礦井在線式電法勘探儀的設(shè)計(jì)

秦偉

摘 要： 設(shè)計(jì)一種以STM32F107微控制器為硬件核心，適用于嵌入式系統(tǒng)的開源TCP/IP協(xié)議——LwIP的在線式電法勘探儀。儀器具備以太網(wǎng)接口，方便接入井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)頂?shù)装搴畼?gòu)造的在線監(jiān)測(cè)。儀器最多可擴(kuò)展64個(gè)電極，具備高密度電阻率/激電法、常規(guī)電阻率/激電法2種工作模式，自動(dòng)跑極，探測(cè)數(shù)據(jù)量大，探測(cè)速度快，對(duì)保障煤礦安全生產(chǎn)具有重大意義。

關(guān)鍵詞： STM32微控制器； 自動(dòng)跑極； 電法儀； 在線監(jiān)測(cè)； LwIP

中圖分類號(hào)： TN912.202?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）14?0109?04

礦井突水是威脅煤礦安全生產(chǎn)最主要的災(zāi)害之一，國家煤礦安全監(jiān)察局提出了煤礦水害防治“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，有疑必探，先探后掘，先治后采”的16字方針。突水事故大多發(fā)生在巷道掘進(jìn)工作面，因而采用物探技術(shù)查明各種隱伏導(dǎo)含水構(gòu)造[1]，提前采取防止措施成為礦井防治水工作的關(guān)鍵所在。礦井直流電法勘探方法以介質(zhì)電性差異為基礎(chǔ)，在巷道頂?shù)装寮肮ぷ髅嫱凰畼?gòu)造探測(cè)方面發(fā)揮著重要作用[2]。然而一般的電法儀器只能人工單次探測(cè)，無法接入井下以太網(wǎng)，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頂?shù)装鍖?dǎo)含水構(gòu)造。因此，本文研究一種基于LwIP協(xié)議的在線式電法勘探儀，實(shí)現(xiàn)頂?shù)装搴畼?gòu)造的全自動(dòng)智能化監(jiān)測(cè)。

1 電法勘探測(cè)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(guī)律，查明各種地質(zhì)構(gòu)造和尋找有用礦產(chǎn)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(duì)接地電極A，B把電流供入大地，通過另一對(duì)接地電極M，N觀測(cè)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(jì)算出視電阻率值ρs，如圖1所示。

圖1 電阻率法測(cè)量原理

激電法測(cè)量原理：供電電極A，B向地下供直流電的瞬間，在測(cè)量電極M，N間產(chǎn)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(zhì)體放電而產(chǎn)生的，這種現(xiàn)象稱為地質(zhì)體的激發(fā)極化（Induced Polarization，IP）效應(yīng)，如圖2所示。

圖2 激電法測(cè)量原理

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在線式電法勘探儀由微控制器、數(shù)據(jù)采集單元、電極供電單元、分布式電極控制單元以及數(shù)據(jù)接口組成，系統(tǒng)框圖如圖3所示。供電系統(tǒng)通過供電電極提供直流電場，測(cè)量電極間的電位差以及供電電流通過高精度數(shù)據(jù)采集單元處理后，存儲(chǔ)在大容量FLASH里面，最后通過井下以太網(wǎng)上傳到地面進(jìn)行數(shù)據(jù)反演，最終得到頂?shù)装鍖?dǎo)含水構(gòu)造。

圖3 采集系統(tǒng)方案圖

STM32F107VC 是一款基于ARM Cortex?M3內(nèi)核的32位微控制器[4]，采用哈佛結(jié)構(gòu)，有單周期乘法指令和硬件除法指令，最高工作頻率可達(dá)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(shè)，最大限度地實(shí)現(xiàn)集成，大大降低系統(tǒng)功耗。值得一提的是，該MCU具有以太網(wǎng)控制模塊，符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

基于電法勘探電阻率法測(cè)量原理，通過一對(duì)接地電極A，B把電流供入大地，測(cè)量另一對(duì)接地電極M，N間的電流I和電位差ΔUMN值，計(jì)算出視電阻率值。數(shù)據(jù)采集模塊以模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1271為核心，它是24位的工業(yè)用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，可提供50 kHz 的帶寬，105 KSPS的轉(zhuǎn)換速率，1.8 μV/℃的失調(diào)漂移以及高達(dá)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(huán)境的復(fù)雜性，輸入信號(hào)必須經(jīng)過一系列處理才能最大限度實(shí)現(xiàn)ADS1271的高精度采集[5]，如圖4所示。

2.1.1 自電補(bǔ)償電路

輸入信號(hào)來自M，N電極間的電位差信號(hào)或電流取樣信號(hào)，該信號(hào)必須經(jīng)過限幅、跟隨、自電補(bǔ)償?shù)阮A(yù)處理，以抵消井下自然電位對(duì)后續(xù)電路的影響。自電補(bǔ)償電路核心是一高精度DAC數(shù)/模轉(zhuǎn)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(bǔ)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(bǔ)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(hào)與地層構(gòu)造息息相關(guān)，信號(hào)的變化幅度大，若采用單一的放大增益，那么小信號(hào)經(jīng)放大器放大后，幅值仍然很小，經(jīng)A/D變換后會(huì)影響數(shù)據(jù)的精密度；而大信號(hào)放大后又有可能超出A/D轉(zhuǎn)換的量程，因此有必要研制放大器增益自動(dòng)可調(diào)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(nèi)動(dòng)態(tài)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(hào)A1，A0對(duì)增益進(jìn)行數(shù)字選擇，可實(shí)現(xiàn)1，10，100，1 000 V/V四個(gè)增益檔級(jí)。工作時(shí)，首先置PGA增益為1，預(yù)采樣信號(hào)值，根據(jù)信號(hào)的幅值確定所需要的增益，實(shí)現(xiàn)最大的動(dòng)態(tài)變化范圍，提高采樣精度。

2.1.3 模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路

為保證數(shù)據(jù)采集精度，選用差分輸入24位高精度Δ?Σ模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1271，電路如圖7所示。由于輸入信號(hào)是單端信號(hào)，采用單端轉(zhuǎn)差分芯片將單端信號(hào)變成差分信號(hào)，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(shù)轉(zhuǎn)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(cè)量時(shí)只需將全部電極置于測(cè)點(diǎn)上，然后利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)結(jié)合控制軟件便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集。由于儀器自動(dòng)跑極，因此每個(gè)電極需要分時(shí)充當(dāng)A，B，M，N四個(gè)電極的功能。電極控制模塊結(jié)構(gòu)見圖8。邏輯控制電路根據(jù)MCU發(fā)送過來的電極編號(hào)信息，打開相應(yīng)的程控開關(guān)，控制電極與總線通斷，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跑極功能[8]。

圖8 電極控制模塊結(jié)構(gòu)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(dāng)采集到的電流很小時(shí)，說明存在高阻或電極接觸不良，此時(shí)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(fā)出警告信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

儀器通過以太網(wǎng)口接收到上位機(jī)發(fā)送的控制命令后，根據(jù)工作模式自動(dòng)切換電極工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跑極采集功能。

3.1 ADS1271的控制時(shí)序

ADS1271采用SPI串行接口與微控制器連接，其讀取時(shí)序如圖9所示。

3.2 LwIP嵌入式以太網(wǎng)協(xié)議的移植

LwIP是瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院Adam Dunkels等開發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼TCP/IP協(xié)議棧，既可以移植到操作系統(tǒng)上，又可以在無操作系統(tǒng)的情況下獨(dú)立運(yùn)行。LwIP協(xié)議的文件組織結(jié)構(gòu)[9]如圖10所示。api目錄包含應(yīng)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(xié)議的實(shí)現(xiàn)等，include目錄是LwIP的包含文件，netif目錄包含ARP協(xié)議和LwIP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的模板，提供了網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動(dòng)程序的基本框架，arch目錄包含與硬件和OS有關(guān)的文件，包括網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)、移植需要修改的文件[10]。

圖9 ADS1271讀取時(shí)序圖

圖10 LwIP文件結(jié)構(gòu)

STM32F107具有IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的介質(zhì)訪問控制層（MAC），通過外接物理層（PHY）DP83848模塊即可實(shí)現(xiàn)10/100 Mb/S的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)全雙工傳輸。對(duì)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(xié)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(dòng)跑極算法設(shè)計(jì)

由電法測(cè)量原理可知，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，利用電極轉(zhuǎn)換開關(guān)，可將每4個(gè)相鄰電極進(jìn)行一次組合，從而在一個(gè)測(cè)點(diǎn)便可獲得多種電極排列的測(cè)量參數(shù)。一個(gè)測(cè)點(diǎn)全部測(cè)量完成后，將整個(gè)電極排列向前移動(dòng)一個(gè)距離，然后進(jìn)行下一測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)，這種過程重復(fù)進(jìn)行，直到整條剖面全部測(cè)完為止。當(dāng)實(shí)際電極數(shù)給定時(shí)，任意剖面測(cè)點(diǎn)數(shù)由下列公式?jīng)Q定，假設(shè)總電極數(shù)為N，測(cè)量層數(shù)序號(hào)為i，則：

總測(cè)量層數(shù)：[nl=int（N-13）]；

每層測(cè)量點(diǎn)數(shù)：[ni=N-3×i]；

總測(cè)量點(diǎn)數(shù)：[ndot=n=1ni（N-3×i）]。

編程時(shí)采用2個(gè)循環(huán)即可實(shí)現(xiàn)上述功能。

4 結(jié) 語

本文完成了LwIP協(xié)議在STM32F107微控制器上的移植，設(shè)計(jì)了基于24位高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1271的礦井電法勘探儀。該儀器具有以太網(wǎng)連接功能，方便接入井下工業(yè)以太網(wǎng)，采用自動(dòng)跑極的高密度電阻率/激電法、常規(guī)電阻率/激電法進(jìn)行電法探測(cè)，實(shí)現(xiàn)頂?shù)装搴畼?gòu)造的在線監(jiān)測(cè)。

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