李瑞金，郭來(lái)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(dòng)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(guò)STM32為控制核心的電極采集電路，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每點(diǎn)電位的變化情況，采用差分測(cè)量結(jié)構(gòu)的信號(hào)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(cè)電路，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)32點(diǎn)煤層電位和溫度變化情況，實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)射電流場(chǎng)的變化，并將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)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(guò)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(cè)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(cè)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(cè)基本原理是根據(jù)地殼中地質(zhì)體的導(dǎo)電特性，通過(guò)人為地在一定區(qū)域內(nèi)施加直流電源作為激勵(lì)源產(chǎn)生直流電場(chǎng)，研究電場(chǎng)的空間分布規(guī)律，即在相同的直流電場(chǎng)作用下測(cè)量待測(cè)點(diǎn)相對(duì)于發(fā)射電場(chǎng)高電位之間的電壓，將其值通過(guò)陣列式的切換電路送到信號(hào)處理電路，STM32通過(guò)信號(hào)處理電路采集到測(cè)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(kāi)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(cè)采集系統(tǒng)方案

　　電阻率法是集電測(cè)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(guò)A、B電極向地下提供電流，然后在M、N極間測(cè)量電位差△UMN，從而求得該記錄點(diǎn)的電阻率根據(jù)實(shí)測(cè)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(cè)量時(shí)只需將全部電極(幾十至上百根)置于測(cè)點(diǎn)上，然后利用STM32為控制核心的電極采集電路通過(guò)電極模擬轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集、自動(dòng)保存，通過(guò)以太網(wǎng)將采集的數(shù)據(jù)上傳到電腦，可對(duì)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(dòng)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(guò)A、B電極向地下提供電流，然后在M、N極間測(cè)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(chǎng)中取32個(gè)采集點(diǎn)，每一個(gè)采集點(diǎn)在正常情況下有對(duì)應(yīng)的正常參數(shù)，當(dāng)?shù)刭|(zhì)發(fā)生變化時(shí)每點(diǎn)的電極參數(shù)

　　將會(huì)發(fā)生變化，32路電極采集間隔為1 s~5 s，實(shí)時(shí)將采集數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)上傳到服務(wù)器，分析采集數(shù)據(jù)是否超過(guò)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(hào)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(guò)2個(gè)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(guò)STM32控制其4位地址選擇端和一路使能端，選擇指定地址對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)從COM端輸出，各通道切換時(shí)間都是納秒級(jí)的。

　　2.2信號(hào)處理電路

　　將采集到的電極模擬量信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路，變換為適應(yīng)AD采集模塊需要的輸入信號(hào)。信號(hào)采集電路主要由差分測(cè)量結(jié)構(gòu)、信號(hào)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(cè)量誤差，輸入信號(hào)采用差動(dòng)輸入模式，可實(shí)現(xiàn)高精度的有選擇性的測(cè)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(cè)量結(jié)構(gòu)如圖2所示，輸出為：

　　信號(hào)衰減電路主要將采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行前級(jí)衰減。電壓比較電路將采集到的電壓信號(hào)與3個(gè)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，通過(guò)STM32判斷三路電壓比較的結(jié)果，選擇后級(jí)放大電路放大的倍數(shù)。后級(jí)放大電路放大倍數(shù)的選擇通過(guò)DG408模擬多路選擇器控制。信號(hào)衰減電路的作用是將采集到的電壓較大的信號(hào)進(jìn)行衰減，同時(shí)更好地配合后級(jí)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(guò)DG408選擇性地對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，得到需要的電壓信號(hào)。信號(hào)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(hào)后級(jí)放大倍數(shù)。32路電極采集到的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)前級(jí)1/3信號(hào)衰減電路、再經(jīng)過(guò)后級(jí)的AU2放大單元，最后經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路處理后的電壓信號(hào)不但滿足AD采樣輸入電壓的要求，而且采集后的電壓信號(hào)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(guò)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(hào)，經(jīng)過(guò)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(duì)應(yīng)每一路電極采集電路，溫度的采集同樣采用2個(gè)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(guò)A、B電極向地下提供直流電流，該直流電流稱(chēng)之為發(fā)射電流。本采集電路實(shí)時(shí)采集此路電流信號(hào)，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(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，為了將采集到的電壓信號(hào)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(cè)量數(shù)據(jù)的處理算法

　　在等精度的多次重復(fù)測(cè)量過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)有一兩個(gè)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(duì)于這樣的可疑測(cè)量值，究竟是由于隨機(jī)因素產(chǎn)生的測(cè)量值分散而出現(xiàn)的，還是偏離正常測(cè)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(duì)采集數(shù)據(jù)的處理方面采用的是t檢驗(yàn)準(zhǔn)則法。對(duì)電位、溫度采集值重復(fù)測(cè)量10次，得到10組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)中序號(hào)相同的為同一個(gè)量的10次測(cè)量值，可作為一組數(shù)據(jù)。將測(cè)量值記為X1，X2，X3，…，X10，分別將這10個(gè)數(shù)作為異常值的懷疑對(duì)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(cè)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(lèi)推將10次測(cè)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(shí)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(hù)根據(jù)自己想要的功能去實(shí)現(xiàn)［3］。

　　其中LWIP是一個(gè)小型開(kāi)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(jí)IP協(xié)議，有無(wú)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(duì)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(xiě)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(wú)法使用，但是這兩種接口使用起來(lái)比較簡(jiǎn)單。

　　UDP協(xié)議即數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，是OSI參考模型中的傳輸層協(xié)議,是一種無(wú)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(bào)文確認(rèn)等，也就是說(shuō)當(dāng)報(bào)文發(fā)送以后是無(wú)法得知報(bào)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(shí)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(guò)程，因此UDP的協(xié)議代碼量少，處理過(guò)程簡(jiǎn)潔，實(shí)時(shí)性好。

　　在使用UDP或者TCP傳輸數(shù)據(jù)時(shí)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(shí)有多個(gè)軟件來(lái)使用網(wǎng)絡(luò)，那么需要使用端口號(hào)來(lái)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(hào)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(lái)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(gè)結(jié)構(gòu)體，這個(gè)結(jié)構(gòu)體在udp.h中定義［4］。

7信號(hào)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(guò)DG406采集1~16路模擬量存儲(chǔ)在p_ch1數(shù)組中，然后再切換到DG4062采集1~16路模擬量存儲(chǔ)在p_ch2數(shù)組中，相應(yīng)的數(shù)字量分別存儲(chǔ)在ADC_GIT1和ADC_GIT2數(shù)組中［5］。

　　信號(hào)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(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換延時(shí)

　　p_ch0［10］ = (ADC_RCVTab［10］) * 3.3 / 4096.0;

　　p_ch1［i］=p_ch0［10］;//存儲(chǔ)模擬量

　　DG408_Control(i);

　　Delay_ms(30);//DG408模擬開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換延時(shí)

　　p_ch1［i］=p_ch0［10］;//存儲(chǔ)模擬量

　　ADC_GIT1［i］=ADC_RCVTab［10］;//存儲(chǔ)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(cè)到某一點(diǎn)地質(zhì)情況的變化，將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)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(cè)和預(yù)防的作用。該采集電路經(jīng)過(guò)合理的數(shù)據(jù)處理算法，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)最終得到較為理想的測(cè)量結(jié)果，通過(guò)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)

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