基于ARM的聲發(fā)射儀的設(shè)計

摘要：煤巖體因內(nèi)外力作用以及外界環(huán)境因素影響，易發(fā)生滑坡塌陷，災(zāi)害發(fā)生之前會有聲發(fā)射現(xiàn)象，將采集到的煤巖體聲發(fā)射信號進(jìn)行處理和分析，對聲發(fā)射參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，就可以作為煤巖體是否穩(wěn)定的判據(jù)。本文詳細(xì)闡述了基于ARM的聲發(fā)射儀的檢測原理，系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)成。系統(tǒng)的計算速度和實時處理能力快，穩(wěn)定性好，功耗低，適合現(xiàn)場使用。

關(guān)鍵詞：聲發(fā)射 ARM DSP

中圖分類號：TP216文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2012）08（c）-0032-01

煤巖體是一種存在著各種微裂隙，空隙的非均質(zhì)體，這些缺陷位置在外力作用下容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，發(fā)生突然破裂，這時積聚在煤巖中的能量得以釋放并以彈性波的形式向外傳播，產(chǎn)生煤巖體在地應(yīng)力、瓦斯壓力下的聲發(fā)射現(xiàn)象。煤巖體聲發(fā)生檢測技術(shù)就是利用煤巖體受力變形破壞時發(fā)射的聲波和微震信號來檢測判斷煤巖體穩(wěn)定性的方法。

1 檢測原理及檢測參數(shù)

煤巖體在破壞之前，必然持續(xù)一段時間以聲波的形式釋放積蓄的能量，從而產(chǎn)生聲發(fā)射與微震現(xiàn)象，煤巖體能量釋放的強度隨著巖體結(jié)構(gòu)臨近失穩(wěn)而不斷變化，每一個聲發(fā)射與微震信號都包含著巖體內(nèi)部狀態(tài)變化的豐富信息。因此，將采集到的煤巖體聲發(fā)射與微震信號進(jìn)行處理和分析，并對反映巖體穩(wěn)定狀況的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，可作為評價巖體穩(wěn)定狀況的依據(jù)。本系統(tǒng)對采集到的聲發(fā)射與微震信號進(jìn)行處理和分析，主要統(tǒng)計和計算如下參數(shù)：（1）事件頻度。事件頻度的變化反映了煤巖體變形和破壞過程。（2）振幅。振幅的分布可以反映出煤巖體變形和破壞范圍。（3）事件能量。事件能量可以反映煤巖體破裂程度的大小。（4）頻譜分析。分析聲發(fā)射與微震信號在頻域中的特點。（5）震源定位。通過多通道同步數(shù)據(jù)采集來測定各傳感器接收到的聲發(fā)射與微震信號的到達(dá)時刻，并結(jié)合各傳感器坐標(biāo)及煤巖體的實測波速，通過優(yōu)化的定位算法求出震源位置。通過震源位置可以判斷巖體受破壞的主要部位。

2 系統(tǒng)功能及軟硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能

聲發(fā)射傳感器采集的電信號經(jīng)過前置放大濾波后，通過AD轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號進(jìn)入DSP，經(jīng)過數(shù)字濾波、特征參數(shù)提取和對參數(shù)的分析評價等數(shù)字信號處理后，判斷得出煤巖體是否穩(wěn)定，若不穩(wěn)定，向ARM發(fā)出信息，ARM進(jìn)一步通過揚聲器進(jìn)行報警。系統(tǒng)通過液晶顯示和鍵盤實現(xiàn)人機交互。鍵盤主要完成系統(tǒng)啟動，復(fù)位和關(guān)閉功能。通過液晶顯示屏設(shè)置設(shè)備的工作參數(shù)，實時顯示檢測所得的相關(guān)特征參數(shù)和實時波形。基于ARM的聲發(fā)射檢測系統(tǒng)可實現(xiàn)如下功能：（1）進(jìn)行實時聲發(fā)射檢測。首先采集、傳輸、放大和量化聲發(fā)射信號；接著對聲發(fā)射信號的濾波去噪聲；然后提取聲發(fā)射信號的特征參數(shù)；最后分析評價聲發(fā)射信號的特征參數(shù)；出現(xiàn)煤巖不穩(wěn)定時實時報警。（2）進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。頻率范圍可調(diào)；檢測精度可調(diào)。（3）實現(xiàn)人機交互。鍵盤輸入；液晶顯示輸出。

2.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.2.1 嵌入式處理器

系統(tǒng)采用三星公司S3C2410作為核心處理器，S3C2410基于ARM920T內(nèi)核，采用了5級指令流水線，處理器運行的時鐘頻率最高可以達(dá)到203MHz；存儲器系統(tǒng)根據(jù)哈佛體系結(jié)構(gòu)重新設(shè)計，擁有獨立的數(shù)據(jù)緩存和指令緩存；帶有MMU（存儲器管理單元），支持有虛擬存儲器功能的操作系統(tǒng)。ARM內(nèi)核提供AHB和APB總線連接外圍設(shè)備。

2.2.2 DSP協(xié)處理器

若采用單一的ARM處理器，在一些計算量大的場合和對實時性能要求高的場合不能適應(yīng)。特別是本設(shè)計中，嵌入式聲發(fā)射信號的檢測和分析算法中需要大量的卷積運算，而DSP提供的MAC運算單元能保證一次乘累加處理可在一個時鐘周期內(nèi)完成，為系統(tǒng)提供了實時計算的保障。因此本系統(tǒng)采用了ARM加DSP的雙處理器系統(tǒng)架構(gòu)。

2.2.3 信號采集模塊

信號采集模塊完成信號的采集，轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送給DSP處理。本模塊由聲發(fā)射傳感器，濾波器，放大器和A/D轉(zhuǎn)換器組成。聲發(fā)射傳感器將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)濾波器濾波，這里濾波器采用變參數(shù)的可編程結(jié)構(gòu)，可根據(jù)現(xiàn)場信號對抗混淆濾波的需要，選擇500Hz、1KHz、2KHz、2.5KHz、5KHz等不同截止頻率。放大器也采用放大倍數(shù)可編程放大器，根據(jù)現(xiàn)場信號的幅值選擇放大倍數(shù)為1倍、2倍、5倍、10倍等。經(jīng)過濾波放大后的模擬信號送A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)采樣頻率根據(jù)現(xiàn)場信號的頻率可選擇1KHZ、5KHZ、10KHZ、20KHZ、40KHZ和60KHZ。

2.2.4 存儲模塊

存儲模塊的內(nèi)存部分選用兩片三星K4S561632，構(gòu)成32位SDRAM，容量為64MB；選用三星的K9F1208作為固態(tài)存儲器，存放程序和存儲數(shù)據(jù)。

2.2.5 輸入輸出模塊

S3C2410支持4K色彩的STN和256K色的TFT液晶以及觸摸屏。在本嵌入式聲發(fā)射檢測儀中，采用標(biāo)準(zhǔn)256K色TFTLCD和觸摸屏接口。

2.2.6 USB接口模塊

在嵌入式聲發(fā)射檢測儀中，通過USB接口可以方便地把采集到的聲發(fā)射的原始數(shù)據(jù)、分析結(jié)果通過u盤轉(zhuǎn)存。

2.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本設(shè)計是基于32位RISCCPU的嵌入式系統(tǒng)，一般其軟件結(jié)構(gòu)包括嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和啟動引導(dǎo)程序（BootLoader）三部分。

2.3.1 嵌入式操作系統(tǒng)

Linux是一個自由發(fā)布的、類UNIX的操作系統(tǒng)內(nèi)核。只要遵循GPL協(xié)議，任何人都可以不需額外費用得到其源代碼。因此Linux成為眾多中、低端嵌入式產(chǎn)品的首選。本系統(tǒng)選擇Linux作為嵌入式聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。

2.3.2 Bootloader

Bootloader是系統(tǒng)上電后執(zhí)行的第一段代碼，它的任務(wù)是完成系統(tǒng)中基本硬件的初始化，然后啟動操作系統(tǒng)，最后將系統(tǒng)的控制權(quán)交給操作系統(tǒng)。如果沒有它，嵌入式Linux操作系統(tǒng)就不能運行。Bootloader需要與特定操作系統(tǒng)和嵌入式處理器相匹配。由于本系統(tǒng)使用的是Linux和S3C2410處理器，使用VIVI作為嵌入式linux的Bootloader。

2.3.3 應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件的圖形用戶界面的開發(fā)是基于QtE的，軟件主要包括信號采集，參數(shù)設(shè)置，特征參數(shù)顯示，波形顯示，頻譜分析和保存數(shù)據(jù)模塊。

3 結(jié)語

嵌入式聲發(fā)射檢測儀是將放大后的聲發(fā)射信號直接進(jìn)行高速A/D轉(zhuǎn)換提取聲發(fā)射特征量，數(shù)字信號的抗干擾性好，信息能夠準(zhǔn)確地發(fā)送，傳遞無畸變，克服了因模擬器件帶來的噪聲或飽和失真，從而保證了儀器的可靠性。ARM加DSP的雙處理器系統(tǒng)架構(gòu)，使得系統(tǒng)的計算速度和實時處理能力進(jìn)一步提高。

參考文獻(xiàn)

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