基于STM32與LabVIEW的煤礦微震采集平臺設計

張沖沖,史艷楠,2，3，姜帥帥，趙 昊

(1.河北工程大學機械與裝備工程學院，河北邯鄲 056038；2.河北省煤炭生態(tài)保護開采產(chǎn)業(yè)技術研究院，河北邯鄲 056038；3.邯鄲市智能車輛重點實驗室，河北邯鄲 056038)

0 引言

采礦活動引起的礦井突水動力災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)生微小震動信號[1-4]。微震監(jiān)測技術通過對礦井突水及突水通道形成過程中巖石破裂產(chǎn)生的微小震動信號進行采集、處理和分析，實現(xiàn)對礦井突水事件的實時、連續(xù)、全空間、超前預測預報。微震信號的采集作為其中的重要環(huán)節(jié)，對礦井突水事件的預測預報準確性至關重要。因此，研發(fā)通用性強、可靠性高的微震信號采集系統(tǒng)，提高微震信號獲取的全面性和準確性，對指導煤礦微震事件預測預報的精確性和保障煤炭安全開采具有重要的意義。

近年來，隨著科學技術的進步以及突水機理的深入研究，一系列的微震信號采集系統(tǒng)應運而生。文獻[5-6]通過使用國外成熟的ISS監(jiān)測系統(tǒng)和SOS監(jiān)測系統(tǒng)采集和監(jiān)測微震信號，使微震信號實時準確的傳輸?shù)较到y(tǒng)中，顯著提高了定位精度。文獻[7]采用DSP技術設計了微震實時監(jiān)測系統(tǒng)，利用TL16C550C芯片實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)串口傳輸，同時一定程度的減少了軟件編程量。文獻[8-10]設計了一種以FPGA為核心的微震信號采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了調理電路的自動化調節(jié)，具有信號信噪比高、失真度小等優(yōu)點。但上述系統(tǒng)在實際應用中存在價格貴、通用性差、編程復雜等問題。在上述文獻收集和分析的基礎上，本文基于STM32和LabVIEW設計了煤礦微震采集平臺，該平臺以STM32F107作為控制核心，LabVIEW作為交互平臺的開發(fā)工具，可以實時、準確采集微震信號，且具有較好的可靠性和通用性，開發(fā)成本低，為微震事件的識別與定位分析提供了方案。

1 系統(tǒng)總體方案設計

煤礦微震信號采集系統(tǒng)主要由STM32F107主控芯片、信號調理模塊、通訊模塊、電源模塊及人機交互平臺等組成，如圖1所示。該系統(tǒng)主要對煤礦煤層巖體破壞產(chǎn)生的微小震動信號的采集，實時、快速的為微震事件的分析、定位提供實時數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)煤礦突水事件的超前預測，確保煤礦安全生產(chǎn)。

圖1 系統(tǒng)總體結構

信號調理模塊由3種可編程、低功耗的CS3301、CS5372、CS5376芯片組成，實現(xiàn)對信號的放大、A/D轉換、數(shù)字濾波處理；通訊模塊設計有RS485總線接口，用于STM32F107主控芯片和人機交互平臺的信息傳遞；同時考慮到采集平臺外接傳感器較多、存在一定的功耗、煤礦井下對電氣設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，并設計了電壓轉換電路；人機交互平臺是在LabVIEW軟件中開發(fā)，實現(xiàn)了信號的通訊、解析、顯示、儲存和回放的功能。

2 采集系統(tǒng)硬件設計

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，同時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，簡化了傳統(tǒng)的硬件設計，使整個系統(tǒng)更容易擴展和升級，提高了系統(tǒng)的可靠性及通用性，實現(xiàn)了對傳感器信號的采集、儲存、通訊等控制功能。

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

圖2 STM32F107主控芯片模塊

2.2 信號調理模塊

傳感器輸出的微震信號為mV級的模擬信號，不利于信號的遠距離傳輸，且達不到STM32主控芯片的信號輸入范圍。因此，本文采用了CS3301、CS5372、CS5376芯片作為信號采集系統(tǒng)的調理電路，實現(xiàn)對傳感器采集信號的放大、模數(shù)轉換及數(shù)字濾波等處理，使傳感器信號能夠被平臺所接收。信號調理模塊如圖3所示。

圖3 信號調理模塊

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

2.3 RS485通訊模塊

為了能夠更加直觀的觀測到采集的微震數(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到1 200 m，適合煤礦井下長距離傳輸。RS485模塊采用總線型結構，可以實現(xiàn)單路32個節(jié)點的串接，簡化了布線的結構，實現(xiàn)了長距離多站點通信，同時，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，保證了信號的質量。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)定性會直接影響到系統(tǒng)采集信號的精度，嚴重情況下，不但系統(tǒng)會有大量噪聲，而且會導致系統(tǒng)模塊的損壞以及火災發(fā)生，影響井下煤礦安全性。為滿足安全設計要求，本系統(tǒng)選用具有過壓和過流保護功能的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)設計了電壓轉換電路如圖5所示。

圖5 電壓轉換電路

本文通過LMS2575穩(wěn)壓芯片設計了18 V到5 V的降壓電路，該芯片內部集成有一個高性能的振蕩器，對電路有較好穩(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的降壓電路的設計使用了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)定電源并實現(xiàn)電源造成低頻噪聲的濾除，同時減少高頻信號回路的高頻電阻并濾除高頻噪聲。

3 采集系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)軟件主要包括主程序、通訊程序和人機交互平臺程序。

3.1 主程序

主程序是STM32程序最先運行的部分，首先是進行系統(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)進入到對單片機I/O串口的循環(huán)檢測，判斷輸入端口是否有信號輸入，如果有，由單片機將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給人機交互平臺進行顯示、儲存等。硬件主程序設計流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3.2 通訊程序

本平臺的采集硬件與人機交互平臺是通過采用標準的Modbus協(xié)議的RS485串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹Ｊ紫刃枰渲么诘膮?shù)，然后等待程序中斷，程序的中斷時使用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)送至串口當中，人機交互平臺不斷讀取串口中的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)人機交互平臺與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

人機交互平臺利用LabVIEW平臺進行搭建，主要對采集到的信號進行接收和校驗，并實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、儲存、回放等功能。在對微震信號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)傳輸完成才能進行下一次接收，這樣不僅增加了采集周期，而且會使采集數(shù)據(jù)堆疊。因此本文采用并行循環(huán)和隊列技術，通過并行的方式使各個模塊能夠同時且獨立的運行，且通過隊列技術實現(xiàn)各個模塊之間的通訊，但又不產(chǎn)生干涉，避免了各模塊之間處理數(shù)據(jù)速度不一致時造成數(shù)據(jù)的丟失或數(shù)據(jù)的重復利用等問題。

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鍵，是信號進入軟件系統(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種方法實現(xiàn)串口通訊，一種是利用標準串口通訊函數(shù)在VC++、VB中開發(fā)動態(tài)鏈接庫函數(shù)(DLL)供LabVIEW調用實現(xiàn)，另一種是通過VISA函數(shù)實現(xiàn)，其中VISA函數(shù)編程簡單、程序可移植性強、易維護，可以縮短開發(fā)周期，因此選用VISA函數(shù)來實現(xiàn)串口通訊[12]。首先通過VISA配置資源函數(shù)設置串口的波特率為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)對緩沖數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)進行計算，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關閉函數(shù)結束出口數(shù)據(jù)的采集和讀取，并釋放函數(shù)空間。同時，通過8個布爾函數(shù)作為通道串口的開關，來控制各個串口的通斷。由于平臺使用數(shù)據(jù)幀的方式進行通訊，具體包括2字節(jié)的幀頭、4字節(jié)的數(shù)據(jù)、1字節(jié)的校驗和1字節(jié)的幀尾。當VISA Read函數(shù)將讀取到的串口緩存字符串轉化成字節(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)解析模塊進行數(shù)據(jù)的幀頭識別、數(shù)據(jù)提取和幅值轉換等操作。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)儲存與回放程序

為了方便系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的處理分析和歷史數(shù)據(jù)查詢，需要對采集到的數(shù)據(jù)進行儲存。本文利用LabVIEW平臺中TDMS文件進行數(shù)據(jù)的儲存和讀取，能夠快速、安全、高效的儲存數(shù)據(jù)，其二進制儲存格式使數(shù)據(jù)的讀寫速度和占用內存大小都得到提升[13]，并且Excel也能加載該文件格式，方便實驗數(shù)據(jù)的查看和處理。因此使用TDMS文件設計了數(shù)據(jù)儲存程序，首先通過TDMS打開vi創(chuàng)建新的TDMS文件,并對文件的儲存路徑和操作方式進行設置；同時為了標識每組數(shù)據(jù)，通過TDMS寫入vi定義數(shù)據(jù)儲存的時間及時間間隔；然后通過TDMS寫入vi把采集的信號寫入儲存文件，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關閉vi完成對數(shù)據(jù)的儲存。而數(shù)據(jù)回放程序是為了對歷史數(shù)據(jù)進行查詢及總結，通過讀取已存數(shù)據(jù)，并將其重新復現(xiàn)顯示的過程。由于儲存的數(shù)據(jù)是一種帶標識的二進制TDMS文件，因此在進行數(shù)據(jù)回放時，系統(tǒng)根據(jù)用戶制定的時間點從儲存數(shù)據(jù)中數(shù)組元素所對應的時刻開始回放波形，直到最后一個數(shù)據(jù)或用戶指定結束時間點。數(shù)據(jù)儲存與回放程序如圖9所示。

(a)數(shù)據(jù)儲存程序

4 系統(tǒng)試驗測試

本文研究的煤礦微震采集平臺為井下微震信號提供了一個直觀的顯示平臺，平臺顯示界面如圖10所示。

圖10 平臺顯示界面

為了驗證煤礦微震采集平臺的有效性和穩(wěn)定性，將搭建好的系統(tǒng)放置在平坦且干擾少的環(huán)境中進行測試。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，由于微震信號的振幅一般為mV級，信號容易被其他噪聲污染，為了減小影響因素，選取深夜進行信號的采集，信號經(jīng)過放大、A/D轉換和數(shù)字濾波處理后，顯示的波形如圖11所示，從圖11可以看出，該平臺能夠采集到mV級的微震信號，由此可以得到系統(tǒng)的動態(tài)范圍為：

圖11 信號采集波形

(1)

計算結果表明該平臺能夠采集到較大動態(tài)范圍的微震信號。同時，從圖11可以看出，系統(tǒng)在信號發(fā)生突變時沒有出現(xiàn)削波現(xiàn)象，因此該平臺能夠對突變的微震信號快速調整。

為了進一步驗證煤礦微震采集平臺的可靠性，使用信號發(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，再選取同一時間段的采集信號與發(fā)生器信號的1 024個數(shù)值進行皮爾遜相關分析，其計算公式為：

(2)

式中：N為變量取值個數(shù)；Xi、Yi為2信號的變量值。

經(jīng)過計算得出2信號的相關系數(shù)為0.943 7，而相關系數(shù)在(0.8,1.0]之間表示2信號極強相關，即信號相似度高，因此結果表明微震信號采集系統(tǒng)可以準確采集到微震信號，并且具有較高的穩(wěn)定性。

5 結束語

本文介紹了煤礦微震采集平臺的設計與實現(xiàn)，設計了可編程調理電路與STM32F107相結合的數(shù)據(jù)采集電路，通過LabVIEW平臺搭建了微震信號顯示軟件，利用平臺的圖形化編程環(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)和隊列技術將功能模塊化，易于用戶操作，同時保證了程序的可重用性和可擴展性。系統(tǒng)試驗效果表明，該系統(tǒng)能實現(xiàn)對微震信號的實時采集和儲存，能夠采集寬動態(tài)范圍的微震信號，并實時地以波形顯示，直觀明了，且運行的穩(wěn)定性好、可靠性高，系統(tǒng)地開發(fā)為微震事件的識別與準確定位提供了解決方案。