分布式槽波地震数据同步采集系统设计.pdf

第 4 3卷 第 3期 2 0 1 7年 3月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 4 3 No ． 3 M a r ． 2 01 7 。 ’ 。 。 ’ 科研成果 { ◆ ◆ m ． ’ 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 3 0 0 0 1 0 6 黄 三 ， 张法 全 ， 叶金 才 ， 等 ． 分 布式槽 波 地震 数据 DoI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 7 ． 0 3 ． 0 0 1 同步 采集 系统设 计 E J ] ． 工矿 自动 化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 3 1 - 6 ． 分布式槽波地震数据同步采集系统设计 黄 三 ， 张法全 ， 叶金 才 ， 王 国富 ， 王 小红 1 ． 桂林 电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林5 4 1 0 0 4 ； 2 ． 广西无线宽带通信与信号处理重点实验室，广西 桂林5 4 1 0 0 4 摘 要 为 实现槽 波地 震数 据 采集 系统 中各 个采 集终 端之 间及 同一采 集 终端 2个通 道之 间的 同步 ， 设计 了 一 种分 布 式的 双通 道槽 波地 震数 据 同步 采集 系统 。该 系统 采 用弱 信 号调 理 电路提 高地 震 信 号 的信 噪 比 ， 采 用八通 道 同步 采样 芯 片 实现 了同一 采集 终端 上 2个通 道 的 同步采 样 ， 构 建 了由 GP S接 收 机 、 数 字锁 相 环及 S TM3 2主控制器组成的时钟 同步 系统 ， 并采用 自适应恒温晶振模型驯服算法对恒温晶振的温漂特性和老化 特 性进 行预 测 和校 准 ， 使 得 各采 集终 端在矿 井 中仍 可保持 长期 的 时钟 同步和 时间 同步。测 试结果 表 明 ， 该 系 统实现 了分布式多通道地震信号的同步采集， 在 井下连续工作 8 h ， 各个数据采集终端之 间的同步精度优于 1 O 王 上 s 。 关键词 煤炭开采 ； 槽波地震监测；数据采集；同步采样 ； AOM 驯服算法；恒温晶振 中图分 类号 TD 1 7 8 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 7 0 2 2 8 1 6 3 3 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 7 0 3 0 1 ． 1 0 5 1 ． 0 0 1 ． h t ml De s i g n o f d i s t r i bu t e d s y nc h r o n o us a c q ui s i t i o n s y s t e m o f s e a m s e i s mi c d a t a HUANG S a n ， ZHANG F a q u a n 一， YE J i n c a i ， W ANG Gu o f u ， W ANG Xi a o h o n g 1． S c ho o l o f I nf o r m a t i on a n d Co m mun i c a t i o n，Gui l i n U ni ve r s i t y of El e c t r o ni c Te c hn o l o g y， Gu i l i n 5 4 1 0 0 4 ，Ch i n a ；2 ． Ke y L a b o f W i r e l e s s W i d e b a n d Co mmu n i c a t i o n S i g n a l P r o c e s s i n g o f Gu a n g x i ，Gu i l i n 5 4 1 0 0 4，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s y n c h r o n i z e v a r i o u s c o l l e c t i o n t e r mi n a l s wi t h e a c h o t h e r a n d s y n c h r o n i z e t wo c h a n n e 1 i n t h e s a me c o l l e c t i o n t e r mi n a l i n a c q u i s i t i o n s y s t e m o f s e a m s e i s mi c d a t a 。 a d i s t r i b u t e d t wo c h a n n e l s y n c h r o n o u s a c q u i s i t i o n s y s t e m o f s e a m s e i s mi c d a t a wa s d e s i g n e d ．Th e s y s t e m a p p l i e s a we a k s i g n a l c o nd i t i o ni n g c i r c ui t t o i mp r o v e s i gn a l t o no i s e r at i o of s e i s mi c s i gn a l ， a n d u s e s e i g ht c ha nn e l s y n c h r o n i z a t i o n s a mp l i n g c o r e t o r e a l i z e s y n c h r o n i z a t i o n s a mp l i n g o f t wo c h a n n e l i n t h e s a me c o l l e c t i o n t e r mi na 1 ． A c l oc k s y nc hr on i z a t i o n s y s t e m i s c o ns t r uc t e d whi c h i s c o m p o s e d o f GPS r e c e i v e r ，di gi t a l ph a s e l o c k l o o p a n d S TM 3 2 ma i n c o n t r o l l e r ．Th e a d a p t i v e o s c i l l a t o r mo d e l d r i f t c o r r e c t i o n a l g o r i t h m i s u s e d t o pr e d i c t a nd e s t i ma t e t e m p e r a t u r e d r i f t c ha r a c t e r i s t i c a nd a gi n g c h a r a c t e r i s t i c o f o v e n c o nt r o l l e d c r y s t a l o s c i l l a t o r ，S O a s t o r e a l i z e c l o c k s y n c h r o n i z a t i o n a n d t i me s y n c h r o n i z a t i o n o f v a r i o u s c o l l e c t i o n t e r mi n a l s i n c o a l mi ne s．Th e t e s t r e s ul t s s ho w t ha t t h e s y s t e m r e a l i z e s di s t r i bu t e d s y nc hr o no us a c q ui s i t i on o f m u l t i c ha n ne l s e i s mi c s i gn a l ， t h e a c c ur a c y o f s y nc hr o ni z a t i o n be t we e n t he d i f f e r e n t da t a c o l l e c t i o n t e r m i n a l s i s b e t t e r t h a n 1 0 s wi t hi n 8 hou r s c o nt i nu ou s wo r k i n un de r gr o un d c o a l m i ne． 收稿 日期 2 0 1 6 0 8 0 8 ； 修 回日期 2 0 1 6 - l 1 0 8 ； 责任编辑 张强。 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 6 1 3 6 2 0 2 0 ， 6 1 5 4 0 0 4 0 ； 桂林 电子科技大学研究生教育创新计划 资助项 目 2 0 1 6 Y J C X7 8 。 作者简介 黄三 1 9 9 0 一 ， 男 ， 湖南 岳阳人 ， 硕 士研究生 ， 主要研究方 向为信号采集与处理 ， E ma i l g u e t h u a n g s a n q q ． c o rn。 2 工矿 自动 化 2 0 1 7年 第 4 3卷 Ke y wo r d s c o a l m i ni ng；s e a m s e i s mi c mo ni t o r i n g；da t a a c q u i s i t i o n；s y nc hr o no us s a mpl i n g；AOM d r i f t c o r r e c t i on a l g o r i t hm ；OCXO 0 引言 在井下槽波地震勘探实验中， 精确地采集地震 波信号和记录地震波 的走时是至关重要 的， 这就要 求各个传感器的数据必须同步采集。在设计槽波地 震数据采集系统时， 不仅要解决井下各数据采 集终 端之间的 同步问题 ， 同时还要 解决 同一 采 集终 端 2 个不 同通道之间的 同步采样问题 ， 还需采用 弱信 号处 理技 术 提 高地 震 信 号 的信 噪 比_ 1 ] 。 目前 ， 国外 较先 进 的防爆 槽 波地 震勘 探 仪 器要 属 S u mmi t 型 和 S u mmi t 1 I E x型防爆槽波 地震仪 ， 该 仪器 由检波 器、 数据采集站、 中继 站及 中心站等部分构成， 各数 据采 集站 通 过数 据传 输 线 与 中继 站 和 中心 站 相 连 ， 即数据的同步采样通过线缆连接实现。但该仪器在 井下勘探时存在布设不方便 、 连线复杂 、 灵活性差等 问题 。而 国 内的研 究 则侧 重 理 论 研 究 ， 热 点 主 要 集 中在成像技术、 数值模拟及频散分析等算法方面， 对 槽 波地震 勘 探设 备 的研究 较少 卅。因此 ， 为提 高 槽 波地 震勘 探 设备 的 性 能 和灵 活 性 ， 本 文设 计 了一 种 分布式双 通道槽 波地 震数 据 同步采 集系 统， 采用 G P S 数字锁相环 的同步方法实现 了各数据采集终 端 之 问的 同步 。 1 系统总体 设 计 分布式槽波地震数据 同步采集系统 主要 由信号 调理与采样子系统 、 F P G A逻辑控制器 、 时钟 同步子 系 统及 S TM3 2主控 制 器 等 组 成 ， 如 图 1所 示 。 系 统工作 原理 下井前 ， GP S接收机为系统提供授 时 服 务 ， 同 时产 生 1 P P S信 号 秒 脉 冲 信 号 送 人 数 字 锁 相环作 为 基准 时钟 信 号 ， O C X0 Ov e n C o n t r o l l e d C r y s t a l Os c i l l a t o r ， 恒 温 晶 体 振 荡 器 产 生 频 率 为 1 0 MHz的本地时钟信号 ， 数字 锁相环 以本地 时钟 信号作为系统时钟源 ， 将其输 出的时钟信号调整 至 与 GP S秒脉冲信号同步 ， 将同步后 的 1 0 MHz时钟 信号送入 F P GA作为系统时钟信号 ， 经分频器分频 后 作 为 A DC 的采 样 时 钟 信 号 ， F P GA 在 系 统 时 钟 信号的驱动下进行时间累加运算 ， 为系统提供准确 的 时 间 戳 信 息 。 S TM3 2 运 行AOM Ad a p t i v e Os c i l l a t o r Mo d e l ， 自适应恒温 晶振模型 驯服算法 ， 利 用 Ka l ma n滤 波器 预测 恒温 晶振 的温 漂 特性 和老 化特性 ； 下井后 ， G P S秒脉冲信号 的消失使得数 字 I f 卜 I I l收机 卜 ． 叫提取I 服算法模型l I I I I 巫 酵 i 墨竺 E 2 0 1 7年 第 3期 黄三 等 分布 式槽 波地震数 据 同步 采集 系统设 计 3 G 抽 1 1 为 了降低 仪表 放大 器 电路 中的射 频 干扰整 流误 差， 在仪 表 放 大器 前使 用 一个 差 分低 通 滤 波器 ， 一 方面尽可 能多地 消 除输人 线路 中的射 频 干扰 ， 另一方面使每条线路与接地 共用 之间的交流信号 保持平衡 ， 同时在整个测量带宽 内维持足够高的输 入 阻抗 Ⅲ 。放大 滤 波 电路 如 图 2所 示 ， R F I 滤 波器 射 频 干扰 滤波 器 是 一 种 桥 接 电 路 ， 为 了使 桥 路平 衡 ， 必 须保 证 R 一R R， C 。 一C 。 C， 该 滤 波 器 的 一 3 d B差 分带 宽 为 1 BW D I F F一 1 2 厶 上 厶L ／ 十 ， 图 2 放大 滤波电路 共 模 带 宽决 定 于 2个 R C 网络 R C 和 R z C z 的对地 并联 阻抗 ， 而 不 受 电容 C 。的影 响 ， 一 3 d B共 模 带宽 为 1 Bw c M 一 槽 波 地 震 信 号 的 频率 范 围一 般 为 几 十 赫 兹 至 几百赫兹 ， 设计截止频率为 5 0 0 Hz的四阶巴特沃斯 低通滤 波 器 将 高 频 噪 声 滤 除 。对 于 第 1级 滤 波 电 路 ， R 。 R ， 则 滤波 器输 出为 Ql 4 叫1一 5 R 3 ／ C 4 C 5 式中 Q 为品质因数 ； “L U 为滤波器带宽。 同理 ， 对 于第 2级 滤 波 电路 ， R 一R ， 则 滤 波 器 输 出为 Q2 | C 1 √4 C 6 6 叫。 7 R5 ／ C 7 C 。 2 ． 2 ADC 电路 AD C 电路 设计 选用 2 4位 △～ ∑型八 通 道 同步 采样 模数 转换 器 ADS 1 2 5 6 ， 该器 件 内部 集成 了模 拟 多路 开关 、 输入 缓 冲 器 、 可编 程 增益 控 制器 P GA 、 四阶 △一∑调制器及可编程数字滤波器等部件 ， 既 可实 现 AD C 同步 采 样 的功 能 ， 又 可 实 现 增 益 可 编 程调节的功能 ， 可适应槽波信号动态范围大的特点 。 为 了提高输 入信 号 的抗干 扰 能力 ， AD C通 常需 要采 用差 分输 入 的形 式 ， 这 种 形 式 不 仅有 利 于 抑 制共 模 噪声 ， 还能 带来 更好 的动态 性 能 。因此 ， 本设计 采用 AD 8 1 3 1作为 ADC的驱动电路， 将信号调理电路输 出的单端模拟 信号转 换成差 分信号 输入 ADC电 路 ， 设 计 的电路 如 图 3所 示 。ADS 1 2 5 6通 过 四线 模 式 的 S P I 总线 与 F P GA 相连 ， 2 ． 5 V 的基 准 电压 由 高精度 的基准 电压芯片 AD R 4 3 1 B提供， 并经过 由 运放 OP A3 5 O组成 的参考 电压缓 冲电路增强滤波 后引入 VR E F P脚 ， 晶振 时钟 频 率 为 7 ． 6 8 MHz ， 设 置 的采 样 率约 为 2 k S a mp l e ／ s _ 9 。 图 3 AD C驱动 电路及采样 电路 3时钟 同步 子 系统 3 ．1 GPS接 收 机 电 路 目前 ， 授 时 系统 中 广 泛 应 用 的 G P S接 收 机 较 多 ， 由于各 生产 厂家 采用 的算 法 、 工 艺及 硬件平 台均 不相 同 ， 故 产 品性 能 也 有 很 大 的差 异 。综 合 考 虑 产 品的性 价 比、 稳定 性 及精 度 等 因素 ， 本 设计 采用 L EA一 6 T授 时 型 G P S接 收 机 ， 该 款 接 收 机 输 出 的 1 P P S信号精度高达 1 5 1 1 8 ， 同时有专用 的频率输出 引脚及秒脉冲输 出引脚， 频率的精度高达 1 O ， 冷 启动首次定位时间不超过 2 6 S ， 热启动和辅助启动 首次定位时间小于 1 S ， 即使在 GP S信号微弱时也 可实现加速启动， 这一特点很好地解决 了 GP S锁定 慢 、 定位难 的 问题 I 1 。L E A一6 T 授 时 型 GP S接 收 机在本设计 中的具体应用 电路如图 4所示 ， J 1 2是 连 接 G P S天线 的 S MA 底座 ， GP STX、 GPSRX引 脚 分 别 与 S T M3 2 主 控 制 器 的 US A R T1 一R X、 层 4 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 U SART1 一TX引脚相连 ， GP S 一 1 P P S是秒脉 冲信号 的输 出 引 脚 ， 与 A D9 5 4 8芯 片 的 R E F A 引 脚 相 连 ， 将 1 P P S信 号 作 为 参 考 输 入 信 号 引 入 AD9 5 4 8 芯片 。 1 S DA 2 T n血 P ULS E1 ．．L S CL 2 E x T I N T O 2 L 6 TEs r [ I I US B DP 2 5 c3 _ 3V L争 R X D 1 U S B D M 2 4 T N C V D D US B 2 3 VCC RES ER VED4 2 2 l工 簿 GN D 1 RESERVED3 2l V CC O UT RESERVED2 2O TIM EPULSE2 A ADET N 19 RESET N V ANT l8 l C R 2 0 3 2 l 2 V B C K P VC C R F 1 7 T厂 二 菩 R E S E R V E D 1 G N D 5 G N D 2 R F IN 日 l165 G N D 3 G N D 4 图 4 L E A- 6 T授 时型 G P S接收机应用 电路 3 ． 2数 字锁 相环 模 块 电路 数 字锁相 环 模块 主要 由数 字锁 相 环芯 片和 模拟 滤波 器构 成 ， 核心 电路 如 图 5所 示 。数 字 锁 相 环 芯 片作 为 整 个 模 块 的 核 心 芯 片 ， 被 用 于 跟 踪 和 锁 定 GP S接收机产生 的 1 P P S信号 ， 从而实现本地 时钟 信号与 1 P P S信号 同步 ， 本系统采用 AD9 5 4 8芯片 作为数字锁相环 ， 该芯片支持频率低至 1 Hz的参考 输 入 信 号 ， 当 所 有 的 参 考 输 入 都 消 失 的 时 候 ， AD 9 5 4 8可 自动切换 至保持 Ho l d o v e r 模式 ， 继续 为系统提供 同步的时钟 信号【 1 。模 拟滤波器作 为 辅助器件 ， 是 由图 5中的 L 一L 6 、 C 。 一C 。 及 R 一 R 等器件构成 的一个截止频率为 2 4 0 MHz 的低通 滤波器 ， 当 A D9 5 4 8芯片内的 DAc输出正弦波信号 时 ， 经过外部低通滤波器后得到频谱纯净的信号 ， 然 后从 C L KI NN 和 C L KI NP 引 脚 送 回 AD 9 5 4 8芯 片 ， 经 由时钟 分 配单 元 分 频 路 由后 输 出 期 望 的 时 钟 信号。AD 9 5 4 8与 s TM3 2单 片机通过 S P I总线通 信 ， R E S E T是 AD9 5 4 8的复位管脚。 1 苴 。 图 5 数字锁相环模块核 心电路 3 ． 3 AOM 驯 服 算法 若需要在 井下 继续 保持 时 钟 同步 ， 则 需利 用 AOM 驯服算法对 O C XO 的频 率变化 趋势进 行预 测 ， 即对 OC X O 的 老 化 特 性 和 温 漂 特 性 进 行 预测 ， 而 OC XO 的老化特性和温漂 特性均可近似为线性 曲线 ， 因此 ， 可采用 Ka l ma n滤波器来进行线性模型 的估计 。 由于 老 化 特 性 是 影 响 OC X O 频 率 长 期 稳 定性 的 主要 因素 ， 而温 漂特 性 是影 响 O C XO频 率 短 期稳定性 的主要 因素 ， 所 以， 在进行模 型预测之前 ， 需将 两者 进行 分离 提 取 ， 即利 用 2种 不 同截 止 频 率 的 I I R I n f i n i t e I mp u l s e R e s p o n s e ， 无 限冲击 响应 低通滤波器将 2个频率 不 同的参 数进行分 离。 由 Ka l ma n滤 波器 和 I I R低 通 滤 波 器 构 成 的 AOM 驯 服算 法模 型如 图 6所示 [ 1 。 引。 第 4 3卷 第 3期 2 0 1 7年 3月 VoI ． 43 NO ． 3 M a r ． 2 O 1 7 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 3 0 0 0 6 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 i x ． 2 0 1 7 ． 0 3 ． 0 0 2 任威 ， 卢 明立 ， 杨 志 明 ， 等． 重 型刮板 输送 机 张力 检测 系统 设计 E J ] ． 工 矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 3 6 - 9 ． 重型刮】皈输送机张力检测系统设计 任 威 ， 卢明 立 ， 杨 志 明 ， 闵令 江 ， 杨 善 国 1 ． 中国矿 业 大学 机 电工程 学 院 ， 江 苏 徐 州 2 2 1 1 1 6 ；2 ． 连云港 天 明装 备有 限公 司 ， 江 苏 连 云港2 2 2 0 6 2 摘 要 针 对 刮板 输送 机 运行过 程 中张力难 以有效 监测 的 问题 ， 设计 了一种 基 于有 限元 分析 的刮板 输送 机 张力检 测 系统 。通 过分析 刮 板 与刮板 链之 间的 受力 关 系 ， 寻找 刮板 与刮板链 之 间的张 力敏 感点 ， 在 若干刮 板 输 送机 刮板 上嵌 入 应 变传感 器 ， 测量 刮板 和链 条 之 间弱耦 合 点的 张 力 ， 进 而获 取 刮板 链 张 力 分 布 ， 实现 刮 板 输 送机 链 条张 力的 动 态监测 。 关 键词 煤 炭 开采 ；刮 板输 送机 ；张 力监 测 ；应 变传 感 器 ；无 线传输 中图分 类号 TD 5 2 8 ． 3 文 献标 志码 A 网络 出版 时 问 2 0 1 7 0 2 2 8 1 6 3 5 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 7 0 3 0 1 ． 1 5 0 7 ． 0 0 2 ． h t ml 收稿 日期 2 0 1 6 1 1 2 6 ； 修 回日期 2 0 1 7 - 0 1 1 2 ； 责任编辑 张强 。 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 5 1 4 7 5 4 5 5 ； 江苏省科 技成 果转化专项资金项 目 B A2 0 1 4 1 1 3 ； 江苏省政策引导类计划 产学研合 作 前 瞻性联合研究项 目 B Y2 0 1 5 0 2 3 0 8 。 作者简介 任威 1 9 9 2 一 ， 男 ， 辽宁铁岭人 ， 硕士研究生 ， 研 究方向为状态监测与故 障诊断 ， E - ma i l 1 7 5 7 7 7 1 4 5 9 q q ． c o rn。 锁 相环 及 AOM 驯服算 法 的时 钟 同步 系统 。测 试 结 果 表 明 ， 该 系统 采 集 到 的 信 号 波 形 完 整 ， 信 噪 比高 ， 各 采集 终端 在井 下 连续 工作 8 h的 时钟 同步 精 度优 于 1 O s ， 探 测 到 的煤层 厚度 与 实际 挖掘 验证 的情况 基 本一 致 。 参考 文 献 [1 ] [ 2] [ 3] [ 4] [5 ] [6 ] 张法全 ， 李宗 敏 ， 王 国富 ， 等 ． 高 动态 范 围微震 信 号采 集 系统设计E J ] ． 工矿 自动 化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 1 O 1 2 1 5 ． 姬 广忠 ， 程建 远 ， 朱培 民 ， 等 ． 煤 矿井 下槽 波 三维 数值 模 拟及 频 散 分 析 I- j ] ． 地 球 物 理 学 报 ， 2 0 1 2 ， 5 5 2 6 45 65 4． 杨思 通 ， 程 久龙． 煤巷小 构造 R a y l e i g h型槽波 超前探 测 数 值 模 拟 [ J ] ．地 球 物 理 学 报 ，2 0 1 2 ， 5 5 2 6 55 66 2． 胡 国泽 ， 滕 吉文 ， 皮娇 龙 ， 等． 井 下槽 波地 震勘 探 预防煤矿灾 害的一种地 球 物理 方法 [ J ] ． 地 球物 理学 进 展 ， 2 0 1 3 ， 2 8 1 4 3 9 4 5 1 ． 李淅龙． 煤矿井下反射地震勘探 技术初步研究 与应用 [ D ] ． 西安 西安科技 大学 ， 2 o 1 o ． 程建远 ， 江浩 ， 姬广 忠 ， 等 ． 基 于节 点式 地震 仪 的煤矿 井下槽波地震 勘探 技术 [ J ] ． 煤 炭科 学技 术 ， 2 0 1 5 ， 4 3 2 2 5 2 8． [7] [8] [ 9] [ 1 O 3 [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 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