摘 要：針對礦山鉆孔深度的測量，提出了一種用測量鉆桿長度間接測量鉆孔深度硬件方案，在Android平臺上設(shè)計(jì)了采集處理軟件，重點(diǎn)討論了前后時窗比法采集技術(shù)及鉆桿反射波形信號的自動拾取等，軟件具有信號采集、采集波形和測量結(jié)果的可視化顯示及文件管理等功能；軟件操作簡單，測量結(jié)果可靠。

關(guān)鍵詞：Android平臺；鉆桿；長度測量；軟件設(shè)計(jì)

在礦山的開采中，對地質(zhì)異常的探測最直接的方法就是對目標(biāo)位置或?qū)游贿M(jìn)行鉆孔，鉆孔的深度是決定異常探測準(zhǔn)確性的一個重要因素。在煤礦中鉆孔質(zhì)量是瓦斯抽放和疏放水的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求，必須保證鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度。目前，測量鉆孔深度的主要方法數(shù)鉆桿數(shù)量，但這一工作費(fèi)時費(fèi)力，且難以滿足大量鉆孔驗(yàn)收工作。因此，研究開發(fā)能高效測量鉆桿長度的技術(shù)已成為礦山中亟待解決的問題。目前市場上測量鉆孔深度的儀器較少，且測量誤差較大，無法精確測量鉆桿長度。本文基于Android平臺開發(fā)設(shè)計(jì)一款鉆桿長度測量軟件，成功研制出一臺鉆桿長度測量儀。

1 硬件設(shè)計(jì)

鉆桿長度測量儀采用基于ARM9嵌入式開發(fā)板，運(yùn)行Android4.4操作系統(tǒng)，采集模塊采用Cirrus Logic公司生產(chǎn)的震動專用測量系列芯片，該套芯片是一套高精度、低噪聲、低功耗的單通道數(shù)據(jù)采集芯片，采集模塊的主要性能指標(biāo)如下：1）高達(dá)24位Δ-∑模數(shù)轉(zhuǎn)換器；2）雙通道同步采樣，采樣率1K-450K，可軟件編程設(shè)置；3）SPI總線傳輸；4）IEPE驅(qū)動單元，24V驅(qū)動電壓，4mA橫流輸出，10uF隔直電容，可直接連接IEPE壓電式加速度傳感器；5）量程：±10V/PGA；6）工作溫度：0℃～70℃。

為滿足數(shù)據(jù)處理要求，儀器采用基于ARM9平板平臺，運(yùn)行數(shù)據(jù)采集軟件，軟件通過專門為采集板開發(fā)的驅(qū)動程序來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集模塊的控制。如圖1所示，ARM9通過SPI總線連接數(shù)據(jù)采集模塊，當(dāng)程序啟動采集時，振動傳感器的信號經(jīng)放大濾波電路到數(shù)據(jù)采集模塊輸入端口，采集模塊開始采集信號；外界產(chǎn)生有效錘擊信號，采集軟件判斷是否為有效信號，一旦信號有效，信號被保存，停止單次采集工作。

2 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集軟件主要是對數(shù)據(jù)采集模塊的控制，實(shí)現(xiàn)雙通道的同步采集。在采集的過程中要對采集參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如放大倍數(shù)、采樣率等；數(shù)據(jù)采集結(jié)束，還需要顯示采集的波形和結(jié)果；并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。因此，本采集軟件主要包括三大功能模塊：參數(shù)設(shè)置模塊、圖形可視化模塊和文件管理模塊。

2.1 參數(shù)設(shè)置模塊

參數(shù)設(shè)置模塊主要包括硬件采集參數(shù)設(shè)置、波形顯示設(shè)置、波形處理設(shè)置、鉆桿長度計(jì)算設(shè)置等，結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，會獲得更精確的結(jié)果。

2.2 圖形可視化模塊

圖形可視化模塊主要是對采集的波形數(shù)據(jù)的顯示及交互操作，一方面可以檢查采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，另一方面，可以根據(jù)波形顯示交互操作計(jì)算鉆桿長度。

2.3 文件管理模塊

文件管理模塊主要包括文件保存及歷史數(shù)據(jù)的回放。

3 主要技術(shù)

3.1 前后時窗比法觸發(fā)采集技術(shù)

數(shù)據(jù)采集模塊本身不支持硬件觸發(fā)，所以只能采用軟件觸發(fā)方式。通過處理器將觸發(fā)判決條件和觸發(fā)信號相比較，如果為有效的觸發(fā)信號，觸發(fā)并存儲數(shù)據(jù)[ 1 ]。高性能的處理器和大容量高速緩存是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中不可缺少的部分。本系統(tǒng)運(yùn)行在Android系統(tǒng)平臺下，具有高性能的數(shù)據(jù)處理能力，滿足軟件觸發(fā)條件。

由于采集的信號為振動信號，有效信號為振動波形，通過實(shí)驗(yàn)分析，觸發(fā)判決條件為信號前后時窗能量比。假設(shè)儀器采集的信號為[xn]，對時間軸上的第i個采樣點(diǎn)周圍，以第i個樣點(diǎn)為中心取一時窗，時窗內(nèi)樣點(diǎn)長度為2M。則后時窗和前時窗的能量比值可表示為[ 2 ]：

當(dāng)儀器觸發(fā)成功，采集到錘擊信號，觸發(fā)時刻信號采樣點(diǎn)處后時窗和前時窗的能量比R達(dá)到最大值。

當(dāng)前后時窗能量比滿足給定的觸發(fā)閾值，認(rèn)為觸發(fā)成功，儀器開始存儲有效信號。前后時窗能量比法能夠有效地判斷有效信號，而不依賴于信號與噪音的能量，時間誤差小。

4 結(jié)論

本文基于VC++編寫的圖形可視化界面應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了鉆孔深度測量的雙通道超聲信號的數(shù)據(jù)采集功能；軟件利用前后時窗比法觸發(fā)采集技術(shù)、多線程技術(shù)、反射信號自動檢測等關(guān)鍵技術(shù)， 構(gòu)建了煤礦瓦斯抽放鉆孔深度測量系統(tǒng)。經(jīng)過井下、地面的試驗(yàn)測試，儀器性能穩(wěn)定，結(jié)果計(jì)算可靠。借助于VC++開發(fā)平臺，憑借其強(qiáng)大的圖形處理功能，儀器軟件開發(fā)周期短，升級維護(hù)方便，圖形交互功能強(qiáng)大，交互性好，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：張慶慶（1982-），男，山西霍州人，工程師，碩士研究生，研究方向：礦井地球物理勘探技術(shù)與裝備。