多通道微震信号采集系统设计.pdf

第 44卷 第 8 期 2018年 8 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 8 Aug. 2018 文章编号671-251X201808-0100-05 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018010002 多 通 道 微 震 信 号 集 系 统 设 计 蔡建羡，缪杰，姚振静，李亚南，韩智明 防灾科技学院振动精密测量技术与仪器重点实验室， 河 北 廊 坊 065200 摘要 针对现有矿山微震信号采集系统存在价格昂贵且通用性不强等问题， 设计了 一种多通道微震信号 采集系统。该系统采用地震计拾取微震信号， 利用采集电路实现对微震信号的放大、数模转换及数字滤波， 利 用 STM32将滤波后的信号通过U SA R T实时发送给上位机进行分析处理。测试结果表明，该系统可以 准确采集、 记录地震计拾取的3 个通道的微震信号， 稳定性好、 可靠性高、成本低。 关键词矿山微震信号；地震计；数据采集；信号监测；STM32 中图分类号TD67 文献标志码A 网络出版地址http //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180724. 1037. 002. html Design of acquisition system of multi-channel microseismic signal CAIJianxian, MIAO Jie, YAO Zhenjing, LIYanan, HAN Zhiming Vibration Precision Measurement Technology and Instruments Key Laboratory, Institute of Disaster Prevention Science and Technology, Langfang 065200, China Abstract In view of problems of high cost and low universality existed in current acquisition systems of mine microseismic signal, an acquisition system of multi-channel microseismic signal was designed. The system adopts seismometer to collect microseismic signals, uses acquisition circuit to implement amplification for microseismic signals, analog-to-digital conversion and digital filter, and uses STM32 to real-timely send filtered signals to PC for analysis by USART. The test results show that the system can accurately collect and record 3-channel microseismic signals collected by seismometer with good stability, high reliability and low cost. Key words mine microseismic signal; seismometer; data acquisition ； signal monitoring； STM32 〇 引言 微震是指由于岩体的破裂或者流体的扰动引起 的微小震动事件， 这种微震信号被多个领域广泛应 用[1] 微震监测原理 当地下岩体发生应力变化并 产生破裂时， 会产生一种微弱的地震波信号， 向各个 方向传播， 通过分布在不同方位的地震计同时采集 微震信号， 得到微震信号的到达时间、 传播方向等信 息 ， 然后通过上位机分析处理， 判断地质灾害发生的 可能性及位置[23] 微震信号的完整性直接决定着 微震监测分析结果的正确性， 决定能否及时发现且 避开矿井中存在的危险4 20世 纪 80年代我国才开始着手研究微震监测 相关技术[ 5 6]， 国内诸多企业开始是到国外采购微震 监测系统并且学习国外的先进技术[7]。2003年 ， 国 内科研人员和澳大利亚微地震监测系统科研团队合 作 ， 共同研制成了我国第1 套用于井下监测的微地 震监测仪器， 可对不同方位采集的微震信号进行处 收稿日期2018-01-02 ;修回日期 2018-05-05 ;责任编辑 张强。 基金项目 中央高校基本科研业务费专项项目（ ZY20160104;中国地震局地震科技星火计划项目（ XH14072。 作者简介蔡建羡（ 1978 ） ， 女， 河北衡水人，副教授， 博士， 主要研究方向为控制理论与工程，E-mail c iianxianddp.edU.cn。通信作者 缪杰（ 1992-， 男 ， 江苏淮安人， 硕士研究生， 研究方向为灾害监测技术与仪器， E-mail3231693174163. com。 引用格式蔡建羡， 缪杰， 姚振静， 等. 多通道微震信号采集系统设计[ ] . 工矿自动化， 2018,448 00-104. CAI Jianxian， MIAO Jie， YAO Zhenjing,et al. Design of acquisition system of multi-channel microseismic signal[J]. Industry and Mine Automation,2018,448 ； 100-104. 2 0 1 8 年 第 8 期 蔡 建 羨 等 多 通 道 微 震 信 号 采 集 系 统 设 计 .101 理分析， 但当时处理器性能低下， 数据处理速度较 慢[8]。发展至今， 微震监测技术受到 科 研人员的重视， 国内诸 矿山 - 科研单 位 研究微震 集 、 处理 输技术） ]， 如 科技大 学 研 发 的 BM S微地震监测系统等。 用的监测设备多为 集 卡 与 工 控 机 组 成[ 1 0 ] 备 ， 在实际应用中 许多工程问题， 如 备 ， 不适合大 ； 设备不具备普 用 性 ， 不能应用于不 [11]。 这些问 题％ 计 于 STM32 通道微震信号采 集系统。该系统 集 、 记录井下 地震 计拾 3 个通 微震信号， 并通过串口或 网将数据实时发送给上位机处理分析。系统能够 应井下不 ， 集 性 、 小 - 大。 号进行放大， 再经过 A D 转换、 数字滤波后通过SPI 传 输 给 STM3 2 芯片。STM3 2 再将滤波后的信号 通 过 U SART实时发送给上位机分析处理， 同时把 到 SD 卡中。 图1多通道微震信号采集系统整体框架 Fig. 1 Overall framework of acquisition system of multi-channel microseismic signal 2硬件电路设计 1系统整体框架设计 多通道微震信号采集系统整体框架如图1 所 示 ， 系统以STM3 2 为主控芯片， 由 CS3301放大电 路 、 CS5372 A D 转换电路、 CS5376数字滤波电路、 SD 卡存储电路、 SPS 成 ， 其中采集 有 3 个输入通道， 用于采集地震计拾 向（ X 方 向 南北向（ Y 方向） 及垂直 向 （ Z 方向） 的地震信 号 。地震计采用井下高频地震计FZ- 1 ， 其 特 性 为 1〜200 Hz， 灵敏度为1 000 V/m . s〇,适合 监测震级微小的地震。通常情况下， 地震计采集到 信号十分微弱， 无法直 其 理％ 信 2.1 放大电路设计 微震信号通过地下岩体层层传播后， 地震计拾 取到的信号已经变得十分微弱， 如果不进行增益放 大 ， 就会 得 微震信号， 因此， 先将 集到的信号 放大处理， 再 AD [12]。 于不 实际监测场地， 可以通过软件设置 放大增益系数。CS3301芯 分输 、 差分输出， 具 有 1〜6倍放大范围 程增益 放大器， 噪声性能好， 且具有极小 波 ， 非 常适用于微弱信号监测， 所以， 采 用 CS3301芯片作 为 放大器， 放大 如 图 2 所示。 104 ■丨104 100 ,680 1680 L03103 ,680 680 104104 104 K- - V A - O U T R - TESTOUT O U T F- TEST0 OUTF VA OUTR INA M UX1 INB TEST1 IN A - TEST2 IN B - GAIN0 M UX0 GAIN1 VD GAIN2 LPW R CLK DGND PW DN TVS 1 nFDATAF1 20 kQ D A T A R l- 3C H - 120 kQ 15 kQ 丄 v b 10k〇3 2〇i Q [ j 5 l p n F J 下O p F [ 20 m T M CLK 图2放大 Fig. 2 Amplifier circuit 为了消除高频噪声带来的影响， 在 CS3301芯 片输入信号口设计R C 滤波 放大前的预滤 波处理。差分信号INA 与 INA ， 。此外， 接口处使用 T V S 二极管组成限压电路， 可以抑制外界引起的浪 涌电压， 保护芯片不被烧毁[13]。CS3301的输出管 脚 OUTR ； O U TF的输出信号还 R C 滤 波 ， 防 止 CS5372 A/D 发生频率 。 .102 .工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 增 益 放 大 系 数 由 3 个 管 脚 GAIN0、 GAIN1 和 GAIN2 共同决定。 2.2 A D 转换电路设计 CS3301放大后输出的信号仍然是模拟信号， 无 法被数字处理器所识别处理， 因此， 需要设计A D 转 换电路， 在 A D 转换器中进行模数转换， A D 转换电 路 以 CS5372为核心， 如 图 3 所示。CS5372芯片为 具有高动态范围、 低功耗、 高性能的模数转换芯片， 其动态范围可达1 2 1 dB，具有极低的总谐波失真 小于一 118dB和较强的微弱信号监测能力， 模数 转 换 位 数 为 2 4 位 。CS5372作为前端采集电路的 A D 芯片， 可 与 CS5376数字滤波器组合使用， 组成 具有较高分辨率的A D 测量系统。 图3 AD转换电路 Fig. 3 AD conversion circuit CS5372芯片需要2. 5 V 的模拟电源、3. 3 V 数字电源及2. 5 V 基准电压驱动， 并 且 V A 管 脚 必 须 与 VREF管脚连接。在 图 3 中， MFLAG 是超量程标志位， 高电平表示调制器由于模拟输入 过大而不稳定。M DATA是 A D 转换的输出信号， 其输出采用比特串行数据流的方式， 位流的速率为 512 kbit/s或 者 216 kbit/s，输 出 速 率 根 据 MCLK 的值进行调整。M SYNC和 M CLK都 由 CS5376产 生，M CLK给 CS5372提供内部主时钟，M SYNC给 CS5372提供同步时钟。 2. 3 数字滤波电路设计 数字滤波电路采用CS5376芯片设计，CS5376 芯片是一种低功率、 多通道、 数字可编程的数字滤波 器 。CS5376数字 滤 波 器 的 作 用 是 将 CS5372输出 的 1 bit数据流进行抽取滤波并转换成24 bit数据， 同时滤掉通带以外的噪声信号。CS5376主要包括 以下模块抽取滤波模块， 用 于 将 1 bit数字流转换 成 24 bit数据;SPI接口模块， 用于和外部控制器通 信;SD接口模块， 用于传输滤波后的数据； 时钟同步 模块，，用于产生时钟信号M CLK和 SYNC，，同步外 部 CS3301与 CS5372芯片工作[14]。数字滤波电路 如 图 4 所示。 图4数字滤波电路 Fig. 4 Digital filter circuit CS5376滤波芯片将处理后的数据通过SD 接 口模块与STM3 2 的 SPI 口进行数据传输通信。SD 接口的管脚及功能[15*见表1。 表1 SD接口管脚及功能 Table 1 SD Interface pin and its functions 管 脚性 质功 能 SDTKI 输 入 令牌输入， 要读取数据， 必须先给CS5376 一个高脉冲 SDDRY 输 出数据就绪输出信号 SD CLK 输 入串行时钟输入 SDDAT 输 出 串行数据输出， 在SDCLK上升沿准备， 下 降 输 出 SDTKO 输 出串行数据输出结束信号 CS5376把滤波后的数据存储到其内部的FIFO 中，当 FIFO存满数据后， 在 SDTKI第 1 个上升沿 到来时拉低SDDRY信号，CS5376开始进行数据传 输 。在串行时钟SDCLK脉冲下， SDDAT不断进行 数据发送。当 SD端口 FIFO 中所有的数据被读取 后 ， 释 放 SDDRY信号， 并 且 SDTKO触 发 100 n s的 高脉冲， 停止数据传输。 3软件设计 多通道微震信号采集系统软件设计的主要工作 是 对 CS5376滤波芯片进行初始化配置和信号传输 控制， 使其各项工作参数能够按照不同的实际现场 需要进行实时改变。 2 0 1 8 年 第 8 期 蔡 建 羨 等 多 通 道 微 震 信 号 采 集 系 统 设 计 103 3. 1 CS5376配置命令传输 STM32 与 CS5376 的 SPI1 端口 连 接 ， STM32 通 过 SPI j CS5376的寄存器进行相关配置， 不同 的寄存器参数可产生不同的控制信号和指令。主要 配置的指令 设 置 主 时 钟 信 号 MCLK、 信号传输通 道 的 个 数 、 数字滤波器的偏移校正、 输出速率大小 及滤波阶数等。此外， 需要注意的是每条信号之间 至少有1 m s的延时时间。针对不同监测环境， 设置 相应的控制指令。配置指令流程如图5 所示。 图5配置指令流程 Fig. 5 Configuration instruction flow chart 3.2 外部中断采集程序 为了将采集到的信号实时发送到上位机进行分 析处理， STM3 2 与 CS5376之间采用外部中断方 式 、 STM3 2 与 CS5376之 间 通 过 SP I进行数据传 输 ， 其 中 STM32为主机， CS5376为从机， 它们之间 片选信号为SDDRY。采用外部中断触发进行数据 采集， 当 SDTKI上升沿到来时， 拉 低 SDDRY信号， STM32接收到下降沿信号后， 进入外部中断进行数 据采集， 采集存储一帧数据后， 通 过 U SART实时发 送 给 上 位 机 处 理 分 析 。外 部 中 断 采 集 流 程 如 图 6 所示。 图6外部中断采集流程 Fig. 6 External interrupt acquisition flowchart 4系统测试分析 系统搭建完成并且正常启动后， 首先需验证米 集系统能否较为完整地拾取不同频率信号的波形数 据 。使用信号发生器产生10,0 H z等多种频率正 弦信号， 并将这些信号连接到系统的采集模块， 经测 试采集效果良好。 为了进一步验证采集系统采集信号的可靠性， 将常用的数据采集器连接到井下高频地震计， 再将 微震信号采集系统的采集器部分也连接到该地震计 上 ， 采样频率都设置为100 Hz。 2 个数据采集器都连续记录了同一地震计多天 的波形数据， 截取两者同一时间段记录的数据进行 相关分析比较。为 了 比 较 这 2 组波形数据的相关 性 ， 需要借助软件， 将 2 组波形数据按照通道名分别 导入软件中， 使 用 mscohere函数对同一通道的2 组 数据进行相关性分析， 得到两者相关系数坐标， 相关 系数越接近1， 表示信号越相似。通 道 1 一通 道 3 相 关系数计算结果如图7图 9 所示。 1 0 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 采样频率为100 H z时， 只能记录0 4 0 H z范 围内的波形。结合上述测试结果， 在 0 4 0 H z范围 内， 2 个数据采集器采集到的三通道波形两两之间 的相关系数很高， 而相关系数越高， 表 明 2 组波形越 相似， 验证了信号采集系统的可靠性， 系统可准确地 拾取井下高频微破裂地震信号。 5结语 基 于 STM3 2 微 处 理 器 与 CS5376、 CS5372、 CS3301芯片搭建的多通道微震信号采集系统， 采样 速率快， 研发成本较低。地震计采集的信号通过放 大、A D 转换、 滤 波 后 发 送 给 STM3 2 处 理，STM32 将 处 理 后 的 信 号 发 送 给 上 位 机 进 行 分 析 。利用 STM3 2 的 SPI、 USART、 EXIT等外设功能， 可实现 对信号的实时采集、 发送及存储等， 时效性高、 存储 量大， 在矿山安全监测领域有很好的应用前景。测 结果表 系统 较为 地 微震波形数据， 准确地拾取井下高频微破裂地震 信号。 参 考 文 献 （ References [ 1] 柳 云 龙 ， 田 有 ， 冯 晅 ， 等 . 微 震 技 术 与 应 用 研 究 综 述 [J ].地 球 物 理 学 进 展 ， 2013,284801-1808. 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