汪麗君，周鳳星，李 莊

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 湖北 武漢 430081）

我國(guó)在巖體聲發(fā)射技術(shù)的研究與應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)取得了不少成果，先后成功研制出聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀，廣泛用于礦山巖體局部冒落、露天邊坡滑坡等預(yù)警中，避免了人員傷亡和設(shè)備損壞。單片機(jī)具有集成度高、體積小、可靠性強(qiáng)、價(jià)格低、面向控制等優(yōu)點(diǎn)。鑒于此，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀器大多采用單片機(jī)來(lái)完成聲發(fā)射參數(shù)的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析顯示。這樣一來(lái)，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀器在體積和重量上有了進(jìn)一步的縮小，實(shí)用性大大增

強(qiáng)[1]。

便攜式智能巖體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀選用STC89C58RD+單片機(jī)作為控制器，外圍連接電子元件，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)、終端顯示、數(shù)據(jù)長(zhǎng)期保存、數(shù)據(jù)通信等復(fù)雜功能。

1 巖體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)原理

材料在受到外荷載作用時(shí)，其內(nèi)部貯存的應(yīng)變能快速釋放產(chǎn)生彈性波并發(fā)出聲響，稱為聲發(fā)射[2]。利用儀器對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集、處理、分析的方法稱為聲發(fā)射技術(shù)[3]。目前對(duì)聲發(fā)射的表征參數(shù)都是通過(guò)對(duì)儀器輸出波形的處理得到的，這些參數(shù)主要有聲發(fā)射事件與振鈴計(jì)數(shù)率和總數(shù)、幅度及幅度分析、能量及能量分布、有效電壓值、頻譜和波形等[4]。

巖體作為非均質(zhì)固體材料，在變形過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一系列聲發(fā)射信號(hào)（亦稱巖音）。對(duì)巖體聲發(fā)射狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析可預(yù)測(cè)巖體穩(wěn)定性[3]。本文通過(guò)研究巖體聲發(fā)射信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)的事件率及總能率的變化情況，來(lái)反映巖體的振動(dòng)狀態(tài)，預(yù)測(cè)巖體穩(wěn)定性。

2 儀器功能及特點(diǎn)

1）監(jiān)測(cè)信息（聲發(fā)射參數(shù)）

以下測(cè)量信息均以十進(jìn)制形式顯示在數(shù)碼管上，便于讀取。

大事件：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)幅度大于設(shè)定值（閾值）的事件累計(jì)數(shù)（個(gè)/分），反映較大聲發(fā)射幅度；

總事件：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)聲發(fā)射事件累計(jì)數(shù)（個(gè)/分），反映聲發(fā)射頻度；

能率：與單位時(shí)間聲發(fā)射能量成正比例的量（無(wú)量綱），反映聲發(fā)射能量[3]。

2）通過(guò)調(diào)節(jié)面板上的旋鈕，更改設(shè)置

調(diào)節(jié)兩位播碼盤可以修改監(jiān)測(cè)點(diǎn)代碼值（00-99范圍內(nèi)可調(diào)）；調(diào)節(jié)增益旋鈕可以設(shè)置放大器的放大倍數(shù)（有8個(gè)檔位可選，依次放大10-80倍）；調(diào)節(jié)閾值旋鈕設(shè)定大事件、總事件的閾值（有4個(gè)檔位，依次選擇4組電壓參考值）；調(diào)節(jié)周期旋鈕可以設(shè)置監(jiān)測(cè)周期（有8個(gè)檔位，依次選擇周期為2-9分鐘）；調(diào)節(jié)2檔鈕子開關(guān)可以選擇進(jìn)入人工或是自動(dòng)監(jiān)測(cè)模式；調(diào)節(jié)電池電源開關(guān)可以選擇供電或是斷電。

3）SD卡存儲(chǔ)AD采樣值

經(jīng)過(guò)濾波、放大后的信號(hào)直接經(jīng)AD976采樣，采樣值由單片機(jī)控制送入SD卡存儲(chǔ)，即為原始信號(hào)數(shù)據(jù)。后期，可以通過(guò)上位機(jī)軟件處理SD卡中的數(shù)據(jù)，以還原初始聲發(fā)射信號(hào)，便于與監(jiān)測(cè)信息作進(jìn)一步比較分析。

4）可與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信

儀器監(jiān)測(cè)得到的信息可以斷電保存，并且可通過(guò)通信接口與計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口連接，將EEPROM和SD卡中的數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)，以便對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理。通過(guò)串口通信，上位機(jī)也可以向儀器發(fā)送控制命令，完成修改內(nèi)部時(shí)鐘設(shè)置、下載歷史存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等操作，這樣可以便于工作人員簡(jiǎn)單直觀的操作。

5）充電電池與市電切換供電

當(dāng)外接交流電斷開時(shí)，自動(dòng)換成由充電電池供電，使得儀器在突發(fā)停電的情況下仍然能正常工作；外接交流電沒(méi)有斷開時(shí)，由交流電對(duì)儀器供電，同時(shí)又對(duì)電池進(jìn)行充電。

6）儀器輕便、小巧

3 儀器組成

3.1 儀器的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，可分為模擬電路和數(shù)字電路兩大部分。模擬電路部分的框圖如圖1所示。

圖1 模擬電路框圖Fig.1 Structure diagram of the analog circuit

由傳感器的探頭捕捉到的聲發(fā)射信號(hào)首先經(jīng)過(guò)前置放大，然后通過(guò)UAF42進(jìn)行低通濾波，接著將被濾除掉高頻噪聲的聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)由INA128進(jìn)行放大（放大倍數(shù)可由增益旋鈕調(diào)節(jié)），然后送入到耳機(jī)監(jiān)聽電路和信號(hào)處理電路。通過(guò)耳機(jī)監(jiān)聽監(jiān)測(cè)場(chǎng)所的聲發(fā)射聲音，以便操作者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判別巖體振動(dòng)情況。通過(guò)后續(xù)對(duì)信號(hào)的比較、相乘、壓/頻轉(zhuǎn)換、計(jì)數(shù)等處理，得到能夠反映巖體振動(dòng)信息的參數(shù)值（大事件、總事件、能率）。信號(hào)放大之后經(jīng)由AD976采樣，并送SD卡存儲(chǔ)，便于后期對(duì)存儲(chǔ)卡中的采樣數(shù)據(jù)處理分析，以還原初始聲發(fā)射信號(hào)，進(jìn)一步比較分析。

數(shù)字電路部分的框圖如圖2所示。串行時(shí)鐘芯片DS1302提供系統(tǒng)時(shí)鐘[6]，以便實(shí)時(shí)記錄事件發(fā)生的時(shí)刻；用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器T0來(lái)控制在單位時(shí)間內(nèi)讀取8254計(jì)數(shù)器[5]中的計(jì)數(shù)值；SD卡用來(lái)存儲(chǔ)經(jīng)AD976采樣得到的數(shù)據(jù)；EEPROM用來(lái)存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)代碼及時(shí)鐘信息等；由數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片CH4528來(lái)實(shí)現(xiàn)控制8個(gè)8位的數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示監(jiān)測(cè)參數(shù)；通信接口電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信，可將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)，PC機(jī)也可通過(guò)串口向單片機(jī)發(fā)送命令。

圖2 數(shù)字電路框圖Fig.2 Structure diagram of the digital circuit

由于需要長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)信息，因此選用4片AT24C512（總共2 Mbit存儲(chǔ)空間）級(jí)聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，利用單片機(jī)的2個(gè)I/O來(lái)控制選擇其中一片存儲(chǔ)芯片進(jìn)行存取操作，具體連接電路如圖3所示。

圖3 EEPROM存儲(chǔ)電路Fig.3 EEPROM storage circu

3.2 儀器的軟件設(shè)計(jì)

軟件部分采用C語(yǔ)言編制，使用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，使軟件的開發(fā)具有良好的、清晰的結(jié)構(gòu)。在硬件調(diào)試無(wú)誤的前提下，針對(duì)各個(gè)功能模塊，編寫?yīng)毩⒌淖映绦蜻M(jìn)行調(diào)試，以實(shí)現(xiàn)相對(duì)獨(dú)立的各個(gè)模塊正常運(yùn)行，最后將各個(gè)子程序匯總，進(jìn)行整體調(diào)試運(yùn)行。軟件主要由主控程序、信號(hào)采集模塊、計(jì)數(shù)模塊、時(shí)鐘模塊、顯示模塊、存儲(chǔ)模塊、通信模塊等部分組成，如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)框圖Fig.4 Structure diagram of the software system

開機(jī)通電后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行初始化，時(shí)鐘模塊進(jìn)行時(shí)間初始設(shè)定，內(nèi)置電池，掉電后時(shí)鐘芯片繼續(xù)工作，不用重新設(shè)定初始值。單片機(jī)通過(guò)I/O口讀入周期值和播碼值，選擇進(jìn)入人工或是自動(dòng)模式。人工模式下只進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)，一分鐘時(shí)間內(nèi)單片機(jī)不停地將8254中的計(jì)數(shù)值讀出并送到數(shù)碼管上動(dòng)態(tài)顯示；一分鐘時(shí)間到，保持此時(shí)數(shù)碼管上的數(shù)據(jù)不變并且開始閃爍（以提示一分鐘時(shí)間到），同時(shí)將此時(shí)顯示的數(shù)據(jù)存入EEPROM（AT24C512），等待下次重新啟動(dòng)后開始新一輪的定時(shí)計(jì)數(shù)。自動(dòng)模式下（不需要手動(dòng)控制進(jìn)入下一輪計(jì)數(shù)），由輸入的周期值來(lái)設(shè)定進(jìn)入循環(huán)監(jiān)測(cè)的時(shí)鐘周期。一分鐘監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)AD976啟動(dòng)工作，單片機(jī)會(huì)將AD采樣值送入SD卡實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，同時(shí)不停地讀取8254計(jì)數(shù)值并送數(shù)碼管上動(dòng)態(tài)顯示；一分鐘時(shí)間到，停止AD采樣和數(shù)碼管上的動(dòng)態(tài)顯示，同時(shí)將此時(shí)顯示的數(shù)據(jù)存入EEPROM，等待下一個(gè)工作周期到來(lái)時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行單位時(shí)間內(nèi)的監(jiān)測(cè)。每次EEPROM和SD卡的存儲(chǔ)之前會(huì)判斷是否存滿，若沒(méi)有存滿，則繼續(xù)向下一個(gè)存儲(chǔ)單元送入數(shù)據(jù)；若已經(jīng)全部存滿，則數(shù)據(jù)又回到初始單元進(jìn)行覆蓋存儲(chǔ)，這樣可以保證存儲(chǔ)芯片中始終保留近期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。軟件流程圖如圖4所示。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Flowchart of the software

4 設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決方法

4.1 抗干擾設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境惡劣，干擾嚴(yán)重。鑒于此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要考慮從硬件上來(lái)有效地抑制干擾，阻斷干擾的傳輸通道。在設(shè)計(jì)中選用通用有源二階低通濾波器，濾除高頻噪聲干擾。設(shè)計(jì)電路時(shí)，全面考慮各種抑制干擾的措施，如在電路的每個(gè)關(guān)鍵部位配置去耦電容，電源輸入端跨接10μF的電解電容，每個(gè)芯片電源引腳上0.01μF并接高頻電容。電路中不使用的輸入端均與地相接，避免引起邏輯電平不正常。元件布局要將模擬與數(shù)字電路分開，各自都有獨(dú)立的電源和地，最后在某一點(diǎn)將兩者的地相接。

4.2 8254實(shí)現(xiàn)3路同時(shí)計(jì)數(shù)

8254計(jì)數(shù)模塊是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的部分之一，若不能精確地控制8254的計(jì)數(shù)工作，計(jì)數(shù)值的錯(cuò)誤將導(dǎo)致測(cè)量信息的不準(zhǔn)，以導(dǎo)致系統(tǒng)監(jiān)測(cè)失效。設(shè)計(jì)采用8254的3路計(jì)數(shù)通道分別實(shí)現(xiàn)對(duì)大事件、總事件、能率的同時(shí)計(jì)數(shù)。8254工作在方式0，由單片機(jī)的I/O口控制GATE門控信號(hào)，用門控信號(hào)的高低電平來(lái)控制計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)或者暫停。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能巖體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀，具備準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)聲發(fā)射信息的功能，同時(shí)也順利實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采集、顯示、存儲(chǔ)、發(fā)送等操作。在設(shè)計(jì)中，硬件電路由模擬和數(shù)字兩部分組成。模擬電路完成對(duì)輸入信號(hào)的濾波、放大、比較等處理，達(dá)到將微弱的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為方便采集的脈沖信號(hào)的目的。數(shù)字電路完成對(duì)脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)、顯示、存儲(chǔ)、發(fā)送等處理，將監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)直觀地輸出到外設(shè)，便于工作人員查看。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用一些措施能有效地抑制干擾。通過(guò)在軟硬件上對(duì)8254的控制，計(jì)數(shù)值的準(zhǔn)確性等問(wèn)題也得到很好地解決。

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