的滤波分析，所以信号处理单元中的带通滤波器必须满足多频段的滤波要求。在以往的设计中常采用多级选频电路串联或者通过切换RC网络的方法来实现多频段滤波。但由于这些方法需要较多的元器件，且参数调整较为困难，因此在声发射监测仪中选择使用可程控的开关电容有源滤波器MAX262来实现多频段程控带通滤波。
    为了提高监测的精确度，必须使系统中的滤波器通带尽量窄，即在接近通带的止带能产生最佳的衰减，并希望滤波器的阶数在满足前提条件下尽可能小。切比雪夫型滤波器就具有上述特点，能够满足系统要求，所以选择用切比雪夫响应进行程控带通滤波器的设计。

2 多频段切比雪夫型带通滤波器
2．1 MAX262简介
    MAX262作为MAXIM公司推出的双二阶通用开关电容有源滤波器，其中心频率范围为1．0 Hz～140 kHz，输入时钟最大为4 MHz，可以通过微处理器精确控制滤波器的传递函数，利用对中心频率和品质因数的编程设置，实现64级中心频率、128级品质因数的智能控制，并且可以通过附带的滤波器设计软件，任意改善滤波特性。其工作原理图如图2所示。与此同时，硬件电路采用CMOS工艺制造完成，无需外部元件即可构成各种带通、低通、高通、陷波及全通滤波器。

    MAX262内部有2个二阶滤波器A和B，它们可以单独使用，也可级联成四阶滤波器使用。每个滤波器组件都有其各自的输入时钟fCLK、独立的中心频率fO和品质因数Q。实际滤波器的中心频率fO由滤波器的输入时钟频率fCLK、6位中心频率控制字(F0～F5)和工作方式(M0，M1)三者共同确定。每个组件的品质因数Q是由7位控制字(Q0～Q6)独立设置的。外部时钟分别从引脚CLKA、CLKB引入，对外部时钟无占空比要求。但需要注意的是，在MAX262滤波器的内部，其采样速率是输入(CLKA或CLKB)的一半。
2．2 在8通道声发射监测仪中的应用
2．2．1 硬件设计
    在声发射监测仪的信号采集模块中，通过单片机C8051F020改变MAX262的控制字和工作方式来实现不同截止频率之间的切换。滤波模块的硬件电路如图3所示。

    MAX262内部的两个二阶滤波器是完全独立的，利用MAX262内部的滤波器A实现低通滤波，滤波器B实现高通滤波，再将两个滤波器级联起来，以实现满足系统设计要求的四阶切比雪夫型带通滤波器。
    由于低通三档和高通三档所要求的截止频率都是低频且间隔宽，所以针对不同的截止频率和工作模式，在不超过MAX262的比率的范围情况下，必须提供多种不同的时钟频率。本设计中采用MAXlIM公司的DS1099振荡器来为MAX262的两个滤波器提供所需的不同时钟频率。DS1099是一款低成本、低功耗、低频率的硅振荡器，可产生双路方波输出信号，经过对1．048 MHz主振荡器的不同分频，而使输出频率在0．25 Hz和1．048 MHz之间，所要输出的频率可以按要求由厂家进行编程设置。独立的使能控制端可分别启用或禁用两路输出信号。这里根据设计要求，经过多次计算，需要两个DS1099提供2种不同时钟频率，并要求厂家将这两个DS1099的4个频率输出口编程设置为262、131、65．5及16．375 kHz。在接收低频信号时，通过C8051F020程序控制选择合适的滤波器输入时钟。由PO．2、PO．3、PO．4和PO．5等4个I／O接口分别控制2个DS1099的使能端，选择滤波器所需的输入时钟。DS1099的正电源端均用旁路电容连接到地，以抗部分干扰、提高电路稳定性。
    MAX262的4位地址线和2位数据线分别连接到C8051F020的P3口的P3．0～P3．5。写允许输入端WR连接到P3．6。在滤波器输出中，为了防止由于逻辑输入的跃变而产生的某些噪声，加一个8 D触发器74HC374来进行缓冲／锁存。在滤波信号输出时，由于MAX262的输出波形为台阶状的采样信号，输出波形的“阶梯”以内部采样速率(fCLK／2)出现，所以在信号输出端口加一个单极点RC平滑滤波器来减小这种台阶噪声干扰。在电源部分，采用±5 V双电源供电，这样可以保证地址和数据的输入为TTL和CMOS电平兼容，同时还可以降低供电时的功耗。为了得到更好的性能，用旁路电容将V+和V-连接到地，这些电容应尽可能放置在靠近电源引脚的地方。
2．2．2 软件设计
    根据滤波器中要用到的低通和高通各3档的截止频率及衰减限度，利用MAXIM公司提供的MAX260／261／262滤波器设计软件，把实现该滤波要求的fO和Q调试出来，再结合文献计算出各个频点相应的滤波器编程系数。最后，再次利用相应的滤波设计辅助软件对参数进行适当的调整，使设计结果达到最佳。调整后滤波器组件的各个频点的设计参数和相应的编程系数见表1。

    通过程序控制C8051F020的P3．0～P3．5口，根据需要，在不同地址单元中存入相应的数据信息。存储器的内容是通过写入由A0～A3选中的地址来更新的，D0和D1为编程参数的输入。存储器地址单元的划分如图2所示。数据在的上升沿时被储存到选中的单元中。由表2可见每个滤波器的工作模式、中心频率、Q值所需编程数据均需要分8次写入MAX262的内部寄存器才能完成设置。

    在选择滤波器的工作方式时，方式1和方式2均可实现低通，其中方式1具有最高的带宽，而方式2则可获得较高的Q和较低的输出噪声。将两种方式结合使用，可以在一个时钟频率下选择较宽的中心频率fO覆盖范围。方式3是实现高通滤波器的唯一方式。
    当要实现低通3 500 Hz和高通950 Hz组合而成的带通滤波功能时，先对实现低通的滤波器A的时钟频率作出选择，仅使P0．2口输出低电平，从而选择262 kHz的时钟输入，同时通过编程控制将工作模式(01)、中心频率fO(000011)、品质因数Q(0010010)的设置参数通过8次(0～7地址单元)写入到MAX262内部的寄存器中。再对实现高通的滤波器B的时钟频率作出选择，仅使P0．3口输出低电平，从而选择131kHz的时钟输入，同时通过编程控制将工作模式(10)、中心频率fO(011000)、品质因数Q(0110100)的设置参数通过8次(8～15地址单元)写入到MAX262内部的寄存器中。设置完成后，MAX262就按照当前所要求的中心频率和Q值对输入信号进行滤波处理了。其主程序流程如图4所示。

2．2．3 实测结果
    在实际测试中，将滤波器A的中心频率设定为3500 Hz，滤波器B的中心频率设定为950 Hz，即级联而成的带通滤波器的中心频率为2225 Hz，通带宽度为2 550 Hz，对由探头传来的声发射信号进行滤波处理后的实测结果如图5所示。

    从实测结果的截图中可以看出，该滤波器可以有效地滤除不必要的信号，基本达到设计要求。实际设置的滤波器参数与计算得到的滤波器参数之间存在些差异，但这些误差对滤波特性影响不大，实际测试得到了比较满意的滤波效果。

3 结束语
    本系统充分发挥了C8051F020单片机强大的控制能力和数据处理能力，并基于MAX262实现了可程控带通滤波器(高通和低通级联而成)的设计。此滤波电路具有结构简单、外围元件少、频响好、使用灵活的优点。它只需1片MAX262，通过内部滤波器A和B的级联就能很容易完成四阶带通滤波器电路的设计，并且利用两片DS1099时钟产生器，满足了多个截止频率所要求的不同输入时钟。另外，该电路稍加改动后，还可通过对不同参数和N值的设置，来实现全通、低通、高通、带通等滤波器的设计。对于MAX262的时钟输入，还可以有更理想的设计方法，可以考虑直接利用单片机内部的振荡器，经由性能良好的时钟分频器的适当分频后，得到可覆盖更广工作频率范围的多个时钟频率，这样可以更进一步简化电路。