基于iMx6UL與時鐘同步技術(shù)的微震監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

孫學波，陳發(fā)兵，王元杰

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采設(shè)計研究分院，北京 100013)

沖擊地壓，是一種巖體中聚積的彈性變形勢能在一定條件下突然猛烈釋放，導致煤巖爆裂并彈射出來的現(xiàn)象，常常引發(fā)頂板事故，破壞井巷，并造成人員傷亡，毀壞設(shè)備，污染作業(yè)環(huán)境，嚴重影響煤礦生產(chǎn)與人員的生命。目前，隨著我國煤礦開采深度的不斷增加，沖擊地壓災害呈現(xiàn)越來越嚴重的發(fā)展態(tài)勢，給煤礦安全生產(chǎn)和廣大煤礦職工的生命安全造成了極大的威脅[1-4]。

隨著礦山數(shù)字化，信息化的發(fā)展，微震監(jiān)測技術(shù)在沖擊地壓突出的礦山應用非常廣泛，成為監(jiān)測微震發(fā)生的一項重要技術(shù)[5，6]。

微震監(jiān)測技術(shù)主要是通過振動傳感器采集煤巖體破裂過程中釋放的振動信號，經(jīng)過對數(shù)據(jù)的拾取、傳輸、計算后進行定位與能量計算，確定振動源的位置與能量等級，為煤礦開采沖擊地壓產(chǎn)生的傾向性評價與預防提供了重要手段。

目前，國內(nèi)的微震監(jiān)測系統(tǒng)以進口為主，有波蘭EMAG采礦電氣自動化研究與發(fā)展公司生產(chǎn)的ARAMIS微震監(jiān)測系統(tǒng)、波蘭礦山研究總院采礦地震研究所生產(chǎn)的SOS微震監(jiān)測儀、南非ISSI公司生產(chǎn)的ISS高精度微震采集系統(tǒng)、加拿大工程微震集團公司生產(chǎn)的ESG等。這些微震監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)點是精度高，但缺點是價格昂貴，系統(tǒng)維護難度大。隨著國內(nèi)各高校與科研機構(gòu)對沖擊地壓持續(xù)關(guān)注與科研的投入，微震監(jiān)測儀器的國產(chǎn)化也得到發(fā)展，但縱觀國內(nèi)設(shè)備，普遍采用低速的微處理器，具有時間同步精度低，定位誤差大、系統(tǒng)不穩(wěn)定等缺點[7-11]。為此，筆者設(shè)計了一款基于高速ARM為處理器的高精度微震監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用Linux為操作系統(tǒng)，Linux集成了支持IEEE1588的網(wǎng)絡通訊協(xié)議，傳感器數(shù)據(jù)采集選用了24位高精度AD轉(zhuǎn)換器，滿足微震監(jiān)測系統(tǒng)高精度與高實時性的要求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由磁電傳感器、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集儀、網(wǎng)絡交換機、計算機等構(gòu)成。磁電傳感器拾取煤礦現(xiàn)場震動信號后傳遞給網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集儀，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集儀同時對6路傳感器的信號進行AD量化采集，在系統(tǒng)網(wǎng)絡時間同步機制下，各數(shù)據(jù)采集儀根據(jù)同步時間把同一時刻的數(shù)據(jù)送入光纖環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)中的地面計算機接收到網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)分析，鑒別出異常數(shù)據(jù)后打包存儲。當?shù)贸鲆幌盗蟹衔⒄饡r間算法的數(shù)據(jù)后，調(diào)用后臺的定位與能量算法軟件，得出目標位置和能量信息，為沖擊地壓的評估與預測提供依據(jù)[12-15]。整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微震監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

微震監(jiān)測系統(tǒng)主要有傳感器、數(shù)據(jù)采集器、環(huán)網(wǎng)交換機以及上位機等組成。傳感器獲取微震信號后傳輸給數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器對信號進行濾波、放大后進入數(shù)據(jù)采集器的AD轉(zhuǎn)換通道，數(shù)據(jù)采集器的主處理器把模擬量的傳感器信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。同時，數(shù)據(jù)采集器通過IE1588協(xié)議對自身系統(tǒng)進行網(wǎng)絡校時，使處于網(wǎng)絡內(nèi)的各數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)時間精確同步。當主處理器采集完數(shù)據(jù)后，再把當前數(shù)據(jù)賦予實時時間戳后通過網(wǎng)絡上傳到地面計算機。這樣，計算機每次接收到的各采集器數(shù)據(jù)都是各儀器在同一時刻接收到震動信號數(shù)據(jù)，因而數(shù)據(jù)采集器所連接傳感器的位置到震源位置的信號時間差相對精確度高，保證定位算法的準確性。數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 傳感器設(shè)計

該系統(tǒng)選用速度型磁電式傳感器，這種傳感器利用電磁感應的原理，將機械振子的機械運動轉(zhuǎn)化為易于測量電信號，屬于無源式電傳感器，適合動態(tài)測量。由于速度型磁電式傳感器輸出功率大，靈敏度高，后續(xù)匹配電路簡單，所以得到廣泛應用。

根據(jù)電磁感應原理，磁電式傳感器有兩種結(jié)構(gòu)類型：變磁通式和恒磁通式，在恒磁通式結(jié)構(gòu)中，工作氣隙中的磁通恒定，感應電勢是由于永久磁鐵與線圈之間具有相對運動：線圈切割磁力線而產(chǎn)生。恒磁通式結(jié)構(gòu)也分兩種結(jié)構(gòu)類型：動圈式和動鐵式。該系統(tǒng)選用的傳感器為動鐵式，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 微震傳感器原理結(jié)構(gòu)圖

動圈式傳感器的結(jié)構(gòu)特點為軸向充磁的圓柱形磁鋼與殼體固定，殼體固定在基座上，磁鋼與殼體為固定部件，纏繞線圈的支架與頂桿組成可動部件，線圈經(jīng)彈簧支撐懸掛在空氣中。頂桿的一端帶動線圈轉(zhuǎn)動切割磁感應而產(chǎn)生電動勢，電信號通過引線輸出。但引線也有運動速度，故在工作過程中接頭處容易損壞，影響動圈型磁電傳感器的可靠性與使用壽命。同時，動圈式傳感器需要一個勻強磁場環(huán)境，以保證傳感器的線性特性，因而設(shè)計該類傳感器時容易受體積、重量、及內(nèi)電阻等因素限制。而動磁鐵型磁電傳感器則很好地克服了上述動圈式傳感器的缺點，同時，該傳感器具有穩(wěn)定、輸出特性好、容易設(shè)計、靈敏度高等特點。

故該系統(tǒng)傳感器選用動鐵式磁電傳感器。

2.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)計

數(shù)據(jù)采集器負責采集各震動傳感器的微電壓信號，再對信號進行放大、濾波與AD采樣。然后采集器的微處理器把當前采樣時間信號和AD采樣值按既定協(xié)議封裝成一幀數(shù)據(jù)上傳到地面計算機中。

2.2.1 高精度數(shù)據(jù)采集器AD采樣電路設(shè)計

數(shù)據(jù)采集器的采樣電路選用24位精度的采樣芯片ADS1278，ADS1278通過8個獨立的并行ADC實現(xiàn)8個輸入通道信號的轉(zhuǎn)換，每個ADC由先進的6階斬波Δ-Σ調(diào)制器進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。同步采樣速率可達144kS/s，且內(nèi)置的高階穩(wěn)態(tài)斬波調(diào)節(jié)器實現(xiàn)了非常低的漂移和帶內(nèi)噪聲。在62kHz帶寬時信噪比(SNR)可達111dB，失調(diào)漂移為0.8μV/℃，增益漂移為1.3×10-6/℃；

AD1274支持高精度、高速、低功耗、低速四種工作模式，4種可選工作模式：高速模式為128ks/s，信噪比106dB；高精度模式為52ks/s，信噪比111dB；低功耗模式為52ks/s，31 mW/通道；而低速模式為10ks/s，7mW/通道；在經(jīng)過對速度、精度與功耗的多方面對比考慮后，該系統(tǒng)選用高精度模式。

傳感器信號調(diào)理電路由共模濾波器ZJYS51R5-2P TDK和可編程增益放大器PGA280AIPW構(gòu)成，共模濾波器實現(xiàn)對傳感器輸出信號的共模噪音去除，因為在長距離模擬信號傳輸過程中，抑制電路的傳導噪聲對系統(tǒng)來說至關(guān)重要，一個沒有噪音干擾的電路能夠完整地輸出傳感器的真實信號，若傳感線路的噪音過大，真實的傳感器信號很可能被淹沒或異化成其它性質(zhì)的信號，使傳感電路失去應有的功能。在傳感器信號傳播電路中，根據(jù)傳輸特性產(chǎn)生分成兩類：差模噪聲和共模噪聲。差模噪聲是當兩條電源線的電流方向互為相反時發(fā)生的，而共模噪聲是當所有電源線的電流方向相同時發(fā)生的。一般而言，共模是最大難題，這是由雜散電容的不當接地造成的。減小共模傳導噪音的方法是在信號線或電源線中串聯(lián)共模共模扼流圈進行去除，濾去共模傳導噪聲。ZJYS51R5-2P能夠消除傳輸信號中的失真噪聲，對于非噪音的低頻傳感器信號(4～600Hz微震信號)具有很好低通特性，保證輸出傳感器信號的真實性，在實際應用中得到很好體現(xiàn)。

可編程增益放大器實現(xiàn)對輸入信號的放大再送入AD轉(zhuǎn)換器進行AD轉(zhuǎn)換。

2.2.2 處理器iMx6UL控制電路設(shè)計

處理器iMx6UL是整個采集儀的核心部分，它首先對傳感器部分的模擬信號轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后再通過TCP/IP協(xié)議上傳到微震設(shè)備主機進行信號分析。在數(shù)字信號傳輸之前，處理器還需要通過網(wǎng)絡對系統(tǒng)時間進行同步校時，當本機通過時間同步后再對傳感器數(shù)據(jù)打上時間戳進行數(shù)據(jù)上傳，這樣就實現(xiàn)了分布式傳感器的數(shù)據(jù)同步，進而實現(xiàn)微震數(shù)據(jù)的精確定位。

iMx6UL是一個高性能、超高效處理器系列，采用先進的Arm? Cortex?-A7內(nèi)核，運行速度高達696MHz。iMx6UL應用處理器包括一個集成的電源管理模塊，降低了外接電源的復雜性，并簡化了上電時序。每個處理器提供多種存儲器接口，其中包括16位LPDDR2、DDR3、DDR3L、原始和管理的NAND閃存、NOR閃存、eMMC、Quad SPI和各種其他接口，用于連接外圍設(shè)備。集成了兩個10/100以太網(wǎng)，支持IEEE 1588協(xié)議。

2.2.3 網(wǎng)絡通訊接口的設(shè)計

微震監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器信號經(jīng)過AD采集后進入iMx6UL處理器，處理器運行Linux操作系統(tǒng)，Linux系統(tǒng)集成了IEEE1588時間同步協(xié)議，經(jīng)過IEEE1588時間校正的數(shù)據(jù)通過以太環(huán)網(wǎng)上傳到微震監(jiān)測主機。

iMX6UL上有兩個以太網(wǎng)接口，這兩個接口的差分信號一個直接來自iMX6UL的以太網(wǎng)管腳。另外一個來自擴展的PHY，兩個10/100以太網(wǎng)端口完全符合IEEE 802.3/802.3u快速以太網(wǎng)標準。iMx6UL以太網(wǎng)口電路圖如圖4所示。

以太網(wǎng)口PHY物理層芯片使用LAN8720芯片。LAN8720是低功耗的10/100M以太網(wǎng)PHY層芯片，I/O引腳電壓符合IEEE802.3-2005標準，支持通過RMII接口與以太網(wǎng)MAC層通信，內(nèi)置10-BASE-T/100BASE-TX全雙工傳輸模塊，支持10Mbps和100Mbps。

圖4 iMx6UL以太網(wǎng)口電路圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集儀嵌入式Linux操作系統(tǒng)

嵌入式Linux操作系統(tǒng)以其內(nèi)核高效穩(wěn)定、源碼開放、內(nèi)核模塊可裁剪、模塊可重復利用等特點受到廣大開發(fā)者的青睞。同時，Linux也集成了TCP/IP協(xié)議、PTP協(xié)議、TFP等協(xié)議，開發(fā)者只要根據(jù)需要使用就可以，不必再編寫協(xié)議代碼。該系統(tǒng)的ARM處理器iMx6UL平臺移植了Linux系統(tǒng)，并選用了PTP協(xié)議在Linux平臺，并移植了底層的PTP的驅(qū)動。

若要使用Linux操作系統(tǒng)在iMx6UL平臺使用，需要做以下幾步移植：

1)搭建交叉開發(fā)環(huán)境。嵌入式Linux的開發(fā)一般在上位機上開發(fā)，開發(fā)完成后放到目標機器上運行，因此需建立一個嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境。

2)bootloader的選擇和移植。bootloader就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段小程序。通過這段小程序，可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準備好正確的環(huán)境。

3)kernel的配置、編譯、和移植。先將將下載好的Linux-2.6.35.tar.bz2拷貝到主目錄下解壓，修改頂層目錄下的Makefile(主要修改平臺的體系架構(gòu)和交叉編譯器)，然后配置內(nèi)核模塊，最后編譯內(nèi)核，成功后再下載到目標機使用。

4)根文件系統(tǒng)的制作。在操作系統(tǒng)中為了實現(xiàn)對文件的操作與管理，需要實現(xiàn)對物理介質(zhì)驅(qū)動、內(nèi)容存儲和文件內(nèi)容存儲等功能，根文件的制作實現(xiàn)這一需要。

3.2 PTP協(xié)議及在Linux中實現(xiàn)

PTP(Precision Time Protocol)是一種高精度時間同步協(xié)議，可以達到亞微秒級精度。它的主要原理是通過一個同步信號周期性地對網(wǎng)絡中所有節(jié)點的時鐘進行校正同步，可以使基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)達到精確同步，IEEE1588 PTP時鐘同步技術(shù)也可以應用于任何組播網(wǎng)絡中。

1588協(xié)議中，定義了兩種報文，事件報文和通用報文；事件報文時間概念報文，進出設(shè)備端口時打上精確的時間戳，PTP根據(jù)事件報文攜帶的時間戳，計算鏈路延遲。事件報文包含以下4種：Sync、Delay_Req、Pdelay_Req和Pdelay_Resp。通用報文：非時間概念報文，進出設(shè)備不會產(chǎn)生時間戳，用于主從關(guān)系的建立、時間信息的請求和通告。通用報文包含以下6種：Announce、Follow_Up、Delay_Resp、Pdelay_Resp_Follow_Up、Management和Signaling，目前設(shè)備不支持Management、Signaling報文。

時鐘同步的實現(xiàn)主要包括2個步驟：

1)建立主從關(guān)系，選取最優(yōu)時鐘、協(xié)商端口主從狀態(tài)等。采用最優(yōu)時鐘算法選用本地網(wǎng)絡中的最佳時鐘作為主時鐘，同時決定本地時鐘所處狀態(tài)。

2)通過計算主從時鐘偏移量和網(wǎng)絡延時修正從設(shè)備時鐘。同步的過程中需要計算主從時間差異，其中包含主從鐘的偏移量和網(wǎng)絡傳輸時延。因此從時鐘的修正也包含偏移量的修正和傳輸時延的修正。

IEEE1588的實現(xiàn)可以純軟件與硬件兩種方式實現(xiàn)時間戳方案。純軟件方式時鐘同步精度低于硬件方式。iMx6UL以太網(wǎng)MAC層集成了IEEE1588的硬件單元，為PTP協(xié)議的實現(xiàn)提供硬件基礎(chǔ)。

在Linux系統(tǒng)上實現(xiàn)PTP協(xié)議功能，首先設(shè)計iMx6UL網(wǎng)卡硬件驅(qū)動(支持PTP功能)；然后在Linux內(nèi)核移植PTPD程序，該程序包含了最佳時鐘算法程序bmc.c；協(xié)議引擎代碼程序protocol.c，ptpd.c；以及一些數(shù)據(jù)定義文件等。

移植成功后，iMx6UL啟動數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡校時功能，實現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)上傳。

4 系統(tǒng)測試

該系統(tǒng)設(shè)計完成后在山東淄礦集團唐口煤業(yè)5307工作面和630大巷進行了一系列測試。5307工作面安裝4個傳感器并連接到1號數(shù)據(jù)采集器，630大巷安裝3個傳感器并連接到2號數(shù)據(jù)采集器。1號數(shù)據(jù)采集器和2號數(shù)據(jù)采集器都連接到光纖環(huán)網(wǎng)上，傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過光纖環(huán)網(wǎng)上傳到地面計算機。微震監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場安裝位置如圖5所示。

圖5 微震監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場安裝位置圖

從微震監(jiān)測傳感器監(jiān)測的波形數(shù)據(jù)可以看出，AD數(shù)據(jù)采集本底噪音小，原始數(shù)據(jù)干擾少，對現(xiàn)場微振動信號響應靈敏，信號曲線清晰明顯。

該系統(tǒng)微震信號拾取采用長短窗算法，定位算法有經(jīng)典的geiger方法、線性定位算法、牛頓迭代法和震源掃描算法等。經(jīng)典的geiger定位算法對初值的依耐性較大，因為方程組的穩(wěn)定性、方程解的收斂性與方程本身有關(guān)。震源掃描法是指在指定的時空域內(nèi)逐時刻逐點計算其所對應的亮點值，并構(gòu)成亮度圖譜，最后通過一定評判標準從圖譜中定位震源位置。該系統(tǒng)采用了修正的震源掃描法。實際系統(tǒng)安裝完畢后，通過實際放炮測試效果見表1。

表1 微震定位對比表 m

表1結(jié)果顯示，該系統(tǒng)定位誤差小，精度高，滿足礦井沖擊地壓監(jiān)測需要。

5 結(jié) 語

設(shè)計了由磁電傳感器、數(shù)據(jù)采集儀與計算機構(gòu)成的微震監(jiān)測系統(tǒng)。磁電傳感器拾取煤礦現(xiàn)場震動信號后傳遞給網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集儀，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集儀同時對6路傳感器的信號進行AD量化采集，在本系統(tǒng)IEEE1588的同步機制下，各數(shù)據(jù)采集儀根據(jù)同步機制把同一時刻的數(shù)據(jù)送入光纖環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)中的地面計算機接收網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)分析，識別出異常數(shù)據(jù)后并打包存儲。當?shù)贸鲆幌盗蟹衔⒄鸫翱谒惴ㄐ枰臄?shù)據(jù)后，調(diào)用后臺的定位算法軟件，得出目標位置信息。系統(tǒng)經(jīng)過實際應用測試，數(shù)據(jù)采集準確、噪音小、抗干擾能力強，系統(tǒng)同步誤差小，定位精度高，滿足沖擊礦井監(jiān)測需要。