張沖沖,史艷楠,2，3，姜帥帥，趙 昊

(1.河北工程大學(xué)機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北邯鄲 056038；2.河北省煤炭生態(tài)保護(hù)開采產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北邯鄲 056038；3.邯鄲市智能車輛重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北邯鄲 056038)

0 引言

采礦活動(dòng)引起的礦井突水動(dòng)力災(zāi)害直接威脅煤礦安全生產(chǎn) ，礦井突水的形成和發(fā)生有自然變化過程，這一變化過程中的不同階段都伴隨著巖石破裂產(chǎn)生微小震動(dòng)信號(hào)[1-4]。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)通過對(duì)礦井突水及突水通道形成過程中巖石破裂產(chǎn)生的微小震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集、處理和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井突水事件的實(shí)時(shí)、連續(xù)、全空間、超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。微震信號(hào)的采集作為其中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)礦井突水事件的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性至關(guān)重要。因此，研發(fā)通用性強(qiáng)、可靠性高的微震信號(hào)采集系統(tǒng)，提高微震信號(hào)獲取的全面性和準(zhǔn)確性，對(duì)指導(dǎo)煤礦微震事件預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的精確性和保障煤炭安全開采具有重要的意義。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及突水機(jī)理的深入研究，一系列的微震信號(hào)采集系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。文獻(xiàn)[5-6]通過使用國外成熟的ISS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和SOS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集和監(jiān)測(cè)微震信號(hào)，使微震信號(hào)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的傳輸?shù)较到y(tǒng)中，顯著提高了定位精度。文獻(xiàn)[7]采用DSP技術(shù)設(shè)計(jì)了微震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用TL16C550C芯片實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)串口傳輸，同時(shí)一定程度的減少了軟件編程量。文獻(xiàn)[8-10]設(shè)計(jì)了一種以FPGA為核心的微震信號(hào)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了調(diào)理電路的自動(dòng)化調(diào)節(jié)，具有信號(hào)信噪比高、失真度小等優(yōu)點(diǎn)。但上述系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在價(jià)格貴、通用性差、編程復(fù)雜等問題。在上述文獻(xiàn)收集和分析的基礎(chǔ)上，本文基于STM32和LabVIEW設(shè)計(jì)了煤礦微震采集平臺(tái)，該平臺(tái)以STM32F107作為控制核心，LabVIEW作為交互平臺(tái)的開發(fā)工具，可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集微震信號(hào)，且具有較好的可靠性和通用性，開發(fā)成本低，為微震事件的識(shí)別與定位分析提供了方案。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

煤礦微震信號(hào)采集系統(tǒng)主要由STM32F107主控芯片、信號(hào)調(diào)理模塊、通訊模塊、電源模塊及人機(jī)交互平臺(tái)等組成，如圖1所示。該系統(tǒng)主要對(duì)煤礦煤層巖體破壞產(chǎn)生的微小震動(dòng)信號(hào)的采集，實(shí)時(shí)、快速的為微震事件的分析、定位提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)煤礦突水事件的超前預(yù)測(cè)，確保煤礦安全生產(chǎn)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

信號(hào)調(diào)理模塊由3種可編程、低功耗的CS3301、CS5372、CS5376芯片組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波處理；通訊模塊設(shè)計(jì)有RS485總線接口，用于STM32F107主控芯片和人機(jī)交互平臺(tái)的信息傳遞；同時(shí)考慮到采集平臺(tái)外接傳感器較多、存在一定的功耗、煤礦井下對(duì)電氣設(shè)備的安全性要求高等因素，本文采用了KDW660-18B防爆安全型礦用電源，并設(shè)計(jì)了電壓轉(zhuǎn)換電路；人機(jī)交互平臺(tái)是在LabVIEW軟件中開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的通訊、解析、顯示、儲(chǔ)存和回放的功能。

2 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32F107主控芯片模塊

本文選用STM32F107系列作為主控芯片，其具有優(yōu)秀的控制性、協(xié)同性和低能耗的特點(diǎn)，同時(shí)具有高集成和易開發(fā)特性，擁有較多的I/O接口和外部組件，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，使整個(gè)系統(tǒng)更容易擴(kuò)展和升級(jí)，提高了系統(tǒng)的可靠性及通用性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器信號(hào)的采集、儲(chǔ)存、通訊等控制功能。

STM32F107主控芯片模塊主要包括STM32F107主控芯片、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、濾波電路、工作狀態(tài)顯示電路、儲(chǔ)存電路等組成，其各電路如圖2所示。STM32內(nèi)部時(shí)鐘的振蕩器受溫度的影響會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，導(dǎo)致頻率精度較低，因此本文采用高精度壓電型的25 MHz晶振，有效避免時(shí)鐘頻率不穩(wěn)定的問題。同時(shí)，采集系統(tǒng)由多個(gè)傳感器共同采集數(shù)據(jù)，需要緩存大量數(shù)據(jù)，本文采用32G容量的FLASH來緩存和儲(chǔ)存采集到的原始數(shù)據(jù)。

圖2 STM32F107主控芯片模塊

2.2 信號(hào)調(diào)理模塊

傳感器輸出的微震信號(hào)為mV級(jí)的模擬信號(hào)，不利于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，且達(dá)不到STM32主控芯片的信號(hào)輸入范圍。因此，本文采用了CS3301、CS5372、CS5376芯片作為信號(hào)采集系統(tǒng)的調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器采集信號(hào)的放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)字濾波等處理，使傳感器信號(hào)能夠被平臺(tái)所接收。信號(hào)調(diào)理模塊如圖3所示。

圖3 信號(hào)調(diào)理模塊

放大電路選用低信噪比、極小總諧波失真率的CS3301作為遠(yuǎn)算放大器，其具有的差分輸入可以實(shí)現(xiàn)高共模抑制比，且內(nèi)部的7種增益模式，實(shí)現(xiàn)了高增益，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)能力。放大后的信號(hào)仍是高信噪比的模擬信號(hào)，不能被STM32F107主控芯片所采集，因此，本文采用了CS5372和CS5376芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和濾波處理，其轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到127 dB及濾波器內(nèi)Sinc、FIR、IIR等數(shù)字濾波器組合濾波，滿足了信號(hào)采集的精度要求。同時(shí)，利用芯片的可編程性，可以將某一通道作為標(biāo)準(zhǔn)，保證各采集通道的一致性，增加了系統(tǒng)的適應(yīng)性。

2.3 RS485通訊模塊

為了能夠更加直觀的觀測(cè)到采集的微震數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需要把采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示平臺(tái)上，本文采用基于Modbus協(xié)議的RS485總線通信，其傳輸速率根據(jù)傳輸距離增加可以實(shí)現(xiàn)在10 Mbit/s到100 kbit/s之間變化，在理想條件下傳輸距離可以達(dá)到1 200 m，適合煤礦井下長距離傳輸。RS485模塊采用總線型結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)單路32個(gè)節(jié)點(diǎn)的串接，簡(jiǎn)化了布線的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了長距離多站點(diǎn)通信，同時(shí)，采用半雙工通訊節(jié)省了通信成本，采用雙絞線傳輸，提高了共模干擾的抑制能力，保證了信號(hào)的質(zhì)量。RS485通訊模塊如圖4所示。

圖4 RS485通訊模塊

2.4 電源模塊

采集系統(tǒng)中各模塊都需要電源的支持，電源模塊供電的穩(wěn)定性會(huì)直接影響到系統(tǒng)采集信號(hào)的精度，嚴(yán)重情況下，不但系統(tǒng)會(huì)有大量噪聲，而且會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)模塊的損壞以及火災(zāi)發(fā)生，影響井下煤礦安全性。為滿足安全設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)選用具有過壓和過流保護(hù)功能的KDW660-18B防爆安全型礦用電源，可直接提供18 V穩(wěn)定直流電壓，而STM32F1及其他芯片需要DC 5 V和3.3 V電壓，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電壓轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 電壓轉(zhuǎn)換電路

本文通過LMS2575穩(wěn)壓芯片設(shè)計(jì)了18 V到5 V的降壓電路，該芯片內(nèi)部集成有一個(gè)高性能的振蕩器，對(duì)電路有較好穩(wěn)壓效果，還能防止電流過大產(chǎn)生的過熱和過載的問題，能夠提供穩(wěn)定的電壓輸出。5 V到3.3 V的降壓電路的設(shè)計(jì)使用了LM1117穩(wěn)壓芯片，在其穩(wěn)壓芯片的輸入和輸出端分別接入大小不同的電容，可以穩(wěn)定電源并實(shí)現(xiàn)電源造成低頻噪聲的濾除，同時(shí)減少高頻信號(hào)回路的高頻電阻并濾除高頻噪聲。

3 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括主程序、通訊程序和人機(jī)交互平臺(tái)程序。

3.1 主程序

主程序是STM32程序最先運(yùn)行的部分，首先是進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，包括放大倍數(shù)、ADC、濾波方法、串口參數(shù)等。然后系統(tǒng)進(jìn)入到對(duì)單片機(jī)I/O串口的循環(huán)檢測(cè)，判斷輸入端口是否有信號(hào)輸入，如果有，由單片機(jī)將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給人機(jī)交互平臺(tái)進(jìn)行顯示、儲(chǔ)存等。硬件主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3.2 通訊程序

本平臺(tái)的采集硬件與人機(jī)交互平臺(tái)是通過采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議的RS485串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。首先需要配置串口的參?shù)，然后等待程序中斷，程序的中斷時(shí)使用USART_IRQHandler()函數(shù)觸發(fā)，如果程序觸發(fā)接收中斷，則程序執(zhí)行prvvUARTRxISR()函數(shù)里的內(nèi)容開始接受數(shù)據(jù)，并將接收的數(shù)據(jù)通過USART_SendData()函數(shù)發(fā)送至串口當(dāng)中，人機(jī)交互平臺(tái)不斷讀取串口中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互平臺(tái)與STM32之間的通信。通訊程序流程圖如圖7所示。

圖7 通訊程序流程圖

3.3 通訊程序

人機(jī)交互平臺(tái)利用LabVIEW平臺(tái)進(jìn)行搭建，主要對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行接收和校驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、儲(chǔ)存、回放等功能。在對(duì)微震信號(hào)顯示軟件搭建的過程中，數(shù)據(jù)傳輸需要順序經(jīng)過數(shù)據(jù)接收、解析和顯示過程，如果采用順序采集，數(shù)據(jù)的接收需要等到數(shù)據(jù)傳輸完成才能進(jìn)行下一次接收，這樣不僅增加了采集周期，而且會(huì)使采集數(shù)據(jù)堆疊。因此本文采用并行循環(huán)和隊(duì)列技術(shù)，通過并行的方式使各個(gè)模塊能夠同時(shí)且獨(dú)立的運(yùn)行，且通過隊(duì)列技術(shù)實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊之間的通訊，但又不產(chǎn)生干涉，避免了各模塊之間處理數(shù)據(jù)速度不一致時(shí)造成數(shù)據(jù)的丟失或數(shù)據(jù)的重復(fù)利用等問題。

3.3.1 數(shù)據(jù)接收與解析程序

數(shù)據(jù)的接收和采集是軟件部分的關(guān)鍵，是信號(hào)進(jìn)入軟件系統(tǒng)的閥門，其工作是否正常直接影響著數(shù)據(jù)顯示的功能。本文采用了串口通訊，而LabVIEW有2種方法實(shí)現(xiàn)串口通訊，一種是利用標(biāo)準(zhǔn)串口通訊函數(shù)在VC++、VB中開發(fā)動(dòng)態(tài)鏈接庫函數(shù)(DLL)供LabVIEW調(diào)用實(shí)現(xiàn)，另一種是通過VISA函數(shù)實(shí)現(xiàn)，其中VISA函數(shù)編程簡(jiǎn)單、程序可移植性強(qiáng)、易維護(hù)，可以縮短開發(fā)周期，因此選用VISA函數(shù)來實(shí)現(xiàn)串口通訊[12]。首先通過VISA配置資源函數(shù)設(shè)置串口的波特率為9 600、數(shù)據(jù)位為8位、停止位為1位，然后通過VISA串口字節(jié)數(shù)對(duì)緩沖數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并發(fā)送給VISA讀取函數(shù)，使其能夠讀取到完整的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，讀取完成后VISA關(guān)閉函數(shù)結(jié)束出口數(shù)據(jù)的采集和讀取，并釋放函數(shù)空間。同時(shí)，通過8個(gè)布爾函數(shù)作為通道串口的開關(guān)，來控制各個(gè)串口的通斷。由于平臺(tái)使用數(shù)據(jù)幀的方式進(jìn)行通訊，具體包括2字節(jié)的幀頭、4字節(jié)的數(shù)據(jù)、1字節(jié)的校驗(yàn)和1字節(jié)的幀尾。當(dāng)VISA Read函數(shù)將讀取到的串口緩存字符串轉(zhuǎn)化成字節(jié)數(shù)組，系統(tǒng)并不能直接提取有用的信息，所以需要數(shù)據(jù)解析模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的幀頭識(shí)別、數(shù)據(jù)提取和幅值轉(zhuǎn)換等操作。數(shù)據(jù)接收和解析的程序如圖8所示。

(a)數(shù)據(jù)接收程序

3.3.2 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與回放程序

為了方便系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理分析和歷史數(shù)據(jù)查詢，需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存。本文利用LabVIEW平臺(tái)中TDMS文件進(jìn)行數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和讀取，能夠快速、安全、高效的儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，其二進(jìn)制儲(chǔ)存格式使數(shù)據(jù)的讀寫速度和占用內(nèi)存大小都得到提升[13]，并且Excel也能加載該文件格式，方便實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的查看和處理。因此使用TDMS文件設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)儲(chǔ)存程序，首先通過TDMS打開vi創(chuàng)建新的TDMS文件,并對(duì)文件的儲(chǔ)存路徑和操作方式進(jìn)行設(shè)置；同時(shí)為了標(biāo)識(shí)每組數(shù)據(jù)，通過TDMS寫入vi定義數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的時(shí)間及時(shí)間間隔；然后通過TDMS寫入vi把采集的信號(hào)寫入儲(chǔ)存文件，并定義寫入vi的組名和通道名，確定TDMS文件數(shù)據(jù)的名字和格式。最后通過TDMS關(guān)閉vi完成對(duì)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存。而數(shù)據(jù)回放程序是為了對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢及總結(jié)，通過讀取已存數(shù)據(jù)，并將其重新復(fù)現(xiàn)顯示的過程。由于儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)是一種帶標(biāo)識(shí)的二進(jìn)制TDMS文件，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)回放時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)用戶制定的時(shí)間點(diǎn)從儲(chǔ)存數(shù)據(jù)中數(shù)組元素所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻開始回放波形，直到最后一個(gè)數(shù)據(jù)或用戶指定結(jié)束時(shí)間點(diǎn)。數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與回放程序如圖9所示。

(a)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存程序

4 系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試

本文研究的煤礦微震采集平臺(tái)為井下微震信號(hào)提供了一個(gè)直觀的顯示平臺(tái)，平臺(tái)顯示界面如圖10所示。

圖10 平臺(tái)顯示界面

為了驗(yàn)證煤礦微震采集平臺(tái)的有效性和穩(wěn)定性，將搭建好的系統(tǒng)放置在平坦且干擾少的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試。將微震傳感器埋入地下，利用系統(tǒng)采集地下天然產(chǎn)生的微弱振動(dòng)，由于微震信號(hào)的振幅一般為mV級(jí)，信號(hào)容易被其他噪聲污染，為了減小影響因素，選取深夜進(jìn)行信號(hào)的采集，信號(hào)經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波處理后，顯示的波形如圖11所示，從圖11可以看出，該平臺(tái)能夠采集到mV級(jí)的微震信號(hào)，由此可以得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍為：

圖11 信號(hào)采集波形

(1)

計(jì)算結(jié)果表明該平臺(tái)能夠采集到較大動(dòng)態(tài)范圍的微震信號(hào)。同時(shí)，從圖11可以看出，系統(tǒng)在信號(hào)發(fā)生突變時(shí)沒有出現(xiàn)削波現(xiàn)象，因此該平臺(tái)能夠?qū)ν蛔兊奈⒄鹦盘?hào)快速調(diào)整。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證煤礦微震采集平臺(tái)的可靠性，使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率的混合波形，并輸入到系統(tǒng)的采集模塊，再選取同一時(shí)間段的采集信號(hào)與發(fā)生器信號(hào)的1 024個(gè)數(shù)值進(jìn)行皮爾遜相關(guān)分析，其計(jì)算公式為：

(2)

式中：N為變量取值個(gè)數(shù)；Xi、Yi為2信號(hào)的變量值。

經(jīng)過計(jì)算得出2信號(hào)的相關(guān)系數(shù)為0.943 7，而相關(guān)系數(shù)在(0.8,1.0]之間表示2信號(hào)極強(qiáng)相關(guān)，即信號(hào)相似度高，因此結(jié)果表明微震信號(hào)采集系統(tǒng)可以準(zhǔn)確采集到微震信號(hào)，并且具有較高的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

本文介紹了煤礦微震采集平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了可編程調(diào)理電路與STM32F107相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集電路，通過LabVIEW平臺(tái)搭建了微震信號(hào)顯示軟件，利用平臺(tái)的圖形化編程環(huán)境和大量的函數(shù)庫提高了系統(tǒng)開發(fā)效率，采用并行循環(huán)和隊(duì)列技術(shù)將功能模塊化，易于用戶操作，同時(shí)保證了程序的可重用性和可擴(kuò)展性。系統(tǒng)試驗(yàn)效果表明，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)微震信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和儲(chǔ)存，能夠采集寬動(dòng)態(tài)范圍的微震信號(hào)，并實(shí)時(shí)地以波形顯示，直觀明了，且運(yùn)行的穩(wěn)定性好、可靠性高，系統(tǒng)地開發(fā)為微震事件的識(shí)別與準(zhǔn)確定位提供了解決方案。