曹玲玲，李良光，趙貴龍，高　苗

(1．安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南　232001；2．淮南礦業(yè)集團(tuán)，安徽淮南　232001)

0　引言

隨著煤炭行業(yè)的快速發(fā)展，地下開采比重逐年增大，地壓問題已經(jīng)嚴(yán)重影響到礦山開采的安全性[1]。微震法是一種很有前景的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法。在煤礦井下布置傳感器，將巖層斷裂產(chǎn)生的微震信號送往FPGA控制模塊，信號經(jīng)過處理并通過ARM芯片送往地面安全監(jiān)控中心。當(dāng)前，微震監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要引自國外，不但價格昂貴，而且抗干擾能力差、功耗高，同時不能與現(xiàn)有通信平臺很好地融合[2]。基于DSP或單片機的微震監(jiān)測系統(tǒng)，因資源的有限性使其很難達(dá)到精確的采集效果[3]。因此，設(shè)計了一種基于ARM和FPGA的高精度礦山微震監(jiān)測系統(tǒng)。

1　硬件設(shè)計

微震信息采集系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，主要包括12路傳感器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器模塊、FPGA可編程邏輯電路、ARM控制芯片、以太網(wǎng)通信模塊和SD卡。采集模塊通過結(jié)合FPGA和ARM，使得系統(tǒng)傳輸和處理數(shù)據(jù)更加快速和精準(zhǔn)。

傳感器將采集的信號經(jīng)過信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換后，由光纜傳至FPGA，系統(tǒng)將ARM和FPGA芯片結(jié)合；FPGA經(jīng)過相關(guān)處理后，經(jīng)ARM微處理器將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送給上位機；然后由地面計算機進(jìn)行實時監(jiān)控，經(jīng)相關(guān)分析后，再送往服務(wù)器；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，先將數(shù)據(jù)存放于安全數(shù)碼卡(SD)卡中，等待故障恢復(fù)后再傳給服務(wù)器。

圖1　系統(tǒng)原理圖

1．1傳感器的選型

礦山微震監(jiān)測應(yīng)根據(jù)檢測對象特征選擇不同頻段的傳感器。監(jiān)測一個工作面時，適合選擇頻率范圍5～1 000 Hz的傳感器，并安置在深度3～40 m的鉆孔中。監(jiān)測一個采區(qū)或礦井范圍，宜采用頻率范圍0．8～300 Hz的傳感器，并把錨桿安裝在深度1 m鉆孔中[4]。由于礦井微震信號頻率范圍一般為0～600 Hz，所以系統(tǒng)采用型號為DLM-2001的傳感器，并根據(jù)系統(tǒng)要求，把錨桿安置在地下1 m深的鉆孔中。

1．2信號調(diào)理電路

由于傳感器采集到的微震信息非常微弱，所以需要對信號進(jìn)行前端預(yù)處理[5]。前端預(yù)處理電路如圖2所示，主要由放大、濾波、差分轉(zhuǎn)換三部分組成。

圖2　信號調(diào)理電路

將傳感器采集到的微弱信號先送入AD8231進(jìn)行放大濾波，并傳送給FPGA對12路采集信號進(jìn)行一定程度放大；再將放大后的信號經(jīng)過有源帶通濾波后送入ADS1251，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；最后將得到的數(shù)字信號傳送給FPGA進(jìn)行處理。

1．3STM32F407主控芯片

系統(tǒng)選用32位Cortex-M4內(nèi)核微控制器STM32F407作為主控芯片。該芯片具有豐富的片內(nèi)資源和高速的數(shù)據(jù)處理速度，能夠滿足對微震信號的處理和傳送要求[6]。在整個監(jiān)控系統(tǒng)中，STM32F407的作用包括：接收經(jīng)FPGA處理后的數(shù)據(jù)；向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)；向FPGA反饋放大倍數(shù)；讀寫SD卡。

1．4FPGA可編程邏輯電路

FPGA因其可編程性、可靠性強及高集成度等優(yōu)點被廣泛使用。系統(tǒng)選用EP3C25Q240C8FPGA，在開發(fā)軟件QUARTUSII上進(jìn)行設(shè)計，F(xiàn)PGA內(nèi)部采用層次化的設(shè)計方法，將系統(tǒng)分為A/D控制、乒乓緩存和串行外設(shè)接口(SPI)傳輸三大部分。

A/D控制部分采用FPGA設(shè)計的1個FIR濾波器，對信號進(jìn)行濾波，提高微震信號的精度和抗干擾能力；存儲數(shù)據(jù)時，采用2個異步FIFO作為乒乓緩存的存儲單元，通過正確的時序控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫傳輸；將數(shù)據(jù)通過SPI協(xié)議送給ARM主控芯片。

1．5數(shù)字濾波器

A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)只經(jīng)過了有源帶通濾波器的處理，濾波效果不理想。為了提高微震信號的精度和抗干擾能力，在數(shù)據(jù)送入緩存之前，將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)先進(jìn)行一次數(shù)字濾波。FPGA有邏輯陣列和豐富的連線資源，特別適合應(yīng)用在數(shù)字信號處理任務(wù)中[7]，所以針對傳統(tǒng)FIR濾波器的延遲特性，系統(tǒng)采用基于FPGA的并行分布式算法的優(yōu)化FIR濾波器，如圖3所示。FIR濾波器將查找表分割為8個16單元的查找表M1～M8，查找表均采用并行結(jié)構(gòu)。將各查找表的輸出依次相加，最后得出結(jié)果。

圖3　32階FIR濾波器分解后框圖

1．6乒乓緩存控制

為了確保數(shù)據(jù)的無縫傳輸，系統(tǒng)采用乒乓緩存操作來處理采集數(shù)據(jù)，乒乓緩存控制示意圖如圖4所示。乒乓緩存控制流程[8]：輸入控制模塊先將輸入數(shù)據(jù)送入緩存1；當(dāng)緩存1存滿后，再將數(shù)據(jù)存入緩存2，同時輸出控制模塊對緩存1進(jìn)行讀??；當(dāng)緩存2存滿后再次切換到緩存1進(jìn)行存儲，同時輸出緩存2。如此循環(huán)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時無縫傳輸。

圖4　乒乓緩存操作方法示意圖

由于先進(jìn)先出(FIFO)算法具有寫滿和讀空標(biāo)志，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)暫存單元1、2選擇異步FIFO，通過讀、寫2個控制模塊分別控制異步FIFO。

2　軟件設(shè)計

系統(tǒng)主控芯片STM32F407和FPGA的主流程如圖5所示。

圖5　主程序流程圖

STM32F407與前端FPGA主要完成3項數(shù)據(jù)值傳遞：各采集通道增益值傳遞；同步信息傳遞；采樣值傳遞。系統(tǒng)開始初始化后，打開各外部中斷。一方面當(dāng)STM32F407為從機時，通過SPI接口接收采集數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機。另一方面當(dāng)STM32F407為主機時，其向FPGA發(fā)送通道增益值和同步信號，使各采集通道實時調(diào)整對信號的放大倍數(shù)，且A/D采樣與服務(wù)器接收同步。

3　實驗結(jié)果及分析

微震監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)：數(shù)據(jù)通道數(shù)量12通道；增益可調(diào)范圍1～128；A/D轉(zhuǎn)換精度24位；采集信號頻率范圍0～600 Hz；數(shù)據(jù)傳輸速度100/1 000 MBPS；信號傳輸形式為電流型；網(wǎng)絡(luò)傳輸使用TCP/IP協(xié)議。

(1)系統(tǒng)借助QUARTUSII軟件對乒乓緩存控制進(jìn)行時序仿真，如圖6所示。由圖6可以看出，2個數(shù)據(jù)暫存單元分別處于讀取2個不同的狀態(tài)，并相互轉(zhuǎn)換。

圖6　乒乓緩存時序仿真

(2)在QUARTUSII軟件中對的FIR濾波器進(jìn)行仿真(為了簡化，只建立4階)，如圖7所示。

圖7　數(shù)字濾波器時序仿真

為了證明該微震監(jiān)測系統(tǒng)定位的高精度性，采用人工震源對系統(tǒng)進(jìn)行測試，并與實際震源位置進(jìn)行對比分析。將其中的5路傳感器作為監(jiān)測點，并安置在地下深度1 m處，如圖8所示。實驗時，第12路傳感器放置在震源位置，7、8、9、10路分別安置在以震源為圓心、半徑為10 m的圓的弧線上。

圖8　傳感器分布圖

系統(tǒng)采用Geiger算法定位，定位結(jié)果如表1所示。由表1可知，震源的實際坐標(biāo)和監(jiān)測坐標(biāo)誤差極小，滿足實時微震監(jiān)測的要求。

當(dāng)人工產(chǎn)生震源時，在服務(wù)器上得到的實驗波形如圖9所示。實驗表明：當(dāng)采樣頻率為5 000 Hz和采樣點為500時，能夠很好地還原出微震信號波形；該系統(tǒng)可以直觀地判斷出震源在12路傳感器附近的位置，定位精確；系統(tǒng)能夠通過上位機的軟件分析并確定震動的類型、能量等信息，并對震源震動的危險程度進(jìn)行評價，滿足實時監(jiān)測的要求。

表1　定位結(jié)果

圖9　微震波形采集圖

4　結(jié)束語

文中設(shè)計了一種高精度的微震監(jiān)測系統(tǒng)，首先使用傳感器采集煤礦井下地質(zhì)運動的微震信號，并將其傳送到主控芯片，對數(shù)據(jù)做出相關(guān)處理，然后再通過光纖傳送至地面安全監(jiān)控中心，對其進(jìn)行分析顯示。由仿真實驗結(jié)果可知，該系統(tǒng)具有很好地定位功能，精度高、功耗低、調(diào)試簡單，在煤礦開采過程中能夠精確地采集到微震信號，從而準(zhǔn)確預(yù)測開采過程中出現(xiàn)的異常情況。該系統(tǒng)具有很高的應(yīng)用價值和廣闊的市場前景。

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