基于MEMS與LwIP的煤礦三分量地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

王懷秀，仇 帥，朱國維，陳 波

基于MEMS與LwIP的煤礦三分量地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

王懷秀1，仇 帥2,3，朱國維2,3，陳 波2,3

(1．北京建筑大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，北京 102616；2．中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；3．煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083)

針對當(dāng)前煤礦地震數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸實時性差，數(shù)據(jù)傳輸量有限的問題，以及數(shù)據(jù)采集需要滿足多波寬頻的要求，設(shè)計了基于MEMS與LwIP的煤礦三分量全波地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)由MEMS三分量檢波器、數(shù)據(jù)采集單元、高性能防爆路由器、高性能嵌入式主機及采集控制軟件、主機監(jiān)控軟件構(gòu)成。采用MEMS加速度芯片VS1002作為檢波器芯體，利用其高靈敏度、寬頻帶響應(yīng)等特點；主機監(jiān)控軟件完成對全波采集單元監(jiān)控、管理及簡單的數(shù)據(jù)處理功能；全波數(shù)據(jù)采集單元實現(xiàn)了三分量地震信號的數(shù)據(jù)拾取、轉(zhuǎn)換、存儲和數(shù)據(jù)輸出；系統(tǒng)采用分布式控制方式，可實現(xiàn)系統(tǒng)的靈活組合與拆分，提高了采集信號的質(zhì)量，增強了在煤礦中的適用范圍。實驗結(jié)果表明：與常規(guī)地震采集系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有抗干擾力強，響應(yīng)頻帶寬的特點，可在惡劣環(huán)境條件下捕捉到頻帶較寬的地震信號。

煤礦地震勘探；地震數(shù)據(jù)；LwIP網(wǎng)絡(luò)；MEMS三分量檢波器；分布式控制

隨著煤炭勘探技術(shù)的進步，地震資料的采集已進入了高精度的勘探時代，高密度地震勘探、三維三分量地震勘探已經(jīng)成為煤炭高精度勘探的重要手段[1-3]。三維地震勘探技術(shù)在全國大多數(shù)煤礦得到推廣和普及[4-5]。高精度的勘探帶來了大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛡鬏斔俾食蔀閿?shù)據(jù)傳輸過程中最主要的問題。目前煤礦勘探中數(shù)據(jù)的傳輸方式多采用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，這類數(shù)據(jù)傳輸方式的速率難以滿足目前煤礦勘探的需求[6-8]。一方面，隨著信息化和傳感器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代高性能高集成的傳感器得到極大的發(fā)展。目前國內(nèi)已有很多對地震信號采集的傳感器，其大多是采用動圈式二分量或者三分量檢波器，導(dǎo)致勘探儀器的響應(yīng)靈敏度低，體積、重量變大，不利于礦井施工。煤礦地震勘探包括地面和井下兩個方面，而井下勘探從波場類型可分為槽波、體波、折射波等，從觀測方式分為采煤工作面透射、巷道側(cè)幫反射、巷道超前、下組煤反射等，從震源類型又可分為炸藥、錘擊、被動源等多種勘探方式和方法。因此，煤礦地震勘探對采集系統(tǒng)的頻帶范圍、抗干擾能力，以及設(shè)備的輕便性和對不同施工方式的適用性均有較高要求。

根據(jù)上述原因，在進行深入分析與研究儀器設(shè)備結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了響應(yīng)靈敏度高、線性度好、時效性強、傳輸速率高的數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)，采用高性能MEMS傳感器和LwIP(小型開源的TCP/IP協(xié)議棧)作為以太網(wǎng)的底層協(xié)議棧，把LwIP移植到STM32F407ZG上[9]。通過該系統(tǒng)能夠?qū)γ旱V中的隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素進行準確的探測[10-11]。在保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸?shù)那疤嵯拢靡蕴W(wǎng)傳輸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模式，不僅提高系統(tǒng)實時性，而且使數(shù)據(jù)采集單元和主機數(shù)據(jù)交互更為快捷。同時，在礦井中通過加入互聯(lián)設(shè)備，易于檢波器的擴展和組網(wǎng)，實現(xiàn)地震數(shù)據(jù)的分布式采集，同時也可實現(xiàn)礦井遠程作業(yè)和數(shù)據(jù)的實時傳輸。該系統(tǒng)很好地滿足了煤礦地震數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)男枨?，在探測頻帶、靈敏度、精度、可靠性及時效性等方面均滿足當(dāng)前地震勘探的需求。

1 設(shè)計系統(tǒng)傳感器簡介

本系統(tǒng)傳感器采用的是瑞士進口的Colibrys VS1002單軸加速度傳感器。加速度傳感器芯片的噪聲譜密度為7 μV/sqrt(Hz)、功耗小于2 mW、非線性度低至0.1%。在進行檢波器選擇時，對動圈式檢波器和VS1002傳感器進行測試(圖1)。測試結(jié)果如圖2所示，其中第一道，第二道，第三道為動圈式傳感器，第四道為VS1002傳感器。

由圖2可以看出，VS1002對震動的響應(yīng)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)動圈式傳感器，另外由于其采用全封閉的密封封裝，外界溫度變化對其影響較小，性能穩(wěn)定。且加速度傳感器體積小、重量輕。選取的MEMS傳感器更有利于研制靈敏且輕便的檢波器[12]。

如圖3所示，這種加速度傳感器是基于差分電容原理的極距變化型的電容傳感器，它的上下極板均固定，稱為靜極板，中間的是質(zhì)量體。當(dāng)被測物體移動時質(zhì)量體隨之移動，使電容量發(fā)生了變化：

Δ=/Δ(1)

式中：Δ為被測物體移動時質(zhì)量體發(fā)生的移動；Δ為電容量的變化；為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；為兩平行板所覆蓋的面積。

這樣，當(dāng)有外力作用時，可以把Δ的變化轉(zhuǎn)化為電容量的變化，通過測量電路就可以轉(zhuǎn)化電量輸出。進而可以測得外部的振動速度(或加速度)，還可以進一步測出壓力。在本系統(tǒng)中，它用于獲取沿著礦井工作面頂?shù)装鍌鞑サ捏w波和沿煤層中傳播的槽波，將所述體波和所述槽波轉(zhuǎn)化為差分信號的模擬量。

圖3 VS1002單軸加速度傳感器結(jié)構(gòu)

MEMS三分量檢波器是將3個分量MEMS檢波器模塊以笛卡爾坐標(biāo)形式安裝于檢波器殼體內(nèi)，基于設(shè)計的單分量檢波器模塊所設(shè)計的三分量檢波器殼體及組裝形式如圖4a所示，其中中間放置2個相互垂直的方形檢波器模塊，底端放置一塊圓形檢波器模塊，頂端放置一塊輸入輸出接口模塊。

根據(jù)地震檢波器的本安設(shè)計原則，需要檢波器能夠防爆，所以對檢波器采用了尼龍材料進行封裝，封裝效果如圖4 b所示。

圖4 MEMS三分量檢波器

Fig.4 MEMS three-component detector

2 設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)硬件主要由MEMS三分量檢波器、全波數(shù)據(jù)采集單元、高性能防爆網(wǎng)絡(luò)交換機、高性能嵌入式主機4部分組成(圖5)。

MEMS三分量檢波器能夠?qū)ΦV井中3個不同方向的縱波和橫波進行精確地拾取；每個全波數(shù)據(jù)采集單元可以接收最多4個MEMS三分量檢波器的輸出信號，通過8芯屏蔽電纜將拾取的模擬地震信號傳輸?shù)饺〝?shù)據(jù)采集單元；全波數(shù)據(jù)采集單元將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過網(wǎng)絡(luò)交換機傳輸?shù)角度胧街鳈C；主機判斷數(shù)據(jù)的有效性，無效的數(shù)據(jù)直接丟棄，有效的數(shù)據(jù)經(jīng)程序處理后存儲。

圖5 研究系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)可以根據(jù)需要來方便地增加或減少數(shù)據(jù)采集單元的個數(shù)，從而達到擴展地震道數(shù)量的目的。

為了滿足實際勘探的應(yīng)用需求，參數(shù)采集設(shè)置為可調(diào)模式，其中采集參數(shù)主要包括：采樣率、采樣點數(shù)和通道數(shù)。

3 設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集單元硬件組成

全波數(shù)據(jù)采集單元的組成如圖6所示，主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、微處理器、存儲模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊及調(diào)試接口等組成。其中微處理器選用的是一款基于Cortex-M4內(nèi)核的32位處理器STM32F407ZG，其工作頻率可達168 MHz，極大提高代碼在FLASH中的執(zhí)行速度；支持FPU和DSP指令，內(nèi)部集成容量為1 M FLASH和192 K SRAM[13]。數(shù)據(jù)采集單元以STM32F407為核心，為采集系統(tǒng)提供控制命令，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)對來自檢波器的地震信號進行差分放大和模/數(shù)轉(zhuǎn)換，通過網(wǎng)絡(luò)接口將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳輸?shù)角度胧街鳈C，主機用于進行波形顯示、存儲、分析和處理。

圖6 全波數(shù)據(jù)采集單元結(jié)構(gòu)

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路主要由差分驅(qū)動電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，其中模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用的是高性能模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7767，AD7767是24位無失碼低功耗過采樣SAR型ADC，它具有較寬的動態(tài)范圍和輸入帶寬；片內(nèi)利用線性相位數(shù)字FIR濾波器進行濾波，通過采樣輸入來消除帶外噪聲；同時差分的信號輸入方式可以有效降低共模干擾。

網(wǎng)絡(luò)傳輸采用精簡介質(zhì)獨立接口(RMII)和以太網(wǎng)收發(fā)芯片LAN8720A，在保持IEEE802.3規(guī)范中所有特性的同時，可以減少物理層(PHY)的連接引腳，降低系統(tǒng)設(shè)計的成本[14]。其中，采集單元與外部的連接采用RJ45模塊。

本系統(tǒng)移植LwIP輕協(xié)議棧，通過STM32F407ZG的DMA方式進行資源訪問，節(jié)省了單片機的資源，降低了通信延遲，提高了數(shù)據(jù)處理與發(fā)送效率，保證了通信穩(wěn)定可靠。JTAG接口不僅僅實現(xiàn)了程序的下載還可實現(xiàn)程序的在線調(diào)試。全波數(shù)據(jù)采集單元可以根據(jù)嵌入式主機發(fā)出的指令選擇數(shù)據(jù)的儲存方式。具體的儲存方式有SD卡儲存和FRAM儲存。其中FRAM應(yīng)用于實時的數(shù)據(jù)傳輸[15-16]。SD卡的儲存空間大，應(yīng)用于長時間的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測中。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計

本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用RMII接口和LAN870A構(gòu)成，其與微處理器的連接如圖7所示。

圖7 網(wǎng)絡(luò)通信接口電路

其中，TXD[1:0]為數(shù)據(jù)的發(fā)送信號；TX_EN為發(fā)送的使能信號；RXD[1:0]為數(shù)據(jù)的接收信號；CRS_DV為載波和數(shù)據(jù)有效信號；MDC為時鐘線；MDIO為數(shù)據(jù)線；REF_CLK為連續(xù)時鐘信號，為數(shù)據(jù)傳輸和接收提供時鐘信號；LAN8720A內(nèi)置為10 M/100 M以太網(wǎng)全雙工傳輸模塊，支持10 Mbit/s和100 Mbit/s?？梢酝ㄟ^自主協(xié)商的方式實現(xiàn)與目的主機最佳連接方式。

站管理接口(SMI)有2根線，一根是數(shù)據(jù)線MDIO，另一根是時鐘線MDC，STM32F407通過站管理接口來訪問LAN8720A的內(nèi)部寄存器，從而實現(xiàn)讀取內(nèi)部寄存器和寫控制指令的功能，該接口支持訪問多達32個物理設(shè)備。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計分成采集單元的采集控制軟件和主機的監(jiān)控軟件2個部分。采集控制軟件包括采集參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計以及移植LwIP協(xié)議棧等[17-18]。參數(shù)的設(shè)置包括采集時間間隔、采集點數(shù)、采集道數(shù)。

4.1 LwIP無操作系統(tǒng)的移植

LwIP無操作系統(tǒng)的移植過程如圖8所示，分為8步，其中最重要的是添加LAN8720的驅(qū)動文件。

圖8 LwIP無操作系統(tǒng)移植過程

整個移植過程遵循圖8所示，第一步和第二步主要是為驅(qū)動提供所需的運行環(huán)境；第三步添加網(wǎng)卡驅(qū)動模塊LAN8720.c和LAN8720.h；第四步，添加LwIP源文件，搭建網(wǎng)絡(luò)運行環(huán)境；第五步和第六步是修改LwIP的源代碼，使其能夠在系統(tǒng)上穩(wěn)定運行；第七步和第八步為應(yīng)用層提供所需的接口函數(shù)，應(yīng)用層可以通過接口函數(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸。

4.2 創(chuàng)建UDP通信

由于系統(tǒng)使用的是自組的局域網(wǎng)，排除互聯(lián)網(wǎng)的干擾，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境穩(wěn)定性高、延遲低，因此，UDP協(xié)議用在地震波數(shù)據(jù)傳輸十分有優(yōu)勢，除此之外，UDP協(xié)議相比于TCP協(xié)議省去多次握手過程，因此，UDP的傳輸速率遠遠高于TCP，十分適合運用在實時傳輸系統(tǒng)中。

進行UDP通信需要有客戶端和服務(wù)器，對本系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)采集單元設(shè)置客戶端，高性能嵌入式主機設(shè)置為服務(wù)器。其中數(shù)據(jù)采集單元的工作流程如圖9所示。

圖9 UDP客戶端工作流程

當(dāng)采集單元的微處理器檢測到觸發(fā)信號后，開啟SPI，按照由UDP通信設(shè)置的參數(shù)對MEMS三分量檢波器的輸出信號進行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)數(shù)據(jù)接收完后，對數(shù)據(jù)進行打包和幀整合，最后進行數(shù)據(jù)儲存和UDP發(fā)送。

UDP服務(wù)器的工作流程如圖10所示。

圖10 UDP服務(wù)器工作流程

4.3 嵌入式主機程序設(shè)計

嵌入式主機程序采用C#編程，它負責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理。先進行系統(tǒng)初始化和握手，當(dāng)高性能嵌入式主機和全波數(shù)據(jù)采集單元握手成功后，根據(jù)設(shè)定參數(shù)發(fā)送和接收信號，并實時顯示接收的數(shù)據(jù)。當(dāng)線路中斷和數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，發(fā)出出錯和提示信息。當(dāng)數(shù)據(jù)接收成功時，可實時展示礦井工作面全波圖形。除此之外，為了提高系統(tǒng)的通用性，系統(tǒng)提供了ref和segy兩種數(shù)據(jù)格式的保存以及轉(zhuǎn)換。

主機先通過網(wǎng)絡(luò)通信給數(shù)據(jù)采集單元發(fā)送采集參數(shù)，數(shù)據(jù)采集單元處于等待模式，當(dāng)觸發(fā)采集信號(放炮或者震動)到達時，數(shù)據(jù)單元就會進行數(shù)據(jù)采集，此時的主機處于偵聽模式，當(dāng)采集完成后，數(shù)據(jù)采集單元就會把采集到數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給主機，主機可以進一步根據(jù)用戶的需求進行數(shù)據(jù)的保存或者繪制波形圖。

5 實驗驗證

為了驗證系統(tǒng)的可行性，對系統(tǒng)進行室內(nèi)和室外的測試(圖11)。

圖11 MEMS三分量檢波器在標(biāo)準振動臺上的測試

在標(biāo)準信號下，對4個MEMS三分量檢波器進行測試，每個檢波器第一道為軸，接收縱波；第二道為軸，第三道為軸，分別接收來自2個方向的橫波。從測得的波形圖(圖12)來看，相同方向的傳感器振幅和相位具有一致性，多道波形之間無相位差。多次測試與分析進一步證明，在相同的采集條件下，采集的信號波形都具有重復(fù)性和一致性。

對系統(tǒng)進行單炮測試，抽取12個檢波器的分量進行波形圖的繪制，測試結(jié)果如圖13所示。從測得的地震記錄(圖13)來看，各道間振幅和相位具有較好的一致性，MEMS檢波器構(gòu)成的新儀器系統(tǒng)對深部弱信號有較好的響應(yīng)，且地震波頻率得到有效提高。

圖12 4個MEMS傳感器在標(biāo)準信號下測試的波形圖

圖13 12個三分量檢波器接收抽取Z分量的單炮地震記錄

經(jīng)測試，本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸速率穩(wěn)定在3 Mbit/s，遠超過傳統(tǒng)串行通訊端口的傳輸速率，能夠滿足多通道地震數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)男枨蟆?/p>

6 結(jié)論

a. 利用基于LwIP協(xié)議棧的以太網(wǎng)設(shè)計一種煤礦地震數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。此系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)傳輸替代了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式，使得采集單元與主機之間的通信更為便捷靈活。軟件層面實現(xiàn)了應(yīng)用層雙向網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，大幅度提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集性能，滿足了煤礦地震數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)男枨蟆?/p>

b. 系統(tǒng)采用分布式控制，實現(xiàn)系統(tǒng)的靈活組合與拆分，提高了采集信號的質(zhì)量，增強了在煤礦中的適用范圍。

c. 采用靈敏度高和響應(yīng)頻帶寬的MEMS傳感器設(shè)計三分量檢波器，滿足系統(tǒng)在地震波數(shù)據(jù)采集中的多波、寬頻的需求，實現(xiàn)礦井中隱蔽致災(zāi)因素的精準探測。

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WANG Quanquan，F(xiàn)ENG Bo，ZHU Hui. A remote monitoring system of well site sensors based on STM32 and LWIP[J]. Industrial Control Computer，2019，32(4)：13–14.

Three-component seismic data acquisition system of coal mine based on MEMS and LwIP

WANG Huaixiu1, QIU Shuai2,3, ZHU Guowei2,3,CHEN Bo2,3

(1. School of Electrical and Information Engineering, Beijing University of Architecture, Beijing 102616, China; 2. College of Geosciencesand Surveying Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China; 3. State Key Laboratory of Coal Resources and Mining, Beijing 100083, China)

Aiming at the problems of poor real-time data transmission and limited data transmission in current coal mine seismic data acquisition and transmission system and the requirement of multi wave and broadband data acquisition, a three-component full wave seismic data acquisition system based on MEMS and LwIP is designed. The system consists of MEMS three-component detector, data acquisition unit, high-performance explosion-proof router, high-performance embedded host, acquisition control software and host monitoring software. The MEMS acceleration chip VS1002 is used as the core of the detector, which has the characteristics of high sensitivity and wide-band response. The host monitoring software completes the monitoring, management and simple data processing functions of the full wave acquisition unit. Full wave data acquisition unit realizes data acquisition, conversion, storage and data output of three component seismic signal. The system adapts the distributed control mode, improves the anti-interference ability of the whole system and the quality of the collected signal to realizes the flexible combination and split of the system, and then enhances the application scope in coal mines. The field contrast experiment is carried out in the open-pit coal mine. The experimental results show that compared with the conventional seismic acquisition system, the system has the characteristics of strong anti-interference and response frequency bandwidth, and is capable of capturing the seismic signal with wide frequency band in the harsh environment.

coal mine seismic exploration; seismic data; LwIP network; MEMS three-component geophone; distributed control

TP274+.2

A

1001-1986(2021)04-0008-07

2020-11-25；

2021-06-15

國家重點研發(fā)計劃項目(2018YFC0807800)

王懷秀，1966年生，女，安徽歙縣人，博士，副教授，研究方向為傳感與檢測技術(shù). E-mail：wanghuaixiu@bucea.edu.cn

仇帥，1995年生，男，安徽合肥人，碩士，研究方向為地學(xué)儀器研發(fā). E-mail：794610793@qq.com

王懷秀，仇帥，朱國維，等. 基于MEMS與LwIP的煤礦三分量地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(4)：8–14. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.002

WANG Huaixiu，QIU Shuai，ZHU Guowei，et al. Three-component seismic data acquisition system of coal mine based on MEMS and LwIP[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：8–14. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021. 04.002

(責(zé)任編輯 聶愛蘭)