基于Android平臺的鉆桿長度測量軟件設計

摘 要：針對礦山鉆孔深度的測量，提出了一種用測量鉆桿長度間接測量鉆孔深度硬件方案，在Android平臺上設計了采集處理軟件，重點討論了前后時窗比法采集技術及鉆桿反射波形信號的自動拾取等，軟件具有信號采集、采集波形和測量結果的可視化顯示及文件管理等功能；軟件操作簡單，測量結果可靠。

關鍵詞：Android平臺；鉆桿；長度測量；軟件設計

在礦山的開采中，對地質異常的探測最直接的方法就是對目標位置或層位進行鉆孔，鉆孔的深度是決定異常探測準確性的一個重要因素。在煤礦中鉆孔質量是瓦斯抽放和疏放水的關鍵環節。為了達到預期設計要求，必須保證鉆孔達到設計深度。目前，測量鉆孔深度的主要方法數鉆桿數量，但這一工作費時費力，且難以滿足大量鉆孔驗收工作。因此，研究開發能高效測量鉆桿長度的技術已成為礦山中亟待解決的問題。目前市場上測量鉆孔深度的儀器較少，且測量誤差較大，無法精確測量鉆桿長度。本文基于Android平臺開發設計一款鉆桿長度測量軟件，成功研制出一臺鉆桿長度測量儀。

1 硬件設計

鉆桿長度測量儀采用基于ARM9嵌入式開發板，運行Android4.4操作系統，采集模塊采用Cirrus Logic公司生產的震動專用測量系列芯片，該套芯片是一套高精度、低噪聲、低功耗的單通道數據采集芯片，采集模塊的主要性能指標如下：1）高達24位Δ-∑模數轉換器；2）雙通道同步采樣，采樣率1K-450K，可軟件編程設置；3）SPI總線傳輸；4）IEPE驅動單元，24V驅動電壓，4mA橫流輸出，10uF隔直電容，可直接連接IEPE壓電式加速度傳感器；5）量程：±10V/PGA；6）工作溫度：0℃～70℃。

為滿足數據處理要求，儀器采用基于ARM9平板平臺，運行數據采集軟件，軟件通過專門為采集板開發的驅動程序來實現對數據采集模塊的控制。如圖1所示，ARM9通過SPI總線連接數據采集模塊，當程序啟動采集時，振動傳感器的信號經放大濾波電路到數據采集模塊輸入端口，采集模塊開始采集信號；外界產生有效錘擊信號，采集軟件判斷是否為有效信號，一旦信號有效，信號被保存，停止單次采集工作。

2 軟件設計

數據采集軟件主要是對數據采集模塊的控制，實現雙通道的同步采集。在采集的過程中要對采集參數進行設置，如放大倍數、采樣率等；數據采集結束，還需要顯示采集的波形和結果；并對采集的數據進行保存。因此，本采集軟件主要包括三大功能模塊：參數設置模塊、圖形可視化模塊和文件管理模塊。

2.1 參數設置模塊

參數設置模塊主要包括硬件采集參數設置、波形顯示設置、波形處理設置、鉆桿長度計算設置等，結合實際情況，設置相應的參數，會獲得更精確的結果。

2.2 圖形可視化模塊

圖形可視化模塊主要是對采集的波形數據的顯示及交互操作，一方面可以檢查采集數據的質量，另一方面，可以根據波形顯示交互操作計算鉆桿長度。

2.3 文件管理模塊

文件管理模塊主要包括文件保存及歷史數據的回放。

3 主要技術

3.1 前后時窗比法觸發采集技術

數據采集模塊本身不支持硬件觸發，所以只能采用軟件觸發方式。通過處理器將觸發判決條件和觸發信號相比較，如果為有效的觸發信號，觸發并存儲數據[ 1 ]。高性能的處理器和大容量高速緩存是數據采集系統中不可缺少的部分。本系統運行在Android系統平臺下，具有高性能的數據處理能力，滿足軟件觸發條件。

由于采集的信號為振動信號，有效信號為振動波形，通過實驗分析，觸發判決條件為信號前后時窗能量比。假設儀器采集的信號為[xn]，對時間軸上的第i個采樣點周圍，以第i個樣點為中心取一時窗，時窗內樣點長度為2M。則后時窗和前時窗的能量比值可表示為[ 2 ]：

當儀器觸發成功，采集到錘擊信號，觸發時刻信號采樣點處后時窗和前時窗的能量比R達到最大值。

當前后時窗能量比滿足給定的觸發閾值，認為觸發成功，儀器開始存儲有效信號。前后時窗能量比法能夠有效地判斷有效信號，而不依賴于信號與噪音的能量，時間誤差小。

4 結論

本文基于VC++編寫的圖形可視化界面應用程序實現了鉆孔深度測量的雙通道超聲信號的數據采集功能；軟件利用前后時窗比法觸發采集技術、多線程技術、反射信號自動檢測等關鍵技術， 構建了煤礦瓦斯抽放鉆孔深度測量系統。經過井下、地面的試驗測試，儀器性能穩定，結果計算可靠。借助于VC++開發平臺，憑借其強大的圖形處理功能，儀器軟件開發周期短，升級維護方便，圖形交互功能強大，交互性好，具有較強的可擴展性。

參考文獻：

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作者簡介：張慶慶（1982-），男，山西霍州人，工程師，碩士研究生，研究方向：礦井地球物理勘探技術與裝備。