礦井在線式電法勘探儀的設計

秦偉

摘 要： 設計一種以STM32F107微控制器為硬件核心，適用于嵌入式系統的開源TCP/IP協議——LwIP的在線式電法勘探儀。儀器具備以太網接口，方便接入井下工業環網，實現頂底板含水構造的在線監測。儀器最多可擴展64個電極，具備高密度電阻率/激電法、常規電阻率/激電法2種工作模式，自動跑極，探測數據量大，探測速度快，對保障煤礦安全生產具有重大意義。

關鍵詞： STM32微控制器； 自動跑極； 電法儀； 在線監測； LwIP

中圖分類號： TN912.202?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0109?04

礦井突水是威脅煤礦安全生產最主要的災害之一，國家煤礦安全監察局提出了煤礦水害防治“預測預報，有疑必探，先探后掘，先治后采”的16字方針。突水事故大多發生在巷道掘進工作面，因而采用物探技術查明各種隱伏導含水構造[1]，提前采取防止措施成為礦井防治水工作的關鍵所在。礦井直流電法勘探方法以介質電性差異為基礎，在巷道頂底板及工作面突水構造探測方面發揮著重要作用[2]。然而一般的電法儀器只能人工單次探測，無法接入井下以太網，無法實時監測頂底板導含水構造。因此，本文研究一種基于LwIP協議的在線式電法勘探儀，實現頂底板含水構造的全自動智能化監測。

1 電法勘探測量原理

電法勘探就是利用不同巖石間或礦石與圍巖之間的電位差異，在地面上借助研究天然的或人工方法建立的電場或電磁場的分布規律，查明各種地質構造和尋找有用礦產的一種物探方法，主要有電阻率法和激電法2種工作模式[3]。電阻率法原理：直流電法勘探通常是通過一對接地電極A，B把電流供入大地，通過另一對接地電極M，N觀測巖石電阻率所必需的電位或電位差信息。用電極M，N間的電流I和電位差ΔUMN值，計算出視電阻率值ρs，如圖1所示。

圖1 電阻率法測量原理

激電法測量原理：供電電極A，B向地下供直流電的瞬間，在測量電極M，N間產生一次電位差ΔU1；將供電電路斷開，一次場消失，而M，N間仍有電位差存在（稱為二次電位差ΔU2），這是被極化了的地質體放電而產生的，這種現象稱為地質體的激發極化（Induced Polarization，IP）效應，如圖2所示。

圖2 激電法測量原理

2 系統硬件設計

在線式電法勘探儀由微控制器、數據采集單元、電極供電單元、分布式電極控制單元以及數據接口組成，系統框圖如圖3所示。供電系統通過供電電極提供直流電場，測量電極間的電位差以及供電電流通過高精度數據采集單元處理后，存儲在大容量FLASH里面，最后通過井下以太網上傳到地面進行數據反演，最終得到頂底板導含水構造。

圖3 采集系統方案圖

STM32F107VC 是一款基于ARM Cortex?M3內核的32位微控制器[4]，采用哈佛結構，有單周期乘法指令和硬件除法指令，最高工作頻率可達到72 MHz，具有256 KB的閃存和64 KB的SRAM，還有性能出眾的片上外設，最大限度地實現集成，大大降低系統功耗。值得一提的是，該MCU具有以太網控制模塊，符合IEEE 802.3標準。

2.1 數據采集模塊

基于電法勘探電阻率法測量原理，通過一對接地電極A，B把電流供入大地，測量另一對接地電極M，N間的電流I和電位差ΔUMN值，計算出視電阻率值。數據采集模塊以模/數轉換芯片ADS1271為核心，它是24位的工業用模/數轉換器，可提供50 kHz 的帶寬，105 KSPS的轉換速率，1.8 μV/℃的失調漂移以及高達109 dB的信噪比，SPI串行接口提供至微控制器的方便連接。由于井下工作環境的復雜性，輸入信號必須經過一系列處理才能最大限度實現ADS1271的高精度采集[5]，如圖4所示。

2.1.1 自電補償電路

輸入信號來自M，N電極間的電位差信號或電流取樣信號，該信號必須經過限幅、跟隨、自電補償等預處理，以抵消井下自然電位對后續電路的影響。自電補償電路核心是一高精度DAC數/模轉換器，MCU首先采集電極間的自然電位，然后控制DAC輸出與自然電位極性相反的補償電位，從而消除自然電位的影響[6]，原理框圖如圖5所示。

圖4 采集模塊框圖

圖5 自電補償電路原理框圖

2.1.2 程控放大電路

采集的電流和電位差信號與地層構造息息相關，信號的變化幅度大，若采用單一的放大增益，那么小信號經放大器放大后，幅值仍然很小，經A/D變換后會影響數據的精密度；而大信號放大后又有可能超出A/D轉換的量程，因此有必要研制放大器增益自動可調的程控增益放大器[7]，它允許輸入的模擬量在很大的范圍內動態變化，原理框圖如圖6所示。

圖6 程控放大電路原理框圖

電路以程控放大芯片PGA204為核心，通過邏輯信號A1，A0對增益進行數字選擇，可實現1，10，100，1 000 V/V四個增益檔級。工作時，首先置PGA增益為1，預采樣信號值，根據信號的幅值確定所需要的增益，實現最大的動態變化范圍，提高采樣精度。

2.1.3 模/數轉換電路

為保證數據采集精度，選用差分輸入24位高精度Δ?Σ模/數轉換器ADS1271，電路如圖7所示。由于輸入信號是單端信號，采用單端轉差分芯片將單端信號變成差分信號，再輸入到ADC中，各控制引腳與MCU的SPI接口相連，方便編程。

圖7 模/數轉換電路原理框圖

2.2 電極控制模塊

高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，測量時只需將全部電極置于測點上，然后利用程控電極轉換開關結合控制軟件便可實現數據的快速和自動采集。由于儀器自動跑極，因此每個電極需要分時充當A，B，M，N四個電極的功能。電極控制模塊結構見圖8。邏輯控制電路根據MCU發送過來的電極編號信息，打開相應的程控開關，控制電極與總線通斷，實現自動跑極功能[8]。

圖8 電極控制模塊結構圖

2.3 供電模塊

考慮到井下防爆要求，供電電壓不超過75 V，供電電流不超過60 mA。電源具有恒壓和恒流2種工作模式，由STM32F107通過串口通知電源模塊切換。當采集到的電流很小時，說明存在高阻或電極接觸不良，此時切換到恒流模式，若采集到的電流還是很小，說明電極接觸存在問題，發出警告信息。

3 系統軟件設計

儀器通過以太網口接收到上位機發送的控制命令后，根據工作模式自動切換電極工作狀態，實現自動跑極采集功能。

3.1 ADS1271的控制時序

ADS1271采用SPI串行接口與微控制器連接，其讀取時序如圖9所示。

3.2 LwIP嵌入式以太網協議的移植

LwIP是瑞士計算機科學院Adam Dunkels等開發的一套用于嵌入式系統的開放源代碼TCP/IP協議棧，既可以移植到操作系統上，又可以在無操作系統的情況下獨立運行。LwIP協議的文件組織結構[9]如圖10所示。api目錄包含應用程序接口文件，core目錄為LwIP的核心代碼，包括ICMP、IP、UDP、TCP等協議的實現等，include目錄是LwIP的包含文件，netif目錄包含ARP協議和LwIP網絡設備驅動程序的模板，提供了網絡接口驅動程序的基本框架，arch目錄包含與硬件和OS有關的文件，包括網絡驅動、移植需要修改的文件[10]。

圖9 ADS1271讀取時序圖

圖10 LwIP文件結構

STM32F107具有IEEE 802.3標準的介質訪問控制層（MAC），通過外接物理層（PHY）DP83848模塊即可實現10/100 Mb/S的以太網數據全雙工傳輸。對MAC層的初始化操作流程圖如圖11所示。

圖11 MAC層初始化流程圖

MAC層初始化完成后就可以初始化LwIP協議，代碼如下：

void Init_lwIP（void）

{

struct ip_addr ipaddr；

struct ip_addr netmask；

struct ip_addr gw；

uint8_t macaddress[6]={ emacETHADDR0， emacETHADDR1， emacETHADDR2， emacETHADDR3， emacETHADDR4， emacETHADDR5 }；

sys_sem_t sem；

sys_init（）；

mem_init（）；

memp_init（）；

pbuf_init（）；

netif_init（）；

sem = sys_sem_new（0）；

tcpip_init（TcpipInitDone， &sem）；

sys_sem_wait（sem）；

sys_sem_free（sem）；

#if LWIP_DHCP

ipaddr.addr = 0；

netmask.addr = 0；

gw.addr = 0；

#else

IP4_ADDR（&ipaddr， emacIPADDR0， emacIPADDR1， emacIPADDR2， emacIPADDR3 ）；

IP4_ADDR（&netmask，emacNET_MASK0， emacNET_MASK1， emacNET_MASK2， emacNET_MASK3 ）；

IP4_ADDR（&gw， emacGATEWAY_ADDR0， emacGATEWAY_ADDR1， emacGATEWAY_ADDR2， emacGATEWAY_ADDR3 ）；

#endif

Set_MAC_Address（macaddress）；

netif_add（&netif， &ipaddr， &netmask， &gw， NULL， eernetif_init， &tcpip_input）；

netif_set_default（&netif）；

#if LWIP_DHCP

dhcp_start（&netif）；

#endif

netif_set_up（&netif）；

}

3.3 自動跑極算法設計

由電法測量原理可知，在實際測量時，利用電極轉換開關，可將每4個相鄰電極進行一次組合，從而在一個測點便可獲得多種電極排列的測量參數。一個測點全部測量完成后，將整個電極排列向前移動一個距離，然后進行下一測點的觀測，這種過程重復進行，直到整條剖面全部測完為止。當實際電極數給定時，任意剖面測點數由下列公式決定，假設總電極數為N，測量層數序號為i，則：

總測量層數：[nl=int（N-13）]；

每層測量點數：[ni=N-3×i]；

總測量點數：[ndot=n=1ni（N-3×i）]。

編程時采用2個循環即可實現上述功能。

4 結 語

本文完成了LwIP協議在STM32F107微控制器上的移植，設計了基于24位高精度模/數轉換器ADS1271的礦井電法勘探儀。該儀器具有以太網連接功能，方便接入井下工業以太網，采用自動跑極的高密度電阻率/激電法、常規電阻率/激電法進行電法探測，實現頂底板含水構造的在線監測。

參考文獻

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[2] 劉樹才，劉鑫明.煤層底板導水裂隙演化規律的電法探測研究[J].巖石力學與工程學報，2009，28（2）：348?356.

[3] 劉國興.電法勘探與原理[M].北京：地質出版社，2005.

[4] 意法半導體（中國）投資有限公司.STM32F10xxx 參考手冊[M/OL].[2010?12?07].http：//download.csdn.net/detail/winnerben/2887762.

[5] Texas Instruments Incorporated. 24bit，wide band width analog to digital converter， ADS1271[EB/OL]. [2007?02?06]. http：//www.ti.com.

[6] 武建全.影響自然電位測井的因素及解決方法[J].中國煤炭地質，2008（z1）：88?89.

[7] 朱玉田.程控增益放大器實現方法的比較與選用[J].機電工程，1997（4）：42?44.

[8] 王愛國，馬巍，王大雁.高密度電法不同電極排列方式的探測效果對比[J].工程勘察，2007（1）：72?75.

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[10] 程明，余中華，蘇艷萍，等.μC/OS?Ⅱ下LWIP協議棧的移植和測試[J].微計算機信息，2008，24（24）：79?80.