基于ARM技术的矿井自记式地震仪_吴海.pdf

第41卷第4期 2013年8月 煤田地质与勘探Vol. 41 No.4 Aug. 2013 COALGEOL汇后Y seismograph; distributive data acquisition; imbedded Linux 随着地震勘探仪器的道数越来越多，电缆的管 理和维护成本会越来越大，很多专家预测元缆存储 式地震采集站将是地震勘探仪器的发展方向［1-3）。目 前，用于天然地震台网监测的无缆遥测地震仪经过 几十年的发展，已比较成熟［ι5）。 在煤矿井下开展槽波地震探测、地震勘探以及 微震监测等，已经成为煤矿井下地质构造精细探测 的研究热点［6）。在井下开展地震勘探和监测工作， 需要多方位、大范围内的地震波记录，而且要克服 井下复杂的环境条件，因此大规模有线连接的地震 采集方式难以适应这一需求［7-8）。 为了满足目前煤矿井下地质构造勘探的需要， 中煤科工集团西安研究院研制了一套基于ARM技术 的防爆无缆自记式矿用地震仪，并生产了20套样 机，在煤矿井下已经开展了多次工业性试验，取得 了较好的勘探效果。 1 ARM技术概述 ARM全称为AdvancedRISC Machines。ARM公 收稿日期2013-04-11 司是专门从事基于阻SC技术芯片设计开发的公司， 作为知识产权供应商，其本身不直接从事芯片生 产，而是靠转让设计许可由合作公司生产各具特色 的芯片。世界各大半导体生产商从ARM公司购买其 设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领 域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微 处理器芯片进入市场。 采用阳SC架构的ARM微处理器一般具有如下 特点 a.体积小、低功耗、低成本、高性能； b.支持Thumb{l6位）／ARM32位）双指令集，能 很好的兼容8位/16位器件； c.大量使用寄存器，指令执行速度更快； d.大多数数据操作都在寄存器中完成； e.寻址方式灵活简单，执行效率高； E指令长度固定。 AT91RM9200是ATMEL针对系统控制以及通 信领域推出的基于ARM920T内核的新型微控制器， 其片内集成了USB、以太网、SPI等多种通信接口。 基金项目国家科技重大专项课题（2011ZX05040-002）；国家科技支撑计划课题（2012BAK04B04 作者简介吴海（1979一），男，陕西扶风人，工程师，从事地球物理勘探技术与装备研究。 ChaoXing 82 煤田地质与勘探第41卷 200MIPS的处理速度和先进电源管理使这款芯片非 常适合于系统控制和通信领域。本文将该芯片用于 矿井自记式地震仪的研制。 2 系统设计 系统采用32位ARM芯片，结合24位AID、SD 卡海量存储技术等构建嵌入式硬件平台；利用开源嵌 入式Linux操作系统，完成系统功能配置、数据采集 以及数据回收等功能。该仪器可实现单站3通道信号 采集。系统总体框图如图1所示。 电源模块 图l矿用地震仪原理框图 Fig. 1 Block diagram of mine seismograph 系统功能主要分为以下几个部分 a.电源模块实现对系统中各个模块的供电管 理，提供数字3.3V、5V，模拟2.5V、－2.5V的供 电。该部分实现镰氢电池组到各部分电压输出的转 换，并实现本安电源。 b. ARM中央控制单元采用三星S3c2440A核 心控制板。该芯片是基于ARM920T核心，嵌入式技 术的32位ARM处理器，其工作频率高达400MHz, 处理速度更快，能耗更低。 c.信号采集采用CirrusLogic公司提供的 CS3301ACS5373ACS5378组成的单通道采集芯 片，构成三通道采集模块，可实现三分量地震信号的 采集功能。系统最高采样率达4000 spsC9l。 d.数据存储系统采用大容量工业SD卡实现 对采集数据的实时存储。为了确保数据存储的可靠 性，在数据存储过程中增加了CRC校验。 e.时钟管理采用实时时钟芯片，利用GPS授 时器可实现对系统的准确对时。另外系统利用ARM 中央控制单元实现对仪器的工作时间调度。 t网络通信系统采用以太网实现仪器工作参 数的配置以及数据的回传功能。局域网内该仪器的网 络传输速率可以达到1MB/so g.按键管理通过该模块可对系统的工作模式 进行管理。按下不同的按键，系统分别进入对时、采 集、配置等工作模式。 b.指示灯管理通过该模块可实现对系统工作 状态的提示。不同的指示灯闪烁，提示系统分别进入 对时、采集、待机或者出现系统故障。 3 硬件设计 该地震仪的硬件电路设计主要由电源电路、采 集电路、控制电路、时钟电路等组成。其中采集电 路和控制电路是系统的关键。 3.1 电源电路 该仪器主要用于煤矿井下。由于煤矿井下设备的 特殊性，为此电源部分设计为本安电路。 电源电路部分就是要将电池输出变换成模拟和数 字5路不同的工作电压，且要实现对各路电源的管理， 以适应整个系统的低功耗要求。另外，由ARM中央控 制单元一个IO口负责开启电源模块的模拟部分电路， 从而降低系统的功耗。电源部分原理框图如图2所示。 3.3V- D 5V- D 3.3 V-A 2.5V- A -25 V-A 图2电源模块原理框图 Fig. 2 Block diagram of the power module 3.2 采集电路 采集电路的功能是将检波器的模拟输出信号转 换为数字信号，并通过SPI接口与中央控制单元相 连接，向控制单元输出转换结果，并通过控制单元 配置采集的放大倍数、采样率等参数。该部分电路 包括放大、24位ADC和数字滤波3部分组成，采用 Cirrus Logic公司提供的CS3301ACS5373ACS5378 芯片组实现信号采集和转换，其采集电路结构图如 图3所示［10）。 图3采集电路原理框图 Fig. 3 Acquisition circuit diagram 3.3 控制电路 中央控制单元利用ARM核心板实现对采集的控 制和管理。CS5378与中央控制单元的接口电路如图4 所示。中央控制单元对采集部分进行控制。 4 嵌入式Linux移植 嵌入式Linux系统具有开源、可裁剪、性能稳 定、功能强大、占用资源少等特点［12）。为了便于 ChaoXing 第4期吴海基于ARM技术的矿井自记式地震仪 83 GPIOO GPIOI GPI02 GPI03 目H PI06PLL2 TBS ATA VDDPAD GNDPAD MCILK MSYNC MDATA MFLAG 自育军rsz GPI07BOOJ 倒D蜷 丁慧 GND Rl4 Res I IOK 图4CS5378与中央控制单元的接口 Fig. 4 CS5378 interface with the central control unit 仪器进行网络化管理，在仪器中移植了嵌人式Linux 系统（11 设置Linux系统的启动参数如下 set boot params rootubiOrootfs ubi.mtdO rootfstypeubifs init/linuxrc noinitrd consolettySACl, 115200 mem65536K 将修改好的Linux内核下载到NandFlash中，系 统启动后根据按键选择进入到对应的分区启动 Linux。在嵌入式Linux系统下开发了仪器的管理软 件，这样在Linux环境下可以实现对仪器的工作模式 配置及数据回收工作。 5 软件设计 系统采用模块化设计思想，完成各功能器件的驱 动程序，最后实现系统的数据采集和存储。系统软件 功能模块框图如图5所示。 ｜采集控制系统｜ 面 ｜时11l1i II仨11A川文11A I | ｜｜键｜｜扫门毛｜川牛｜｜旦l I 11 11 1Vi I I nR 11系｜｜｜ ｜｜｜动11iJi I I面｜｜统｜｜｜ 图5系统软件功能框图 Fig. 5 System so位warefunctional block diagram 嵌入式采集系统分为采集控制和SD卡读写控 制。这些功能分别由系统底层的各种硬件驱动程序来 完成，包括时钟驱动、按键驱动、LED驱动、SD卡 驱动、文件系统、AD驱动等。 系统开机（重启）后初始化各个功能端口，并对各 功能器件进行初始化。 采集控制系统负责对系统各种工作模式之间的 切换，实现系统采集和数据的存储工作。 6 性能测试 对于仪器的采集性能，在实验室分别对本底噪声、 最大信号、前放增益、采样率等参数进行了逐一测试， 其各项指标达到了预期的设计目标。样机如图6所示。 图6矿用自记式地震仪样机 Fig. 6 Mine self-recording seismograph prototype 仪器的主要技术指标如下所示 外形尺寸301.9mmx137 mmx93 mm（长X宽X高）； 质量不大于2.5kg; 工作时间不小于8h; 存储能力连续记录不小于48h的数据（采样 率1ksps; 采样间隔1/4ms, 1/2 ms, 1 ms, 2 ms, 4 ms; 本底噪声不大于1V但MSlms; 最大输入信号5V（峰峰值）； 输入信号频率响应10～800Hz（正弦波），振幅 变化不大于－6dB; 道间一致性振幅一致性不大于0.5；相位一 致性不大于0.1; 串音优于－100dB; 动态范围不小于120dB（采样率1ksps; 防爆型式矿用本质安全型； 防爆标志“ExiblMb”。 6.1 本底噪声试验 将该地震仪3个通道分别短接，进行采集。通 过计算，采集通道在采样率1000 sps时等效输入噪 0.87 VRMS），达到了仪器预期的指标lV。测试数 据如图7所示。 31 - 气2I- 导l1俨 -3x10-21 -lxlo- -2xlo- -3xl0-毛 图7本底噪声 Fig. 7 The noise floor 6.2 正弦信号试验 将该地震仪3个通道并联接入信号源，输入频率 ChaoXing 第41卷煤田地质与勘探 84 20Hz，幅度为5V（峰峰值）的正弦信号，进行采集的 结果如图8所示。其结果达到了预期目标。 JO 15 道数 3900 nυAUAU nunU 内U 句，＆句 3A 丛T A哈 A丛 TA 吨 J远、社联 图8正弦信号试验结果 Fig. 8 Sinusoidal signal test results 4500 动态范围 根据动态范围定义，按照下面公式进行计算，测 6.3 4600 4 700 5 图10监测到的地震事件（记录长度2s Fig. 10 Monitored seismic eventsrecord length2 s 7 6 4 5 道数 3 2 得的仪器的动态范围为126dB。 鸟（dB D;dB）为以分贝表示地震采集站第i道的动态式中 范围；Vmaxi为最大输入信号情况下第i道的输出电压 有效值；Vmini为第i道本底噪音的电压有效值。 防爆仪器的特点，设计了一种矿用无缆自记式地震 仪，并进行了20台样机生产和各项性能指标测试， 达到了预期设计的目标。将该仪器应用于煤矿井下地 质构造勘探中，取得了较好的勘探效果。该仪器可进 行煤矿井下工作面的槽波勘探、煤矿区微震监测以及 煤矿开采“三带”发育的动态监测。 与国外仪器对比试验 为了验证仪器的采集性能，在某地面工地将其与 加拿大ARIES地震仪并联接在同一个检波器上进行 数据采集，其波形如图9所示。从图9中可以看出， 设计的地震仪其波形形态与Aries仪器完全一致。 6.4 参考文献 [I］韩晓泉．地震勘探仪器的现状及发展趋势［月．物探装备，2008, 181 1-6. [2］郭建．元缆存储式数字地震仪的现状及展望［J］.地球物理学进 ．展，2009,245 1540-1549. [3］程建远地震勘探技术的新进展与前景展望［巧．煤田地质与勘 探，2009,372 55-59. [4］周永亮GPS在地震勘探仪器中的应用［J］.物探装备，2009, 196 351-355. [5］杨涨渊，韩立国．无缆遥测地震仪网络同步采样技术研究［巧． 100 120 140 E im 160 非 怪怪 180 200 仪表技术与传感器，2009,3313 15-18. [6］贾建称，张妙逢，吴艳，等．深部煤炭资源安全高效开发地质 保障系统研究［几煤田地质与勘探，2012,406 1-7. [7］孙新，如j益成无线遥测地震仪的传输方式［巧．石油仪器， 图9设计的地震仪与ARIES地震仪采集性能对比图 Fig. 9 The acquisition perance comparison chart between the ARIES seismograph and the seismograph designed in this article 1996, 104 3-5. [8］王小波．无线传感网络在矿井物探仪器中的应用［J］.煤田地质 与勘探，2012,405 75-78. [9］王维波．基于Cirrus地球物理测量芯片的微地震数据采集器设 计［几物探装备，2009,195 281-285. [10] ION. C. Firefly cableless land acquisition system datasheet[DB/- OL].[2009-4-12]. h即／／. [11] RAGHAVANP, AMOLL, SR底AMN. Embedded linux system design and development[M]. Boca Raton Auerbach, 2005. [12］孙天泽，袁文菊．嵌入式设计及Linux驱动开发指南－基于 ARM9处理器［M］.北京电子工业出版社，2007. 应用实例 在山西王庄煤矿3045采煤工作面上方布置了9 台研制的地震仪进行连续不间断监测，图10是从6h 的监测数据中选取出来的地震事件。利用得到的这些 事件拾取初至时间后，实现了对震源的有效定位。 8 3吾 选用先进的ARM嵌入式处理器，结合目前矿用 生士 -s1 7 ChaoXing