楊慶江， 許劍華， 魏春榮， 孫建華

(1.黑龍江科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院，哈爾濱 150022； 3.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

瓦斯爆炸數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵技術(shù)

楊慶江1， 許劍華1， 魏春榮2， 孫建華3

(1.黑龍江科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院，哈爾濱 150022； 3.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以快速準確記錄瓦斯爆炸實驗裝置中的各種物理量。其性能直接影響瓦斯災(zāi)害的發(fā)生機理、特性及演化傳播規(guī)律研究的結(jié)論。針對爆炸被測量持續(xù)時間極短、物理量變化較快的特點，以高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器、可編程門陣列和微控制器為核心，構(gòu)建信號采集、存儲和處理平臺。利用負延時觸發(fā)技術(shù)和單片SDRAM的乒乓儲存技術(shù)，實現(xiàn)短時間內(nèi)數(shù)據(jù)的快速采集和存儲，由改進的曲面擬合方法對采集的散亂數(shù)據(jù)進行曲面擬合。經(jīng)實驗驗證，該裝置能夠較好地對瓦斯爆炸實驗裝置不同位置的壓力和溫度進行實時多路采集和擬合，達到了預(yù)期效果。

瓦斯爆炸； 數(shù)據(jù)采集； 高速存儲； 處理平臺

0 引 言

在研究瓦斯爆炸實驗過程中，準確的對實驗裝置中的各種物理量進行快速記錄，是后續(xù)進行數(shù)據(jù)分析工作的前提。因此，此類實驗裝置中，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求較高。其工作性能直接影響研究瓦斯災(zāi)害的發(fā)生機理、特性及演化傳播規(guī)律，是研究中起決定性作用的裝置。

目前，國內(nèi)對于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)有很多研究，例如系統(tǒng)采用高速ADC采集模塊，可編程門列陣與微控制器組合的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對信號實時、精確的采集，而且具有高速信號處理和數(shù)據(jù)傳輸能力[1]。但對爆炸環(huán)境下采集系統(tǒng)的研究文獻相對較少[2-4]。為此，筆者對瓦斯爆炸數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵技術(shù)進行研究。

1 瓦斯爆炸實驗系統(tǒng)

瓦斯爆炸實驗系統(tǒng)如圖1所示，主要包括裝置本體(抗爆結(jié)構(gòu)本體)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。裝置本體是用來形成爆炸性環(huán)境和承受爆炸后果(爆炸火焰，爆炸壓力)的金屬罐體和管道?？刂葡到y(tǒng)是以工業(yè)計算機控制系統(tǒng)為核心，用于安全連鎖裝置的檢測、采樣觸發(fā)、點火等一系列過程的自動化控制[5]。采樣系統(tǒng)是利用傳感器、微控制器來采集爆炸瞬間爆炸壓力和爆炸火焰溫度數(shù)據(jù)，利用上位機對數(shù)據(jù)進行分析。

由于測量環(huán)境的特殊性，需要在短時間內(nèi)對大量瞬時信息進行精確采集, 爆炸壓力和爆炸溫度為瞬態(tài)物理量,也需要采用高速設(shè)備對其進行高速數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集成為系統(tǒng)工作的關(guān)鍵技術(shù)。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

如圖2所示，系統(tǒng)主要由AD采集模塊，F(xiàn)PGA模塊和STM32數(shù)據(jù)處理模塊組成。該系統(tǒng)由STM32F4給FPGA發(fā)送控制命令，F(xiàn)PGA通過高速AD采集模塊實現(xiàn)對瓦斯爆炸信號的實時采集并對采集數(shù)據(jù)進行緩存，然后FPGA與STM32通過SPI接口電路進行采集信號的交流，再由STM32對采集信號進行讀取、處理和傳輸，最后通過上位機顯示爆炸信號采集結(jié)果。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 前端處理技術(shù)

在實際電路的設(shè)計中，系統(tǒng)在AD電路前添加德州儀器的LMH6554放大器，該放大器將采樣信號轉(zhuǎn)換為差分信號，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[6]。另一方面將輸入信號放大，提高采集信號精度。

2.2 AD選型及控制時鐘

系統(tǒng)采用美國國家半導(dǎo)體公司的高性能模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC-ADC08D1000。該芯片具有雙通道結(jié)構(gòu)，單通道采樣率最大可達1.6 GHz，芯片采用128腳LQFP封裝，1.9 V單電源供電；具有自校準功能，可在擴展方式或普通方式下對其進行控制。且因為使用了高能源效率設(shè)計，每個通道功耗只有2.05 W[7]。

在高速AD采集模塊中，ADC08D1000的硬件設(shè)計主要包括時鐘源，信號轉(zhuǎn)換，以及與FPGA的接口等三部分，如圖3所示。系統(tǒng)采用LMX2531芯片作為采集模塊的時鐘源，該芯片內(nèi)部集成鎖相環(huán)和壓控振蕩器，可以產(chǎn)生穩(wěn)定且低噪聲的時鐘源，給高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供了高精度采樣時鐘，提高系統(tǒng)采樣的精準度[8]。

圖3 AD采集模塊

2.3 FPGA與AD連接技術(shù)

FPGA與ADC模塊的通信接口可分為配置接口和數(shù)據(jù)接口兩部分。數(shù)據(jù)接口信號形式為低壓差分信號，有24對DATA差分信號。配置接口作用在于數(shù)據(jù)采集前的初始化配置，具體包括矯正值，I/O通道補償值等參數(shù)的設(shè)置。該系統(tǒng)中，ADC08D1000為擴展工作模式，該模式下配置接口采用SPI通信方式完成內(nèi)部寄存器的配置，通信接口包括數(shù)據(jù)輸出接口SDO、數(shù)據(jù)輸入接口SDI、時鐘信號SCLK，以及片選信號SCS等四根信號線。

2.4 單片SDRAM存儲器

瞬間爆炸的壓力信號具有速度變化快，存在時間短的特點。為了在短時間內(nèi)捕獲大量的爆炸壓力信號，所以需要讀寫速度快、存儲容量大的緩存器，系統(tǒng)選擇了SDRAM高速存儲器[9]。系統(tǒng)只使用一片SDRAM，通過對不同的BANK進行實時操作，使得采集數(shù)據(jù)不易丟失，實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速采集。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 負延遲觸發(fā)模式設(shè)計

爆炸沖擊信號是一種高速的瞬態(tài)信號，想要準確的記錄爆炸沖擊信號，采集系統(tǒng)必須具體有同步觸發(fā)功能。當(dāng)采集信號滿足系統(tǒng)所設(shè)定的閾值條件后，采集系統(tǒng)可以根據(jù)采樣值與預(yù)先設(shè)計的閾值自動對爆炸數(shù)據(jù)進行采集，當(dāng)采樣值大于或等于閾值是給出觸發(fā)信號，完成數(shù)據(jù)采集后自動停止[10]。

高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的觸發(fā)方式分為硬件觸發(fā)和軟件觸發(fā)。硬件觸發(fā)具有很強的實時性，可以滿足高速數(shù)據(jù)采集，但是硬件觸發(fā)方式會受到電平噪聲的影響，一些較大的毛刺即有可能觸發(fā)電路工作。系統(tǒng)采用軟件觸發(fā)，通過處理器將采集信號與出發(fā)點閾值相比較，如果為有效數(shù)據(jù)，則開始數(shù)據(jù)的存儲，未達到觸發(fā)條件則不做任何處理。

系統(tǒng)采用軟件觸發(fā)方式中的負延遲觸發(fā)方式，在軟件操作方面設(shè)置一段禁止觸發(fā)區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)，強制限制觸發(fā)產(chǎn)生[11]。如圖4所示，將采集數(shù)據(jù)時間T分t1～t2、t2～t3兩段，將t1～t2設(shè)置為禁觸發(fā)區(qū)，將t2～t3設(shè)置為觸發(fā)區(qū)，采集數(shù)據(jù)在t1～t2已經(jīng)達到數(shù)據(jù)采集要求，但不存入存儲空間，在t2～t3才開始判斷數(shù)據(jù)的觸發(fā)操作，如果采集數(shù)據(jù)持續(xù)有效，則向前讀取負延時長度的采集數(shù)據(jù)以確保有效采集數(shù)據(jù)的精確性。當(dāng)采集數(shù)據(jù)不滿足觸發(fā)條件時，采集操作停止，即在總采集時間T的尾端t3處停止數(shù)據(jù)采集。通過此觸發(fā)方式可以大幅降低觸發(fā)點誤判等問題，有效提高系統(tǒng)的采集精度。

圖4 負延遲觸發(fā)示意

3.2 SDRAM的模塊化設(shè)計

SDRAM具有定時刷新；讀寫操作時需要先激活行；工作之前配置寄存器；以及行列地址復(fù)用等特點。SDRAM工作前先進行初始化設(shè)置，上電后200 μs達到穩(wěn)定狀態(tài)，然后對SDRAM內(nèi)的Bank進行充電，之后進行8次刷新命令，最后對模式寄存器進行設(shè)置。且可以通過對模式寄存器的配置，來實現(xiàn)突發(fā)長度及突發(fā)類型的設(shè)置。并且每隔一段時間都要進行刷新，防止數(shù)據(jù)丟失。

圖5所示是SDRAM的模塊化設(shè)計，分別為FIFO模塊，狀態(tài)控制模塊，讀寫控制模塊，以及頂層模塊。SDRAM頂層模塊只負責(zé)組合邏輯設(shè)計，將下面的三個子模塊連接起來。FIFO模塊分為WR_FIFO模塊和RD_FIFO模塊，此模塊采用異步時鐘的方式進行控制。通過WR_FIFO模塊和RD_FIFO模塊來進行數(shù)據(jù)的寫與讀，可以完成不同時間域之間的數(shù)據(jù)交換。

圖5 SDRAM控制器模塊

SDRAM運行過程中存在多時鐘域的數(shù)據(jù)傳遞，可能發(fā)生延時和時鐘之間的錯位等問題，及產(chǎn)生亞太穩(wěn)定，針對這個現(xiàn)象采用兩個FIFO來存放采集的數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)寫入FIFO中時，當(dāng)寫數(shù)據(jù)有效時，在寫時鐘上升沿處存入數(shù)據(jù)；當(dāng)讀數(shù)據(jù)有效時，從FIFO讀時鐘的上升沿讀出數(shù)據(jù)并寫入SDRAM中。同理可得讀FIFO的操作。

由于SDRAM的數(shù)據(jù)線和地址線只有1組，所以在使用中采集信息的讀寫操作不可能同時進行，所以系統(tǒng)需要采用分時復(fù)用的方法來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集[12]。當(dāng)采集數(shù)據(jù)有效時先進行寫操作，寫操作完成后，讀操作進行，在寫操作與讀操作完成的同時進行BANK的切換。

單片SDRAM不同BANK的工作流程具體是：首先初始化SDRAM，當(dāng)?shù)谝徊ú杉瘮?shù)據(jù)來臨時，將數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)模塊BANK1/2中，第二波采集數(shù)據(jù)來臨時，通過BANK切換單元將數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)模塊BANK3/4中，同時將BANK1/2中數(shù)據(jù)通過BANK切換單元送到數(shù)據(jù)處理模塊進行處理[13]。第二次信息采集時再通過BANK切換單元進行數(shù)據(jù)選擇與輸出，如此循環(huán)，從而實現(xiàn)單片SDRAM的數(shù)據(jù)快速存儲。

3.3 一種改進的曲面擬合方法

瓦斯爆炸實驗中，數(shù)據(jù)采集裝置需要在爆炸瞬間采集實驗數(shù)據(jù)，由于采集時間極短，難以為實驗提供有效的數(shù)據(jù)支撐，即需要一種有效擬合方法對采集的數(shù)據(jù)進行擬合，為實驗提供有力的數(shù)據(jù)支撐。但最小二乘法只適用于幾百個點的小規(guī)模散亂數(shù)據(jù)的三維擬合，對于散亂點達到上千及以上的數(shù)據(jù)擬合，必須采用更加有效的方法。針對這個問題，采用一種自適應(yīng)區(qū)域劃分的方法將大規(guī)模散亂的數(shù)據(jù)進行分塊擬合，然后將各個分塊擬合到同一曲面，得到相對平滑的擬合曲面。

文中曲面擬合的具體實現(xiàn)方程如下：將最小二乘法的曲線擬合加以改進，推廣到三維空間的曲面擬合,給定一組數(shù)組(li,ti,pi),i=0,1,…,n，其中l(wèi)為距離、t為時間、p為壓強，設(shè)雙三次曲面方程為

p=f(l,t)=(A0+A1l+A2l2+A3l3)(B0+B1t+B2t2+B3t3),

可分解為

f(l,t)=C0+C1l+C2t+C3l2+C4lt+C5t2+C6l3+C7l2t+C8lt2+C9t3+C10lt3+C11l2t2+C12l3t+C13l2t3+C14l3t2+C15l3t3,

對于上述雙三次曲面方程，有

與曲線擬合的方法相似，得到式(1)系數(shù)，進而可得散亂數(shù)據(jù)的曲面擬合函數(shù)。

(1)

改進曲面擬合方法如下，首先根據(jù)散亂數(shù)據(jù)的分布情況將數(shù)據(jù)進行劃分，由于數(shù)據(jù)的分布不均勻，為了避免有些區(qū)域數(shù)值過多或者過少，提出了一種基于自適應(yīng)區(qū)域的分解算法。將散點投射區(qū)域一分為二，再根據(jù)每個區(qū)域的數(shù)據(jù)量進行劃分，直到所有區(qū)域滿足要求為止，最終分解為R個區(qū)域，因此原始數(shù)據(jù)也相應(yīng)分成了R個區(qū)域。

其次，對劃分后的每個區(qū)域內(nèi)的散亂數(shù)據(jù)點集Q采用最小二乘法擬合，生成分塊的擬合曲面。由于采用最小二乘法得到的擬合曲面之間的連續(xù)性不強，利用各個區(qū)域的擬合函數(shù)求邊界均值，得到相應(yīng)區(qū)域連接處的函數(shù)值，再利用雙三次曲面插值的方法得到相對平滑的曲面[14]。

經(jīng)過Matlab仿真，得到圖9所示的曲面圖。由圖9可分析出這種改進的曲面擬合方法能夠有效地將采集到的散亂數(shù)據(jù)擬合成相對光滑的曲面，達到預(yù)期效果，即可以為實驗提供豐富的數(shù)據(jù)支撐。

4 實驗與分析

為了驗證該壓力系統(tǒng)測試的可靠性和穩(wěn)定性，在實驗室環(huán)境下做了瓦斯爆炸信號采集的實驗。

4.1 采樣系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)的采樣流程如圖6所示。系統(tǒng)工作后，STM32開始對整個系統(tǒng)進行初始化，配置ADC-ADC08D1000的工作模式、FPGA的采樣參數(shù)以及觸發(fā)條件。收到采樣信號后，通過SPI接口將采樣命令傳給FPGA，F(xiàn)PGA開始控制AD模塊采集信息，同時實時將信息傳送給STM32。同時，系統(tǒng)進入命令檢測等待狀態(tài)，當(dāng)FPGA接收到停止采集命令后，關(guān)閉采集模塊，之后由STM32將數(shù)據(jù)傳送至上位機，完成一次完整采樣。

圖6 系統(tǒng)采樣工作流程

4.2 實驗結(jié)果

以壓力信號采集為例，為了保證數(shù)據(jù)采集的精準度，采集裝置與爆炸點的距離設(shè)置為1.5 m。爆炸數(shù)據(jù)的采集如7圖所示，從圖7可以分析出爆炸250 ms后即在6 m處爆炸壓力達到最大值，且在25 ms與250 ms之間爆炸壓力有大幅波動，250 ms后爆炸壓力急速下降。

圖7 爆炸壓力信號隨距離變化

圖8為采集裝置內(nèi)某點處壓力信號隨時間的變化趨勢。圖9為壓力信號隨時間及距離的變化。由圖9可以分析出瓦斯爆炸產(chǎn)生的壓力信號隨時間及距離變化的曲面相對平滑，說明這種改進的曲面擬合方法能夠有效的將采集到的散亂數(shù)據(jù)擬合成相對光滑的曲面，且采集范圍內(nèi)壓力隨時間和距離的變化符合圖7、8的變化規(guī)律。由以上實驗數(shù)據(jù)可以得出：該系統(tǒng)可以穩(wěn)定準確地采集爆炸所產(chǎn)生的高速信號，達到最初的設(shè)計要求。

圖8 某點壓力信號隨時間變化

圖9 壓力信號隨時間及距離變化

5 結(jié)束語

筆者針對采集裝置的要求，選用高速ADC08D1000芯片，采用單片SDRAM，結(jié)合可編程門陣列和微控制器構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)爆炸數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集運行速度較慢等問題，保證數(shù)據(jù)傳輸速度快，實時處理等要求。并采用改進曲面擬合方法有效地對采集數(shù)據(jù)進行曲面擬合，為實驗提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較高的采集精度，能夠較好的對瓦斯爆炸中的壓力數(shù)據(jù)進行精確采集和擬合，可滿足工程領(lǐng)域中對瞬時信息的采集要求。

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(編輯 晁曉筠 校對 王 冬)

Key technology of gas explosion data acquisition research

YangQingjiang1,XuJianhua1，WeiChunrong2,SunJianhua3

(1.School of Electronics & Information Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 3.School of Mining Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

High speed data acquisition system can provide an accurate and quick record of various physical quantities in the gas explosion experimental device and demonstrates a performance with a direct effect on the occurrence of gas disaster mechanism, evolution characteristics, and propagation law of research conclusion. This paper responding to a very short duration in which an explosive device is measured and a quicker physical change, introduces a system using high speed digital to analog converter, programmable gate array and micro controller as the core to construct signal acquisition, storage, and processing platform. The paper describes how data can be captured and stored quickly in a relatively short period of time using negative delay trigger technology and the ping-pong storage technology of single chip SDRAM and how curved surface fitting of scattered data is rendered possible by an improved method of surface fitting. The results verifies that the device could promise a desired effect thanks to its ability of a better real time multi-channel acquisition and fitting of the pressure in different locations of the gas explosion experimental device.

gas explosion； data collection； high-speed storage； processing platform

2017-04-03

國家自然科學(xué)基金項目(51504086)

楊慶江(1969-)，男，黑龍江省拜泉人，教授，碩士，研究方向：電力電子與電力轉(zhuǎn)動、嵌入式系統(tǒng)，E-mail：yqj@usth.edu.cn。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.03.014

TD712;TN06

2095-7262(2017)03-0270-05

A