汪麗君，周鳳星，李 莊

（武漢科技大學 信息科學與工程學院 湖北 武漢 430081）

我國在巖體聲發(fā)射技術的研究與應用領域已經取得了不少成果，先后成功研制出聲發(fā)射監(jiān)測儀，廣泛用于礦山巖體局部冒落、露天邊坡滑坡等預警中，避免了人員傷亡和設備損壞。單片機具有集成度高、體積小、可靠性強、價格低、面向控制等優(yōu)點。鑒于此，聲發(fā)射監(jiān)測儀器大多采用單片機來完成聲發(fā)射參數(shù)的監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析顯示。這樣一來，聲發(fā)射監(jiān)測儀器在體積和重量上有了進一步的縮小，實用性大大增

強[1]。

便攜式智能巖體聲發(fā)射監(jiān)測儀選用STC89C58RD+單片機作為控制器，外圍連接電子元件，能夠實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測、終端顯示、數(shù)據(jù)長期保存、數(shù)據(jù)通信等復雜功能。

1 巖體聲發(fā)射監(jiān)測原理

材料在受到外荷載作用時，其內部貯存的應變能快速釋放產生彈性波并發(fā)出聲響，稱為聲發(fā)射[2]。利用儀器對聲發(fā)射信號進行采集、處理、分析的方法稱為聲發(fā)射技術[3]。目前對聲發(fā)射的表征參數(shù)都是通過對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]。

巖體作為非均質固體材料，在變形過程中，會產生一系列聲發(fā)射信號（亦稱巖音）。對巖體聲發(fā)射狀態(tài)進行監(jiān)測分析可預測巖體穩(wěn)定性[3]。本文通過研究巖體聲發(fā)射信號在單位時間內的事件率及總能率的變化情況，來反映巖體的振動狀態(tài)，預測巖體穩(wěn)定性。

2 儀器功能及特點

1）監(jiān)測信息（聲發(fā)射參數(shù)）

以下測量信息均以十進制形式顯示在數(shù)碼管上，便于讀取。

大事件：單位時間內幅度大于設定值（閾值）的事件累計數(shù)（個/分），反映較大聲發(fā)射幅度；

總事件：單位時間內聲發(fā)射事件累計數(shù)（個/分），反映聲發(fā)射頻度；

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

2）通過調節(jié)面板上的旋鈕，更改設置

調節(jié)兩位播碼盤可以修改監(jiān)測點代碼值（00-99范圍內可調）；調節(jié)增益旋鈕可以設置放大器的放大倍數(shù)（有8個檔位可選，依次放大10-80倍）；調節(jié)閾值旋鈕設定大事件、總事件的閾值（有4個檔位，依次選擇4組電壓參考值）；調節(jié)周期旋鈕可以設置監(jiān)測周期（有8個檔位，依次選擇周期為2-9分鐘）；調節(jié)2檔鈕子開關可以選擇進入人工或是自動監(jiān)測模式；調節(jié)電池電源開關可以選擇供電或是斷電。

3）SD卡存儲AD采樣值

經過濾波、放大后的信號直接經AD976采樣，采樣值由單片機控制送入SD卡存儲，即為原始信號數(shù)據(jù)。后期，可以通過上位機軟件處理SD卡中的數(shù)據(jù)，以還原初始聲發(fā)射信號，便于與監(jiān)測信息作進一步比較分析。

4）可與PC機進行數(shù)據(jù)通信

儀器監(jiān)測得到的信息可以斷電保存，并且可通過通信接口與計算機標準接口連接，將EEPROM和SD卡中的數(shù)據(jù)傳至上位機，以便對數(shù)據(jù)作進一步處理。通過串口通信，上位機也可以向儀器發(fā)送控制命令，完成修改內部時鐘設置、下載歷史存儲數(shù)據(jù)等操作，這樣可以便于工作人員簡單直觀的操作。

5）充電電池與市電切換供電

當外接交流電斷開時，自動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；外接交流電沒有斷開時，由交流電對儀器供電，同時又對電池進行充電。

6）儀器輕便、小巧

3 儀器組成

3.1 儀器的硬件設計

系統(tǒng)的硬件結構，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)射信號首先經過前置放大，然后通過UAF42進行低通濾波，接著將被濾除掉高頻噪聲的聲發(fā)射信號經由INA128進行放大（放大倍數(shù)可由增益旋鈕調節(jié)），然后送入到耳機監(jiān)聽電路和信號處理電路。通過耳機監(jiān)聽監(jiān)測場所的聲發(fā)射聲音，以便操作者根據(jù)經驗判別巖體振動情況。通過后續(xù)對信號的比較、相乘、壓/頻轉換、計數(shù)等處理，得到能夠反映巖體振動信息的參數(shù)值（大事件、總事件、能率）。信號放大之后經由AD976采樣，并送SD卡存儲，便于后期對存儲卡中的采樣數(shù)據(jù)處理分析，以還原初始聲發(fā)射信號，進一步比較分析。

數(shù)字電路部分的框圖如圖2所示。串行時鐘芯片DS1302提供系統(tǒng)時鐘[6]，以便實時記錄事件發(fā)生的時刻；用單片機內部定時器T0來控制在單位時間內讀取8254計數(shù)器[5]中的計數(shù)值；SD卡用來存儲經AD976采樣得到的數(shù)據(jù)；EEPROM用來存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)測代碼及時鐘信息等；由數(shù)碼管驅動芯片CH4528來實現(xiàn)控制8個8位的數(shù)碼管動態(tài)顯示監(jiān)測參數(shù)；通信接口電路用來實現(xiàn)與上位機通信，可將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送給PC機，PC機也可通過串口向單片機發(fā)送命令。

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

由于需要長時間存儲大量的數(shù)據(jù)信息，因此選用4片AT24C512（總共2 Mbit存儲空間）級聯(lián)的方式來實現(xiàn)外部存儲器的擴展，利用單片機的2個I/O來控制選擇其中一片存儲芯片進行存取操作，具體連接電路如圖3所示。

圖3 EEPROM存儲電路Fig.3 EEPROM storage circu

3.2 儀器的軟件設計

軟件部分采用C語言編制，使用結構化設計方法，使軟件的開發(fā)具有良好的、清晰的結構。在硬件調試無誤的前提下，針對各個功能模塊，編寫獨立的子程序進行調試，以實現(xiàn)相對獨立的各個模塊正常運行，最后將各個子程序匯總，進行整體調試運行。軟件主要由主控程序、信號采集模塊、計數(shù)模塊、時鐘模塊、顯示模塊、存儲模塊、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

開機通電后，系統(tǒng)自動進行初始化，時鐘模塊進行時間初始設定，內置電池，掉電后時鐘芯片繼續(xù)工作，不用重新設定初始值。單片機通過I/O口讀入周期值和播碼值，選擇進入人工或是自動模式。人工模式下只進行一次監(jiān)測，一分鐘時間內單片機不停地將8254中的計數(shù)值讀出并送到數(shù)碼管上動態(tài)顯示；一分鐘時間到，保持此時數(shù)碼管上的數(shù)據(jù)不變并且開始閃爍（以提示一分鐘時間到），同時將此時顯示的數(shù)據(jù)存入EEPROM（AT24C512），等待下次重新啟動后開始新一輪的定時計數(shù)。自動模式下（不需要手動控制進入下一輪計數(shù)），由輸入的周期值來設定進入循環(huán)監(jiān)測的時鐘周期。一分鐘監(jiān)測時間內AD976啟動工作，單片機會將AD采樣值送入SD卡實時存儲，同時不停地讀取8254計數(shù)值并送數(shù)碼管上動態(tài)顯示；一分鐘時間到，停止AD采樣和數(shù)碼管上的動態(tài)顯示，同時將此時顯示的數(shù)據(jù)存入EEPROM，等待下一個工作周期到來時，繼續(xù)進行單位時間內的監(jiān)測。每次EEPROM和SD卡的存儲之前會判斷是否存滿，若沒有存滿，則繼續(xù)向下一個存儲單元送入數(shù)據(jù)；若已經全部存滿，則數(shù)據(jù)又回到初始單元進行覆蓋存儲，這樣可以保證存儲芯片中始終保留近期的監(jiān)測數(shù)據(jù)，不會造成數(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 設計難點及解決方法

4.1 抗干擾設計

監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場運行環(huán)境惡劣，干擾嚴重。鑒于此，系統(tǒng)設計中主要考慮從硬件上來有效地抑制干擾，阻斷干擾的傳輸通道。在設計中選用通用有源二階低通濾波器，濾除高頻噪聲干擾。設計電路時，全面考慮各種抑制干擾的措施，如在電路的每個關鍵部位配置去耦電容，電源輸入端跨接10μF的電解電容，每個芯片電源引腳上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，各自都有獨立的電源和地，最后在某一點將兩者的地相接。

4.2 8254實現(xiàn)3路同時計數(shù)

8254計數(shù)模塊是整個系統(tǒng)設計中最重要的部分之一，若不能精確地控制8254的計數(shù)工作，計數(shù)值的錯誤將導致測量信息的不準，以導致系統(tǒng)監(jiān)測失效。設計采用8254的3路計數(shù)通道分別實現(xiàn)對大事件、總事件、能率的同時計數(shù)。8254工作在方式0，由單片機的I/O口控制GATE門控信號，用門控信號的高低電平來控制計數(shù)器的啟動或者暫停。

5 結束語

基于單片機設計的智能巖體聲發(fā)射監(jiān)測儀，具備準確監(jiān)測聲發(fā)射信息的功能，同時也順利實現(xiàn)了信號采集、顯示、存儲、發(fā)送等操作。在設計中，硬件電路由模擬和數(shù)字兩部分組成。模擬電路完成對輸入信號的濾波、放大、比較等處理，達到將微弱的電信號轉換為方便采集的脈沖信號的目的。數(shù)字電路完成對脈沖信號的計數(shù)、顯示、存儲、發(fā)送等處理，將監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)直觀地輸出到外設，便于工作人員查看。在系統(tǒng)設計中，采用一些措施能有效地抑制干擾。通過在軟硬件上對8254的控制，計數(shù)值的準確性等問題也得到很好地解決。

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