李瑞金，郭來功
（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）
摘要：利用電阻率法可以動態(tài)地獲得煤礦井下不同地區(qū)煤層的電阻率的變化情況，根據(jù)煤層電阻率的變化特征，通過STM32為控制核心的電極采集電路，可以實(shí)時監(jiān)測每點(diǎn)電位的變化情況，采用差分測量結(jié)構(gòu)的信號處理電路送給AD模塊，提高了抗干擾能力。文章設(shè)計(jì)了基于STM32的32路電位采集、32路溫度采集和1路電流檢測電路，實(shí)時監(jiān)測32點(diǎn)煤層電位和溫度變化情況，實(shí)時檢測發(fā)射電流場的變化，并將采集的數(shù)據(jù)通過UDP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議上傳至服務(wù)器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該采集電路經(jīng)過有效的數(shù)據(jù)處理算法，能穩(wěn)定地采集每點(diǎn)電位和溫度的變化，剔除由于各種干擾出現(xiàn)的測量異常值，為分析井下巖層變化提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。
關(guān)鍵詞：電阻率；STM32；差分測量結(jié)構(gòu)；UDP；網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)處理算法
0引言
電法探測基本原理是根據(jù)地殼中地質(zhì)體的導(dǎo)電特性，通過人為地在一定區(qū)域內(nèi)施加直流電源作為激勵源產(chǎn)生直流電場，研究電場的空間分布規(guī)律，即在相同的直流電場作用下測量待測點(diǎn)相對于發(fā)射電場高電位之間的電壓，將其值通過陣列式的切換電路送到信號處理電路，STM32通過信號處理電路采集到測量點(diǎn)的電位，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以判斷某一點(diǎn)的地質(zhì)情況的變化。此方法制作的采集電路可應(yīng)用于煤礦井下煤炭開采中地質(zhì)情況變化的獲取、水文環(huán)保等工程應(yīng)用。
1電阻率法與溫度的監(jiān)測采集系統(tǒng)方案
電阻率法是集電測深和電剖面法于一體的一種多裝置多極距組合陣列勘探方法，它通過A、B電極向地下提供電流，然后在M、N極間測量電位差△UMN，從而求得該記錄點(diǎn)的電阻率
根據(jù)實(shí)測的電阻率剖面，進(jìn)行計(jì)算、處理、分析，獲得地層中的電阻率分布情況［1］。測量時只需將全部電極(幾十至上百根)置于測點(diǎn)上，然后利用STM32為控制核心的電極采集電路通過電極模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集、自動保存，通過以太網(wǎng)將采集的數(shù)據(jù)上傳到電腦，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。
本裝置采集電路以間隔1 s~5 s的采集變換頻率自動循環(huán)地切換采集每點(diǎn)電極參數(shù)，溫度采集系統(tǒng)是為了更好地了解采集處的環(huán)境變化情況，更有利于采集點(diǎn)的情況變化分析。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求，系統(tǒng)采用32路電極采集和32路溫度采集，系統(tǒng)總體方案如圖1所示。
2電極采集電路
32路電極采集主要根據(jù)電阻率法原理，通過A、B電極向地下提供電流，然后在M、N極間測量電位差△UMN，從而求得該記錄點(diǎn)的視電阻率。此采集系統(tǒng)在A、B提供的直流電場中取32個采集點(diǎn)，每一個采集點(diǎn)在正常情況下有對應(yīng)的正常參數(shù)，當(dāng)?shù)刭|(zhì)發(fā)生變化時每點(diǎn)的電極參數(shù)
將會發(fā)生變化，32路電極采集間隔為1 s~5 s，實(shí)時將采集數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)上傳到服務(wù)器，分析采集數(shù)據(jù)是否超過變化范圍。32路電極采集系統(tǒng)分為電極采集切換電路、信號處理電路兩部分。
2.1切換電路設(shè)計(jì)
32路電極采集通過2個16通道的CMOS模擬多路復(fù)用器直接接到硬件電路的每一路輸入通道，通過STM32控制其4位地址選擇端和一路使能端，選擇指定地址對應(yīng)的輸入信號從COM端輸出，各通道切換時間都是納秒級的。
2.2信號處理電路
將采集到的電極模擬量信號經(jīng)過信號處理電路，變換為適應(yīng)AD采集模塊需要的輸入信號。信號采集電路主要由差分測量結(jié)構(gòu)、信號衰減電路、電壓比較電路、8通道COMS模擬多路選擇器、運(yùn)算放大器組成。
為了有效地去除干擾所造成的測量誤差，輸入信號采用差動輸入模式，可實(shí)現(xiàn)高精度的有選擇性的測量，在消除干擾、改善線性、提高靈敏度方面有明顯的效果。差分測量結(jié)構(gòu)如圖2所示，輸出為：
信號衰減電路主要將采集到的電壓信號進(jìn)行前級衰減。電壓比較電路將采集到的電壓信號與3個基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，通過STM32判斷三路電壓比較的結(jié)果，選擇后級放大電路放大的倍數(shù)。后級放大電路放大倍數(shù)的選擇通過DG408模擬多路選擇器控制。信號衰減電路的作用是將采集到的電壓較大的信號進(jìn)行衰減，同時更好地配合后級進(jìn)行選擇性放大，將電壓調(diào)整到合適值送給AD采集。
STM32采集到電壓大小后通過DG408選擇性地對信號進(jìn)行放大，得到需要的電壓信號。信號放大電路為同相比例運(yùn)算放大電路，R1端為固定值5.1 kΩ，反饋電阻Rf為DG408選擇接通的電阻，其放大倍數(shù)為
此放大倍數(shù)為信號后級放大倍數(shù)。32路電極采集到的電壓信號經(jīng)過前級1/3信號衰減電路、再經(jīng)過后級的AU2放大單元，最后經(jīng)過信號處理電路處理后的電壓信號不但滿足AD采樣輸入電壓的要求，而且采集后的電壓信號還能夠根據(jù)上述關(guān)系的大小還原成原本采集到的電壓。
3溫度采集電路
溫度采集電路通過溫度變送器將PT100熱敏電阻的變化轉(zhuǎn)換為4 mA~20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流，然后經(jīng)低通濾波電路和取樣電阻采集電壓信號，經(jīng)過計(jì)算可以得出電流值，由Ω=2.375 mA+90.5可以得到電阻與PT100電阻值的變化，由PT100熱電阻分度表可得到溫度值，溫度采集電路如圖3所示。
溫度采集電路對應(yīng)每一路電極采集電路，溫度的采集同樣采用2個16通道的CMOS模擬多路復(fù)用器DG406切換采集每一路溫度。
4發(fā)射電流的采集
根據(jù)電阻率法原理，通過A、B電極向地下提供直流電流，該直流電流稱之為發(fā)射電流。本采集電路實(shí)時采集此路電流信號，比較采集電流值與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值，判斷A、B電極插入地下是否發(fā)生短路的情況。發(fā)射電流的采集利用霍爾電流傳感器，將采集到的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，為了將采集到的電壓信號轉(zhuǎn)換為適合AD采集的電壓，最后經(jīng)分壓處理后傳給AD。
5測量數(shù)據(jù)的處理算法
在等精度的多次重復(fù)測量過程中，發(fā)現(xiàn)有一兩個偏離圖3四路溫度采集電路算術(shù)平均值較大的數(shù)值，對于這樣的可疑測量值，究竟是由于隨機(jī)因素產(chǎn)生的測量值分散而出現(xiàn)的，還是偏離正常測量條件下出現(xiàn)的異常值，這都需要做出正確的判斷，進(jìn)行取舍。
本軟件編程在對采集數(shù)據(jù)的處理方面采用的是t檢驗(yàn)準(zhǔn)則法。對電位、溫度采集值重復(fù)測量10次，得到10組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)中序號相同的為同一個量的10次測量值，可作為一組數(shù)據(jù)。將測量值記為X1，X2，X3，…，X10，分別將這10個數(shù)作為異常值的懷疑對象，如將X1作為異常值，那么首先計(jì)算不含X1的算術(shù)平均值，=1n－1∑10i=2i≠1xi，然后再求出不含X1的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差s：
然后根據(jù)所需求的顯著性水平α及測量次數(shù)n查表，得到t檢驗(yàn)系數(shù)K(n,α)的值［2］。若滿足|x1－x|>s(xi)·K(n,α)，則認(rèn)為X1是粗大誤差的異常值，以此類推將10次測量數(shù)據(jù)都進(jìn)行判斷一次，將粗大誤差的值刪除。
6以太網(wǎng)傳輸控制
6.1電路的組成
以太網(wǎng)控制電路的作用主要是將STM32F107采集到的32路電極值和32路溫度值發(fā)送到服務(wù)器。以太網(wǎng)控制電路主要采用嵌入式芯片+以太網(wǎng)網(wǎng)卡芯片，以太網(wǎng)網(wǎng)卡芯片采用DP83848C芯片，該芯片是一種10/100 Mbit/s單路物理層以太網(wǎng)收發(fā)器，支持10/100 M的網(wǎng)絡(luò)通信和MII以及RMII接口模式。主要構(gòu)成部分有：MII/RMII接口、10 M/100 M發(fā)送模塊、10 M/100 M接收模塊、時鐘頻率發(fā)生器、DAC/ADC/LED狀態(tài)顯示模塊及相關(guān)控制寄存器。其硬件電路的連接如圖4所示。
電路的組成中，PHY層芯片DP83848C相當(dāng)于物理層，STM32F107自帶的MAC層相當(dāng)于數(shù)據(jù)鏈路層，而LWIP提供的就是網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層的功能，應(yīng)用層則需要用戶根據(jù)自己想要的功能去實(shí)現(xiàn)［3］。
其中LWIP是一個小型開源的TCP/IP協(xié)議棧，是TCP/IP的一種實(shí)現(xiàn)方式。LWIP是輕量級IP協(xié)議，有無操作系統(tǒng)的支持都可以運(yùn)行，LWIP實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對RAM 的占用，它只需十幾KB的RAM和40 KB左右的ROM就可以運(yùn)行。
LWIP有3種編程接口，分別為RAW、NETCONN和SOCKET。RAW編程接口不需要操作系統(tǒng)的支持，可以直接裸機(jī)使用LWIP，但是RAW編程接口比較復(fù)雜。RAW使用的是回調(diào)機(jī)制，需要編寫回調(diào)函數(shù)。NETCONN和SOCKET這兩種編程接口都需要有操作系統(tǒng)的支持，否則無法使用，但是這兩種接口使用起來比較簡單。
UDP協(xié)議即數(shù)據(jù)報協(xié)議，是OSI參考模型中的傳輸層協(xié)議,是一種無連接的(TCP是面向連接的)、不可靠的傳輸協(xié)議。UDP協(xié)議只是盡可能地將應(yīng)用層的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，不提供任何的瀏覽量控制、報文確認(rèn)等，也就是說當(dāng)報文發(fā)送以后是無法得知報文是否安全完整地到達(dá)目的主機(jī)的。
UDP協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)：由于現(xiàn)如今的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境可靠性高、延時低，因此UDP協(xié)議也不是那么的不堪一擊，相反由于UDP協(xié)議省去了建立連接、數(shù)據(jù)確認(rèn)、流量控制等一系列的過程，因此UDP的協(xié)議代碼量少，處理過程簡潔，實(shí)時性好。
在使用UDP或者TCP傳輸數(shù)據(jù)時都是將數(shù)據(jù)傳遞給特定主機(jī)，但是在實(shí)際使用中可能同時有多個軟件來使用網(wǎng)絡(luò)，那么需要使用端口號來區(qū)分不同的應(yīng)用。這樣就可以使用IP地址確定好目的主機(jī)，然后再使用端口號確定目的主機(jī)中的應(yīng)用程序。
UDP組織形式：LWIP中使用UDP控制塊來描述UDP，UDP控制塊是UDP協(xié)議中最核心的部分，UDP控制塊是一個結(jié)構(gòu)體，這個結(jié)構(gòu)體在udp.h中定義［4］。
7信號采集程序
基于STM32的采集電路在線模擬采集實(shí)驗(yàn)，主要采集電位、溫度和電流傳感器三路模擬量，電位的采集通過DG406采集1~16路模擬量存儲在p_ch1數(shù)組中，然后再切換到DG4062采集1~16路模擬量存儲在p_ch2數(shù)組中，相應(yīng)的數(shù)字量分別存儲在ADC_GIT1和ADC_GIT2數(shù)組中［5］。
信號采集子程序?yàn)椋?/p>
void ADC_CJ_V(void){
unsigned int i ;
DG406_1EN_ON;
DG406_2EN_OFF;
DG408_EN;
GPIOB->ODR &=0xFFFFFF1F;
GPIOB->ODR |=0x00000060;//選擇可控放大第4路
for(i=0;i<16;i++)
{
CJFlag=1;
GPIOE->ODR &=0xFFFFF807; //先清需要位
GPIOE->ODR |=(i<<3);
Delay_ms(30);//模擬開關(guān)轉(zhuǎn)換延時
p_ch0［10］ = (ADC_RCVTab［10］) * 3.3 / 4096.0;
p_ch1［i］=p_ch0［10］;//存儲模擬量
DG408_Control(i);
Delay_ms(30);//DG408模擬開關(guān)轉(zhuǎn)換延時
p_ch1［i］=p_ch0［10］;//存儲模擬量
ADC_GIT1［i］=ADC_RCVTab［10］;//存儲數(shù)字量
}
}
8結(jié)論
基于STM32的32路電位采集和溫度采集系統(tǒng)在煤礦井下的應(yīng)用，可以有效地監(jiān)測到某一點(diǎn)地質(zhì)情況的變化，將采集的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行實(shí)時分析，可以有效快速地判斷出某一點(diǎn)或某一區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害情況，達(dá)到有效監(jiān)測和預(yù)防的作用。該采集電路經(jīng)過合理的數(shù)據(jù)處理算法，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)最終得到較為理想的測量結(jié)果，通過UDP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議傳到上位機(jī)軟件，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，UDP傳輸層協(xié)議能夠穩(wěn)定可靠地傳輸數(shù)據(jù)。
參考文獻(xiàn)
［1］ 張平松,胡雄武,吳榮新.巖層變形與破壞電法測試系統(tǒng)研究［J］.巖土力學(xué),2012，33(3):952 956.
?。?］ 王俊杰，曹麗等．傳感器與檢測技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社：2011.
?。?］ 意法半導(dǎo)體. STM32F10xxx參考手冊［S］．2010.
?。?］ 林成浴.TCP/IP協(xié)議及其應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2013.
［5］ ST. STM32F10xxx CortexM3 programming manual［S］．2009．