基于精密時鐘同步技術的微震監測分站

安 賽

（1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室（煤炭科學研究總院），北京100013）

微震監測技術通過識別礦山動力災害活動規律實現危險性評價和預警，是防治煤礦沖擊地壓的重要方法，已經被《防治煤礦沖擊地壓細則》和GB T 25217.4—2019 沖擊地壓測定、監測與防治方法等規范收錄與推薦[1-3]。

目前，國外進口的微震監測系統具有較高的市場占有率，如：波蘭EMAG 的ARAMIS 微震監測系統、波蘭礦山研究總院的SOS 微震監測儀、南非ISSI 公司的ISS 高精度微震采集系統、加拿大工程微震集團公司的ESG 微震監測系統等。這些微震監測系統優點是精度高，但缺點是價格昂貴，且為了實現高精度的時鐘同步需單獨鋪設同步線，系統部署及后期維護成本高[4]。現階段國內相關企業、高校和科研單位也在研究開發微震監測系統，如北京科技大學的BMS 微地震監測系統等[5]。相關學者也發表了相關的文獻[6-9]。但是現有的微震系統采集站不能很好地滿足于煤礦現場的要求，如分站采用工業采集卡，考慮到安全性能一般采用隔爆設計，設備笨重；采用NTP 授時或者本地時鐘授時各分站同步精度低；分站采集底噪大，易造成事件異常多且波形無法拾取起跳點等問題。為此，設計了基于ARM 微控制器為核心、采用PTP（精密時鐘協議）時鐘同步技術的低噪聲的礦井微震監測分站。根據設計方案井下布置多個微震采集分站，地面部署PTP 主時鐘服務器，分站與地面數據采集服務器、PTP 授時服務器通過煤礦現有的環網進行通訊與授時。

1 分站整體方案

基于精密時鐘同步技術的微震監測分站整體框架如圖1。

圖1 微震監測分站整體框架Fig.1 The overall framework of the microseismic monitoring substation

分站以STM32F4 為控制核心，由阻抗匹配電路、模擬低通濾波器電路、PGA204 放大電路、ADS1278 同步采樣電路、DP83848 網絡傳輸電路等組成。其中同步采集電路可同時采集8 路拾震傳感器的震動信號。拾震傳感器型號為GPD-5 動圈式傳感器，靈敏度為100 V/m/s，頻率響應為0.5～200 Hz。采集到的信號通常比較微弱，需要進行濾波、放大、A/D 轉換后傳輸至STM32F4 主控芯片緩存中，地面PTP 授時服務器通過環網實時同步各分站時鐘。主控芯片將緩存的數據加上64 位同步時間戳后通過環網發送至地面數據服務器。

2 分站硬件

2.1 前級預處理電路

拾震傳感器電路類似有較高內阻的電壓源電路，為了準確采集并保護后續電路，需要對拾震傳感器的輸出信號進行預處理，主要包括阻抗匹配電路，模擬低通濾波電路、PGA204 放大電路。為了適應現場監測環境的多樣性及獲得最大的動態范圍，在數據采集任務前調整放大電路的放大倍數。PGA204是一款性能出色的可編程儀表放大器，根據控制引腳可實現×1，×10，×100，×1 000 V/V 4 種放大倍數，等效噪聲低，總諧波失真小，適用于微弱信號監測。前級預處理電路如圖2。

圖2 前級預處理電路Fig.2 Pre-processing circuit

接口處設計TVS 電路及限壓電路，抑制通過傳輸線耦合進來的浪涌，保護放大電路及后端的AD采集電路。E2和E3為線纜EMI 濾波器，抑制線路高頻噪聲。R3、R8、C8組成抗混疊低通濾波器。可編程增益由PGA1_A0、PGA1_A1 控制實現不同倍數放大。

2.2 AD 采集電路

拾震傳感器輸出信號經過前級預處理電路后，調制為可供AD 采集的高動態范圍模擬信號。為了實現高精度、多通道測量，選用ADS1278 芯片。ADS1278具有高動態范圍、低功耗等優點。可實現最大8 路24 位同步采樣。在高精度模式下的信噪比為111 dB，總諧波失真為-108 dB。AD 轉換電路如圖3。

圖3 AD 轉換電路Fig.3 AD conversion circuit

由圖3 可知，AD 運行在高精度模式下。采用SPI 總線與主控芯片進行數據傳輸。芯片的總時鐘為18 MHz，由主控芯片的TIM1 提供。

3 分站軟件

3.1 PTP 協議及實現

PTP（Precision Time Protocol）即IEEE1588 標準是一種高精度時間同步協議。其主要原理是通過1個同步信號周期性地對網絡中所有節點的時鐘進行校正同步，最終使基于以太網的分布式系統各時鐘達到嚴格同步。分站（從時鐘）使用端對端的兩步模式下的PTP 同步協議原理如圖4[10-11]。

1）根據定義的時鐘間隔（默認為2 s），PTP 服務器（主時鐘節點）會周期性地給分站（從時鐘）發送同步報文，并且記錄同步報文的發送時刻為t1，隨后將時間戳t1與跟隨報文打包發送給分站。分站收到PTP 服務器發送的同步報文后，記錄下收到報文的時刻為t2。

圖4 PTP 時鐘同步協議原理Fig.4 Principle of PTP clock synchronization protocol

2）分站收到跟隨報文后，解析并記錄報文中所攜帶的t1時間戳，隨后向PTP 服務器發送延時請求報文，并記錄報文的發出時刻為t3，PTP 服務器收到延時請求報文并記錄收到時刻為t4，然后將t4打包通過延時請求應答報文發送給分站。

3）到此分站已經獲取了硬件時間戳t1、t2、t3、t4。

4）記時間偏差為Toffset，傳輸延遲為Tdelay。

則有Tdelay＝t2-t1-Toffset＝t4-t3+Toffset

進一步計算得：Tdelay=（t2-t1+t4-t3）/2；Toffset=（t2-t1+t3-t4）/2。

3.2 分站嵌入式軟件

基于精密時鐘同步技術的微震監測分站軟件架構如圖5。

圖5 微震監測分站軟件架構Fig.5 Software architecture of the microseismic monitoring substation

硬件層（HW）使用STM32F4 控制器為軟件層提供硬件服務，操作系統層（RTOS）使用RTX-V4.73實現實時多任務的調度處理，網絡協議棧使用LWIP-1.4.1 提供網絡協議處理，精密時鐘同步協議使用ptpd-2.0.0 實現分站與PTP 服務器之間的精密時鐘同步協議。其中STM32F4 硬件支持符合IEEE 1588-2002 定義的以太網時間戳，在運行PTP 協議后，算法即可根據Tdelay與Toffset自動調整其64 位時鐘寄存器。由于有多個分站在系統內運行，需要調整ptpd.c 文件下PTP 版本、同步間隔、通告間隔、延時機制等參數嚴格相等。

4 分站性能測試

1）等效噪聲測試。等效輸入噪聲是指微震分站的輸入端連接到標準電阻時的輸出。在測試中，使用1 kΩ 的0.1%精密電阻接入信號輸入端。設置ADS1278 的采樣率為1 024 SPS（每秒采樣數），并且分別收集對應于前置放大器PGA204 增益×1、增益×10、增益×100、增益×1 000 的數據。收集8 192 個采樣點并對數據進行處理和分析。分站等效輸入噪聲測試見表1。

表1 分站等效輸入噪聲測試Table 1 Equivalent input noise test of substation

2）同步性測試。為了測試各分站間的同步性能，需要開啟STM32F4 單片機PB5 引腳的秒脈沖模式。分別使用IP 為192.168.0.10 與20 的2 臺分站作為從時鐘節點，通過交換機接入PTP 時鐘服務器，2 臺分站的PB5（#1-PPS、#2-PPS）和授時服務器（PTPPPS）分別接入示波器，示波器的時基設置為1 μs。示波器通道A 為PTP-PPS（授時服務器）秒脈沖波形，示波器通道B 為#2-PPS（分站2）秒脈沖波形，示波器通道C 為#1-PPS（分站1）秒脈沖波形，從示波器觀察可知分站2-PPS 信號與PTP-PPS 相差320 ns；#2-PPS 與#1-PPS 相差120 ns。驗證了微震分站間的精密時鐘同步。

3）定位精度測試。為了測試分站的性能及定位精度，以該分站為核心的KJ768 微震監測系統取得安標證書后，分別在晉煤集團寺河煤礦、神東公司石圪臺煤礦開展井下定點爆破測試。從測試可知，基于該分站的KJ76 微震監測監測系統在x 方向平均誤差為3.55 m；y 方向定位誤差平均值為7.625 m；z方向定位誤差平均值為2.855 m。3 個方向定位誤差均小于10 m。

5 結 語

介紹了基于精密時鐘同步技術的微震監測分站，微震監測分站以STM32F4 為控制核心，由阻抗匹配電路、模擬低通濾波器電路、PGA204 放大電路、ADS1278 同步采樣電路、DP83848 網絡傳輸電路等組成，研發成本低、采集精度高、設備便攜；同時使用PTP 技術實現了各分站時間的精密同步。分站測試結果表明數據采集準確、噪聲小、系統同步誤差低，基于該分站的KJ768 微震監測系統井下定點爆破試驗定位誤差小于10 m，定位精度滿足對沖擊地壓礦井監測的需要。