（计算机应用技术专业论文）便携式矿井地质探测仪——数据采集系统的研究与实现.pdf

太原理工人学硕士研究生学位论文 便携式矿井地质探测仪 一数据采集系统的研究与实现 摘要 伴随着计算机应用技术与信息技术的不断发展，计算机及其智 能芯片系统的应用在日常生活中已是随处可见。合理、高效地开发 嵌入式系统，使其更加优质地服务于人们的生活，已成为计算机发 展领域的又一热点。煤矿开采属于地下作业，危险性大，如果能将 嵌入式系统有效地应用于煤矿地质的超前探测方面，这能在很大程 度上提高煤矿开采的安全性。便携式矿井地质探测仪的出现，填补 了嵌入式系统在矿井地质探测安全方面应用的空白。 便携式矿井地质探测仪是利用波的分裂、转换特性及其在不同 介质中的传播速度不相同的特征，在时间和空间范围内导出介质和 厚度的变化特征，并依据一定的数学和物理关系分析得出反映介质 工程特性物理量来进行工程探测的。便携式矿井地质探测仪是由数 据采集和数据处理两大子系统以及其他配套子系统所组成的一款嵌 入式系统探测仪器。 数据采集系统主要由检波器和数据采集电路组成。检波器是基 于速度或加速度传感器的装置，它能把机械震动信号转换为电子信 号；数据采集电路的核心是a d s l 2 7 1 芯片，它的a d 分辨率为2 4 位，且具有高速s p i 接口，负责把检波器接收到的模拟信号转换成 太原理j ：人学硕士研究生学位论文 能被计算机处理的数字信号。 数据采集系统的软件部分采用了模块化的设计思想，其软件系 统主要由即时采样模块，延时采样模块和超前采样模块组成，实现 了三种不同的数据采集过程，为不同的数据处理要求提供了数据来 源。 数据采集系统是探测仪最为关键的部分，它关系到拾取信号是 否为真，也就为采集后的数据处理和分析提供了保障。 本文针对k d z l11 4 3 探测仪存在的问题，在对探测仪的系统工 作原理、设计与组成研究的基础上，着重阐述了新型探测仪数据采 集子系统的硬件设计与组成、软件设计与实现及其系统测试。 该探测仪克服了k d z l l l 4 3 探测仪的不足，适用于煤矿地质构 造的超前探测，实践表明它能够及时预测预报煤矿采区内和前方的 各种地质破坏与异常情况，可为煤炭矿井的安全开采提供有力的保 证。 关键词：矿井地质探测，嵌入式系统，数据采集，数据处理 i l 太原理工大学硕十研究生学位论文 p o r t a b l eg e o l o g i cd e t e c t i o ni n s t r u m e n t - t h er e s e a r c h & r e a l i z a t i o no n d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m a b s t r a c t w i t ht h e i n c r e a s i n gd e v e l o p m e n t i n c o m p u t e ra p p l i c a t i o n a n d i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h er e a s o n a b l ea n dh i 【g he f f i c i e n c yd e v e l o p m e n t o ft h ee m b e d d e ds y s t e m ，s e v e r i n go u rl i f ea n dp r o d u c t i o n ，i sb e c o m i n ga n e wh o tp r o j e c ti nc o m p u t e rf i e l d t h ec o a lm i n ew o r k e du n d e r g r o u n di s ad a n g e r o u sp r o f e s s i o n i ft h ee m b e d d e ds y s t e mc o u l db eu s e di nt h e a h e a dp r o s p e c t i n go ft h em i n eg e o l o g i cc o n f i g u r a t i o n ，t h es a f e t y p r o d u c t i o no fc o a l m i n ew i l lb e i m p r o v e dt o ag r e a te x t e n t t h e a p p e a r a n c eo ft h ep o r t a b l eg e o l o g i cd e t e c t i o ni n s t r u m e n t f i l l su pa d e f i c i e n c yi nt h ea p p l i c a t i o no f t h eg e o l o g i cd e t e c t i o n t h ep o r t a b l eg e o l o g i cd e t e c t i o ni n s t r u m e n tu t i l i z e sw a v es p l i t t i n g ， c o n v e r s i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dv a r i o u st r a n s m i s s i o ns p e e d si nd i f f e r e n t m e d i u mt oa r r i v et h ec h a n g i n go ff e a t u r e sa b o u tt h em e d i u ma n d m e d i u mt h i c k n e s si nt h ea s p e c to ft i m ea n dr o o m a g e ，a n da c c o m p l i s h t h em i n eg e o l o g i cd e t e c t i o nb yt h ev a r i a b l e sg o t t e nf r o ms p e c i f i c 1 1 1 太原理1 ：人学硕十研究生学位论文 r e l a t i o no fm a t ha n dp h y s i c s t h ep o r t a b l eg e o l o g i cd e t e c t i o ni n s t r u m e n t i sak i n do fe m b e d d e ds y s t e m ，w h i c hi s m a i n l yc o n s t r u c t e do fd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a t ap r o c e s s i n gs y s t e ma n do t h e rs u b s y s t e m d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sm a d eo fc y m o s c o p ea n dd a t as a m p l e c i r c u i t c y m o s c o p ei sb a s e do nv e l o c i t yo ra c c e l e r a t i o ns e n s o r , w h i c hi s u s e dt oc o n v e r tt h em e c h a n i c a ls h o c ks i g n a lt oe l e c t r o n i cs i g n a l t h ek e y p a r to fd a t as a m p l ec i r c u i ti s a d s l 2 7 1c h i pf e a t u r e d2 4 一b i t sa d r e s o l u t i o na n dh i g h s p e e ds p ii n t e r f a c e a d s l 2 7 1c h i pa n s w e r sf o r c o n v e r t i n gt h ea n a l o g i c a ls i g n a lg o t t e nf r o ma ds a m p l ep a r tt od i g i t a l s i g n a lf o rc o m p u t e r t h es o f t w a r eo fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma d o p t sm o d u l a r i z a t i o n d e s i g n i tm a i n l ym a k e so fp r o m p t l y _ s a m p l em o d u l e ，d e l a y _ s a m p l e m o d u l ea n dp r e v i o u s _ s a m p l em o d u l e ，w h i c hr e a l i z e st h es a m p l eo ft h r e e d i f f e r e n tk i n d so fd a t a ，a n do f f e r sd a t ai n p u tf o rv a r i o u sd a t ap r o c e s s d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi st h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h ed e t e c t i o n p r o b e i td e t e r m i n e st h ev a l i d i t yo ft h es a m p l ed a t aa n dt h er e l i a b i l i t yo f d a t ap r o c e s sa n dd a t aa n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m so fk d z l 11 4 3 ，t h i sp a p e rd e s c r i b e st h e d e s i g na n dc o m p o s i n go ft h eh a r d w a r e ，t h ed e s i g na n dr e a l i z i n go ft h e s o f t w a r ea n dt h es y s t e mt e s to ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mu s e di nt h e 太原理1 i 大学硕十研究生学t 寺= 论文 n e wd e t e c t i o np r o b ei np a r t i c u l a r , b a s e do nt h ed e t a i l e dr e s e a r c ho ft h e d e t e c t i o np r o b et h e o r y , d e s i g na n dc o m p o s i n g t h en e wd e t e c t i o n p r o b e o v e r c o m e st h e d i s a d v a n t a g e o f k d z ll1 4 3 ，w h i c hi ss u i tf o rt h ea h e a dp r o s p e c t i n go f t h em i n eg e o l o g i c c o n f i g u r a t i o n t h ep r a c t i c ep r o v e s t h a ti tc a nf o r e c a s tk i n d so f d e s t r u c t i o na n da b n o r m a li nc o a lm i n i n ga r e aa n dl e a d i n ga r e ai n a d v a n c e ，e n s u r e st h es a f e t yp r o d u c t i o ni nm i n i n ga r e a k e yw o r d s ：m i n eg e o l o g i cd e t e c t i o n ，e m b e d d e ds y s t e m ，d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a t ap r o c e s s i n g v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：2 曼整 日期： 洫z 工! 幺 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：筮整： 导师签名：迸l 礅 日期： 逻乙丝 日期：竺颦苎：丛 太原理工大学硕十研究生学位论文 第一章绪论 经过几十年的飞速发展，计算机及其智能芯片系统在社会各个领域已经得 到广泛应用，从汽车到飞机，从手机到显示屏，小到家用电器，大到国防设施， 嵌入式系统的应用在我们的生活中随处可见。伴随着这种应用的飞速发展，越 来越多的行业发出了对嵌入式应用系统的呼唤。加之我国属于能源大国，能源 的开采一直是我国发展的重中之重，于是，如何保证安全、适度、合理、高效 的开采能源已成为我们不得不关心的问题。 煤矿开采属于地下作业，由于其生产系统复杂，环节众多，地质条件频繁 变化的采掘工作面的推进及随时移动，给井下生产带来了一个个未知而又不安 全因素，特别是顶板、瓦斯、水、火、煤尘等五大自然灾害时刻威胁职工生命 的安全。虽然“安全第一、预防为主”的方针一直是煤矿安全生产永恒的主题， 但是伤亡事故仍然时有发生。究其原因虽有多种，但特殊的自然地质环境和恶 劣的地质条件往往是孕育惨痛事故的温床。于是，如何能够对矿井地质进行超 前探测，做到预先分析开采矿井的地质构造，是我们计算机应用者和煤矿工作 者共同的任务1 1 j 。 。 因此，要解决安全开采能源问题，则必须关注其所有的环节，而矿井地质 超前探测则是这些环节的核心所在，是安全问题的第一道门户。在这种情况下， 便携式矿井地质探测仪运用而生。 1 1 便携式矿井地质探测仪现状 自福州华虹智能科技开发有限公司和安徽理工大学联合开发的 k d z l l l 4 3 便携式矿井地质探测仪”问世并推出后，在山东兖矿、临沂局、山 西潞安局、大同煤业、晋城煤业、山西焦煤、国投新集、皖北局、淮南局、淮 北局、大屯煤业、陕西铜川局、甘肃华亭煤业、四川攀煤、广安煤电、芙蓉局、 郑煤集团、鹤壁煤业等一百多个单位得到了广泛的使用，也进行了近四年的工 太原理】：大学硕士研究生学位论文 业性运行试验。通过对本仪器的用户进行的跟踪调查，从整体效果来看， k d z l l l 4 3 便携式矿井地质探测仪基本达到设计要求，特别是在如：1 ) 顶底 煤厚及前方构造实时剖面；2 ) 围岩松动探测；3 ) 工作面内断层及隐伏构造探 测；4 ) 陷落柱探测：5 ) 巷道独头超前探测；6 ) 采空区探测；7 ) 底板岩层完 整性特征评价；8 ) 岩层探煤层；9 ) 基岩界面及起伏形态探测的应用方面取得 了良好的应用效果和明显的经济和社会效益，得到用户高度评价【2 】。但经过近 四年的工业性运行试验和用户应用研究，发现k d z l l l 4 3 便携式矿井地质探 测仪依然存在如下问题： 储存容量小，数据量不够，影响分析结果； 单色液晶，无法显示复杂波形； 采集精度低( 1 2 位a d ) ，无法满足微小波形的采集； 处理数据速度较慢，时效性较差； 探测距离小，无法探测更深层次的异常情况； 硬件构成原器件较多，给生产带来较大困难 于是，k d z l l l 4 3 便携式矿井地质探测仪的升级换代就成为必然趋势。这 就要求我们要研发出新的产品，在保持原有探测仪功能完整的前提下，使其具 有更便携、操作更简单、探测更精准、数据更精确的特点，并使其能够弥补上 述缺点，功能日益完善。 1 2 产品升级的必要性和可行性 掌握地质构造和煤层厚度是矿井设计施工的前提，随着采矿技术的发展和 高产高效矿井的建设，采用巷探、打钻探测已不能满足矿井探测的需要，因此研 究快速探测技术是十分必要的嘲。便携式矿井地质探测仪经过多年的运行，从 它的功能和性能来看，能满足基本需求，但跟国内外先进震波法检测设备相比 还有一段距离，加之对仪器本身系统功能集成化要求的提高，原探测仪的功能 和性能的提升已成为必然趋势。 随着国内外电子技术水平的提高和震波探测技术应用研究引向深入，为仪 2 太原理t 大学硕十研究生学位论文 器系统硬件本身处理能力和探测能力的提升提供了技术保障，满足进一步的市 场需求的技术条件已经具备，实现震波探测技术系统装备的升级已经成为可能。 升级后的产品将可以更广泛的适用于煤矿地质构造的探测，及时预测预报煤矿 采区内和前方的各种地质破坏与异常。 1 3 研究目的和主要工作 本次研究是对原有产品的升级换代，为使升级后的探测仪产品更适用于煤 矿地质构造的超前探测，能够及时准确地预测预报煤矿采区内和前方的各种地 质破坏与异常，为煤炭矿井的安全开采提供了有力的保证。本次设计主要是对 探测仪的总体设计方案进行研发，重点研究数据采集和存储过程，由于本次探 测仪系统功能的设计是对原有仪器在软件、硬件等各方面的升级和改进，所以 各项实验要力争从各个方面提高原有性能，提高系统的时效性、准确性、安全 性和易操作性，完善系统功能，使该探测仪更加低耗能、人性化。 1 4 论文的组织结构 本论文对应用于矿井地质超前探测的便携式矿井地质探测系统作了总体的 设计，从设计方案的策划到最后设计结果的验证作了较为具体的研究说明。第 一章分析了产品升级的必要性和可行性；在第二章主要介绍了总体设计方案的 确立，阐述了探测的理论基础并提出了本次设计的要求，对本次设计的内容作 了整体的策划；第三章主要讲述了仪器两大予系统一数据处理系统与数据采集 系统的硬件设计，并针对其数据采集系统的设计及实现做了重点的讲述；第四 章主要论述了矿井地质探测仪数据采集系统的软件开发过程以及其三大采集子 模块的具体实现方案；第五章对已设计成型的仪器进行测试，从硬件检测、软 件检测以及用户现场性能检测两个方面验证设计结果是否满足设计要求：结束 语部分对本次研究进行了总结，指出了本文的贡献和研究工作中的不足，并对 未来的发展做了展望。 太原理j ：人学硕士研究生学位论文 第二章矿井地质探测仪的总体设计方案 2 1 矿井地质探测仪的研发目的 随着我国工业产业的蓬勃发展，煤炭丌采行业也在日益兴盛。煤矿开采在 方便了人们的生活、支持了国家建设和带来经济利益的同时，它的高危险性工 作环境也威胁着井下工作人群的生命安全。因此，合理地解决井下作业的安全 问题己成为摆在我们面前的刻不容缓的课题【4 j 。 自从福州华虹智能科技开发有限公司和安徽理工大学联合开发的 “k d z l l l 4 3 便携式矿井地质探测仪”问世并推出后，在一百多个单位得到了广 泛的使用，良好的应用效果在很大程度上减轻了煤矿开采的危险性。经过近四 年的工业性运行试验及对本仪器的用户进行的跟踪调查，k d z l l l 4 3 便携式矿 井地质探测仪已基本达到设计要求，在煤矿地质探测方面取得了良好的应用效 果，得到用户高度评价。但由于k d z l l l 4 3 便携式矿井地质探测仪在探测效果 方面依然存在储存容量小，数据量不够，影响分析结果、单色液晶，无法显示 复杂波形、采集精度低( 1 2 位a d ) ，无法满足微小波形的采集、处理数据速度 较慢，时效性较差、探测距离小，无法探测更深层次的异常情况、硬件构成原 器件较多，给生产带来较大困难等的些许问题，它的升级换代就成为必然趋势。 这就要求我们要研发出新的产品，在保持原有探测仪功能完整的前提下，使其 具有携带更方便、操作更简单、探测更精准、数据更精确的特点，并能够弥补 原有探测仪的缺点，功能日益完善。 升级后的矿井地质探测仪能更好地适用于煤矿地质构造的探测，并能及时 预测预报煤矿采区内和前方的各种地质破坏与异常，避免井下事故的发生。 探测仪的探测方法和解析算法是基于十多年矿井资源探测和工程勘察检测 的实践经验和实际探测的大量数据的基础上分析提炼而来，因此升级后的产品 成型后将适用于浅层地质勘探，特别是目前矿井地质构造探测，如矿层、煤层 4 太原理t 大学硕士研究生学位论文 剩余厚度、巷道超前、小窑老空区、断层展布、陷落柱范围等探测【5 1 。 2 2 矿井地质探测仪的工作原理 矿井地质探测仪的工作过程如下： 将矿井地质探测仪系统中的检波器( 即传感器) 插入被测介质中，使之与 被测介质充分接触。在距检波器最近的地方敲击震源，进行锤击采样( 使震源 尽可能地靠近检波器，但不要与检波器接触；若震源与检波器离得太远，会产 生较大的误差) 。启动芯片与震源相连，在敲击震源的同时，启动芯片产生电压， 触发探测仪开始工作，接受采样结果。探测仪开始工作，检波器采集回地震波 形，经过a d 转换部分的放大、转换、滤波后将采集到的波形存储起来。采集 到的波形可在勘测现场利用探测仪自带的解析软件进行解析，也可以在室内的 p c 机上利用波形解析软件进行解析。解析过程一般需要地质勘探方面的专业的 人员介入，对采集回的波形的解析结果进行分析，这样就能确定异常界面，达 到定性定量的探测目的。工作流程如图2 1 所示。 开始 ， 锤击震源 t 检波器采集信号 + 仪器接收信号 ， 信号处理 + 波形存储 + 数据解析 + 得出结果 图2 - 1 探测仪的工作流程图 f i g2 - lt h ep r o c e s sf l o wd i a g r a mo f t h ed e t e c t i o ni n s t r u m e n t 太原理1 ：人学硕士研究生学位论文 2 3 探测仪的设计原理及理论基础 2 3 1 设计原理 矿井地质探测仪采用弹性波勘探原理，利用震波( 地震及声波) 为弹性波 波源，对被测介质的厚度( 距离) 和速度进行探测，通过采集地震波，经仪器 进行放大、滤波、a d 转换等处理后，再经过软件解析系统的综合分析后，从 而确定异常界面。再结合地质基础资料，最终定性和定量确定其探测结果，达 到探钡0 目的 6 1 。 2 3 2 技术基础 高分辨率矿井震波探测技术是探测仪达到探测目的的技术基础。矿井震波 是井下地震波勘探和声波检测中的纵波、横波、面波、槽波的统称。矿井震波 探测技术是在对矿井震波运动学和动力学特征理论研究基础上，通过对数字建 模，反演算法，图像处理，地质解析等专项技术的开发，以及井下观测系统， 数据采集，探采对比的应用研究所形成的。该技术是通过利用所采集的探测区 内震波信号处理后，对所有波场信息进行综合判定，从而达到高分辨的探测结 果1 7 1 。 生产过程中，影响煤矿安全高效生产的地质因素很多，而地质构造是主要 的一个方面，矿井震波探测技术正是以巷道掘进前方、回采工作面内构造探查、 巷项巷底及煤层顶底板的赋存特征和形态探查、煤层开采覆岩破坏规律探查和 煤层瓦斯集中区的探查作为主导研究对象。由于探测异常界面的两边介质特性 的差异，震波的波阻抗就会产生明显的变化( 物性差异) ，这为利用震波探测技 术进行介质分层、利用震波层析成像技术探测断裂构造及异常区、利用震波 m s p 技术超前探查巷道构造提供了物理前提i 8 1 。 矿井震波探测技术超前探测构造，探测深度可达百米以上，在回采工作面 上下巷道之间通过面内震波c t 技术进行多波联合反演，可以查出落差大于1 3 煤层的断层或落差大于l m 的断层。在回采工作面内超前探测可查明陷落柱影 6 太原理工大学硕十研究生学位论文 响范围、断层及走向等构造，同时对煤层震波的波谱分析可辨明探测区内瓦斯 相对集中区等1 9 】。 矿井震波探测技术，与现有的其他物探方法比较而言，在探测精度、探测 深度、探测手段、施工难度、理论成熟度等方面，都突显其技术方法的优越性。 实践证明高分辨率矿井震波探测技术可为煤矿安全生产提供有效的地质保障。 2 3 3 理论基础 介质在激发力的作用下，介质质点产生弹性振动，并由震源向周围介质辐 射或传播，形成地震波。在地震界面上，地震波不仅要产生反射和折射，而且 还要产生波形分裂和转换，于是不仅有无限介质中的体波，而且不会产生只在 界面附近薄层中沿界面传播的面波。由于波在不同介质中的传播速度不同，从 而在时间和空间范围内导出介质和厚度的特征。又由于地层对波的吸收具有选 择性，波的衰减与频率成正比，因此在人工弹性波的波场中，测量震波的到时 与幅频等波场信息，并依据一定的物理和数学的关系及快速傅立叶变换和频谱 分析，得出反映介质的工程特性物理量进行工程勘探【i o - 1 5 1 。 仪器采用上述原理对被测介质的厚度和波的传播速度进行探测，对探测的 数据采用如下几种解析方法：自激自收解析法、瑞雷面波解析法、折射解析法 ( 单边折射解析法、双边相遇折射剖面解析法、围岩松动折射解析法) 、反射解 析法。这四种解析法应用于仪器构成仪器四种不同探测方法，即单点探测、双 点探测、折射探测和反射探测。具备上述多种探测方法使仪器适用性更加广泛， 也突破了以往使用探测仪器只能专业人员介入的局面1 6 也0 】。 2 4 探测仪的系统组成结构 新型的矿井地质探测仪系统是由探测仪主机、检波器、启动器、通讯存储 器、震源、充电器、以太网口连接线及打印机八个部分组成。 主机 探测仪的主机部分是由主板( 数据采集系统平台以及m p c 8 2 3 e 嵌入式系 7 太原理l ：人学硕士研究生学位论文 统平台) 、液晶显示器、薄膜键盘、电池、各种外接接口插座和外壳组成。面 板上的接口有信号接口、启动接口、充电接口、u s b 通用接口( 可接打印机、 u 盘、通用键盘) 、联网接口( 以太网口供数据传输用) 组成。控制按键有辉度控 制按键和电源开关按键。 检波器 检波器为信号采集器件。探测器配有6 个检波器，和一根具有1 2 芯的航空 插头的屏蔽电缆( 可同时接6 个检波器的信号输入) 。 启动器 探测仪系统配有一个4 芯带航空插头的屏蔽电缆，供给外触发启动、先短 后断启动和先断后短启动使用。外触发启动还配备有启动传感器( 启动芯片) ， 一般是与震源紧密连接在一起。若用内触发启动时启动接口无用。 通讯存储卡 通讯存储卡是仪器的一个选件，其既可以作为仪器与微机通讯的转接卡也 可作为仪器外存存储卡。通讯存储卡内含有大容量的存储芯片，存储仪器内的 波形数据与参数，作为历史资料备查。通讯存储卡也可以用u 盘代替。 震源 震源是为仪器探测地质界面时提供的震动器械，一般是一个8 磅的锤击震 源。用户在检测不同介质和深度的对象时常需要不同震源，例如炮震、大锤、 震枪等。 充电器 探测仪外配有充电器，可对机内电池进行充电。充电器的一端接至仪器的 充电电源插座，另端直接连接2 2 0 v 民用电即可对机内电池进行充电。 以太网口连接线 以太网口连接线供探测仪与p c 机进行数据通讯时使用。 打印机 仪器可外配常用u s b 接口打印机，打印机通过仪器面板上u s b 接口与仪 器连接，用于打印输出数据及探测结果。 太原理i ：大学硕士研究生学位论文 2 5 探测仪主机的设计 2 5 1 探测仪主机的内部设计 探测仪主机是整个矿井地质探测系统的核心组成部分，它完成对整个系统 探测采样的控制，以及数据的采集、转换、接收、存储及分析。探测仪的主机 由m p c 8 2 3 e 嵌入式平台、数据采集系统、电源系统、液晶显示器、接插件以 及通讯接口组成，组成如图2 - 2 所示。 图2 - 2 矿井地质探测仪系统组成框图 f i g 2 - 2t h es t r u c t u r ed i a g r a mo f d e t e c t i o ni n s t r u m e n t 在探测仪的上述组成部分中，数据采集系统和m p c 8 2 3 e 嵌入式平台为其 最核心的组成部分，另外电源系统也在其中扮演着重要角色。m p c 8 2 3 e 嵌入 式平台即数据处理系统，它的主要功能是接收采集系统发送回的数据，进行系 统分析，并生成能反映地质探测情况的直观图形，显示、存储并发送。技术人 员可通过人机接口对主机系统进行有效控制，并通过显示设备或打印设备输出 探测结果；数据采集部分主要是对检波器即时采集到的数据进行放大、滤波等 处理，并转换成数字信号由数据处理系统进行存储和处理；电源系统为整个主 机提供工作电源。主机系统主要部分工作原理如图2 3 所示。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 电 = = 刮 数据采集系统 源 皂乒 系 统 八l 数据处理系统 y l ( m p c 8 2 3 e 嵌入式系统平台) 图2 - 3 系统主要部分工作框图 f i g 2 3t h es t r u c t u rd i a g r a mo f t h em a i np a r to f s y s t e m 2 5 2 探测仪主机的面板设计 探测仪的主机采用p v c 面板，面板的设计依然遵循简洁、功能全面的原则， 面板的设计如图2 - 4 所示。面板上有启动接口、信号接口、u s b 接口、l a n 接 口及充电接口。下方有电源开关、辉度旋钮和薄膜键盘。 启动接口通过一根4 芯的带航空插头的屏蔽电缆跟启动芯片相连。启动芯 片为一个启动传感器，敲击震源时，触发探测仪开始工作并接收信号。 信号接口通过一根具有1 2 芯的航空插头的屏蔽电缆与检波器相连，接收采 集回来的波形信号。 图2 4 面板示意图 f i g 2 - 4t h eo u t l i n eo f t h ei n s t r u m e n t 1 0 太原理工人学硕士研究生学位论文 2 5 3 探测仪的接口设计 1 仪器的人机接口界面设计 仪器的人机接口界面包括图形l c d 显示器、专用键盘、p c 键盘、u 盘、 打印机等。其中，l c d 显示器和专用键盘用硅橡胶与仪器机壳密封成为一体， 构成仪器的现场探测人机接口界面；p c 键盘和通用打印机主要作为非现场探测 ( 即室内回放) 时人机接口工具。室内回放的人机接d t 具打印机、u 盘 和p c 键盘，其分别与面板上的u s b 接口相连。 2 仪器与p c 接口设计 仪器与p c 接口是通过l a n ( 以太网) 接口来实现的。仪器面板上有一个 专用的以太网口，它专门用于仪器与p c 机的通讯。为安全起见，仪器在矿井 使用时，以太网口、u s b 口和充电口必须盖上防尘罩，以免暴露。另外，仪器 在井下使用，这些接口的控制器被关闭，对外的电压平均为0 v 符合防爆要求。 3 仪器与检波器接口设计 仪器所使用的检波器是速度或加速度传感器，其基本原理是切割磁力线产 生电动势。由于震源所产生的震动声波能量有限，因此其输出的电动势是非常 小的，有的还是非常微弱的，因此在传输给数据处理系统前一般都要进行放大 处理。信号的放大与滤波功能内置在仪器主机系统内，仪器与单个检波器的接 口只有两根线。仪器最多可以接六个检波器，即可以同时检测六个通道的波形。 4 仪器电源设计 在仪器硬件系统设计时，充分考虑了低功耗、电磁兼容性、本安电路等技 术设计。仪器硬件系统统一由机内的高能锂电池供电，电池输出最大为7 5 v ， 通过本安电源变换电路输出统一的5 v 电压向整个仪器硬件系统供电。电池和 限流电阻密封在机内的电池盒内部，电源设计完全按照本安型标准进行。 2 6 探测仪的功能设计 新型的矿井地质探测仪是一种高档的智能化产品，无论在技术上还是在使 太原理工大学硕十研究生学位论文 用上都应完全基于用户的需求设计。根据现场运行试验及勘测情况，探测仪的 探测过程应满足如下要求： 把地震波转化成电信号后转换成数字信号并存储； 通过以太网与p c 机通讯； 文件管理； 地震波形的显示； 地震波形的处理及常规处理； 地震波形的分析； 地震波形的解析并得出结果。 基于以上用户对探测仪探测功能的要求，设计仪器的功能如下： 1 人机交互功能 仪器提供完全的人机交互功能，机内拥有国标二级汉字库，无论是操作界 面、在线帮助、输出报告，还是键盘输入均采用中文，这样，人机接口是全中 文，更方便地质工作者的使用。仪器对探测过程中出现的各种各样的情况能够 进行自动的识别和判断，若有出现差错会提醒用户进行相应的修改；用户的每 一步操作都在操作栏中给予提示，而且每一步具体操作均有在线操作帮助给予 说明；仪器不仅提供有专业人员使用的功能，而且还提供了非专业人员使用的 自动探测功能。 2 智能探测功能 探测仪具有四种探测方法：单点探测、双点探测、折射探测和反射探测。 这四种方法均采用智能的数据采集和解析算法，可以将控制状态设置成全自动、 半自动和手动。这样既可无需人介入，亦可人机联合操作，还可完全由人介入 得出探测结果。即在输入有关探测参数并锤击采样后用全自动、半自动、手动 解析法都可以得到被测介质的厚度和速度，并以图形和数字的形式在l c d 显示 屏上直接表达。同时为了能够适应不同类型的被测介质层，仪器还对这几种自 动探测方法开放了其技术参数，以便请探测技术人员介入进行探测实验，得出 适合于本矿煤层介质的实际情况的经验参数，并把这些参数存在仪器里，供非 1 2 太原理= 人学硕士研究生学位论文 专业探测人员使用，使仪器的测量精度更高。 3 用户探测功能 探测仪提供此功能是给经过相关培训的技术人员进行探测时使用。由于不 同介质声波的频带、声波速度等均有所不同，为了能够对用户探测对象有比较 全面的定量分析，常需请专业人员进行介质技术参数探测实验，以便得出适合 于用户探测对象的一组经验的技术参数，供智能探测方法使用。这样可使仪器 的探测精度更高。通过用户探测功能，操作人员可以根据生产现场实际进行地 震勘探和声动检测等多种复杂工作。 用户探测功能向用户开放所有的仪器参数设置。其探测结果仅是一组可分 析的波形，无法像智能探测那样在仪器上就可得出最终的探测结果。 4 滤波功能 仪器具有滤波功能，对采集回的波形进行处理。包括频域滤波、褶积、反 褶积、反q 滤波、二维滤波以及静校正和动校正。 5 波形显示功能 采集过程完成后，采集到的波形会自动显示在屏幕上。如勘测现场不需要 分析及测算，波形可以直接存储，并能够随时满足用户的需要在l c d 显示屏上 显示出来。 6 实时测算功能 仪器可以进行实时测算。仪器内备有波形解析软件，因此波形采集后可以 立即进行解析，从而使得探测和数据处理可以在现场同时完成。 7 室内回放功能 现场勘测后，多数情况下现场无法立即输出勘测报告，有的甚至不允许输 出报告，因此需要把现场探测的结果存储起来回到室内再进行回放。因此仪器 需要设雹室内回放功能。此功能主要包括有文件管理、存储卡读写、p c 机通讯 和报告打印等功能，均是围绕着室内分析、数据转存和报告输出这一目的。室 内回放是现场勘测结果的再现。 8 在线功能 太原理工大学硕十研究生学位论文 无论仪器处于何种状态( 除打印、通讯和采样状态外) ，按相应功能键都可 以实现相应的在线帮助功能、计算器功能、显示时间功能等。 9 仪器管理功能 仪器管理功能提供：文件管理、名称设置、时间设置、打印设置、通讯设 置、记事本、使用手册、在线功能、u 盘存储等功能。 文件管理：是对智能探测和用户探测的结果进行室内回放分析，回放 的目的是使用户回到室内可对现场探测结果进行浏览分析，存储至存 储卡和输出文件报告； 名称设置：输入名称后可使用户单位名称直接显示在屏幕上，并且打 印在各类型输出文件上； 时间设置：机内拥有一个万年时钟，时间设置就是对这一时钟进行校 正； 打印设置：是设置与仪器连接的打印机类型，以便室内回放的结果能 够以文字报告形式在打印机上输出； 通讯设置：经过以太网与p c 通讯，把探测仪采集的数据传输到p c 机 并存储，供相关技术人员进一步分析并得出结果。 记事本：仪器提供一个记事本给用户用于记录在测试过程中需做出简 要说明的问题。记事本文字输入方法有多种：英文、区位、拼音、五 笔和词库输入等。在仪器中有关名称输入都有这几种方法，因此熟悉 了记事本使用方法就可用于其它名称输入； 使用手册：仪器内置一套简要说明书，概要介绍了仪器功能、技术、 性能、操作使用方法、维护注意事项和仪器配套等。它与在线帮助结 合在一起，就形成了一套完整的简要使用说明书； 另外，仪器还具有安全防爆、防潮防尘等功能。 2 7 探测仪的性能设计 探测仪的性能设计是依据实际探测需要提出的，其包括：探测介质； 1 4 太原理工人学硕+ 研究生学位论文 采集通道；人机接口；电源；外设选件；使用环境条件；重量规格。 此性能指标是通过评审来制定的，它是通过用户需要、探测条件、资源提供以 及技术条件的具备来规划的。对煤矿地质前方构造的超前探测，其技术性能指 标如下： 1 人机接口 操作系统：红帽子l i n u x 7 3 ； 操作界面：全中文界面； 显示：夏普8 0 0 6 0 02 5 6 色真彩； 接口：1 个标准u s b 接口； 键盘：专用键盘、通用键盘鼠标； 2 采集通道 通道数：采集通道数为6 个，1 6 道任选； 采样速度：单道最快采集速度为1 0 肛s t 分辨率：采样数据分辨率为2 4 位； 采样容量：3 2 k 字节； 存储容量：1 2 8 m 字节； 滤波：1 0 k h z 数字滤波； 采样问隔：1 0 1 x s 3 2 m s ( 以o 5 “s 增量可选) ； 3 探测介质 探测深度：炮震2 0 0 米以内，锤震1 0 0 米以内； 探测层数：小于1 0 层； 4 外设条件 存储：u 盘、移动硬盘等； 网络接口：以太网、r s 2 3 2 、c a n 现场总线； 打印机：标准u s b 接口； 5 电源 供电：内含高能锂电池，可连续工作6 小时以上； 太原理工大学硕士研究生学伉论文 数据保持：掉电情况下，可保证数据不丢失； 充电：配备充电器，直接用2 2 0 v 交流电充电，充电时间大于8 小时； 6 工作环境 适应环境：煤安、防爆、防湿、防尘； 工作温度：o 4 0 ； 相对湿度：夕5 ； 7 重量规格 重量：3 5 埏；规格尺寸：3 5 0 m m 2 4 8 m m 4 0 m m 。 2 8 本章小结 本章从探测仪的研发目的、工作流程、基础理论、系统设计、功能设计、 性能设计几个方面详细的说明了探测仪的设计原理及过程。在基础理论部分中， 分别讲述了探测仪的理论基础、技术基础以及它的设计原理，最后根据用户的 现场使用需求，提出了功能及性能设计的目标。 1 6 太原理工人学硕士研究生学位论文 第三章矿井地质探测仪的硬件系统组成 3 1 硬件系统的总体设计原则 根据矿井地质探测仪的设计需要， 要求来执行的，在保证质量的情况下， 件的总体设计原则要求如下几点： 硬件设计是按照探测仪的性能和功能的 同时要考虑探测仪的功耗和性价比。硬 符合探钡9 仪性能指标的要求； 符合探测仪功能的要求； 符合探测仪整体质量保证的要求； 按照探测仪总体布局的要求执行； 要与软件紧密配合，发挥各自优点，取长补短，使性能和功能发挥到 最优； 按照国家有关标准规定进行设计，做到有章可循，有法可依 设计的硬件必须容易调试，易于查故障； 设计的硬件必须符合生产工艺的要求： 硬件的元器件、原材料尽量做到容易购买，不易停产，性能稳定； 硬件设计必须符合产品升级的要求； 在质量保证的前提下，硬件设计尽量降低成本，提高性价比； 在设计过程中，要善于沟通，查询资料，及时解决问题； 在硬件设计过程中，要着重解决抗干扰问题和电磁兼容性问题； 可靠性高，运行稳定，兼容性好【2 1 - 2 2 1 。 3 2 硬件系统的主要组成部分 便携式矿井地质探测仪的硬件系统主要由两大子系统组成：数据处理系统 和数据采集系统。其中数据处理系统是以m p c 8 2 3 e 和p p c i i n u x 为核心的嵌入 1 7 太原理：人学硕士研究生学位论文 式平台系统，负责存储和处理采集回来的数据。数据采集系统主要由检波器部 分和a d 采集部分组成，负责采集地震波信号并进行a d 转换。 3 2 1 数据处理系统 数据处理系统是以m p c 8 2 3 e 和p p c i i n u x 为核心的嵌入式平台系统，负责 存储和处理采集回来的数据。它主要包括微处理器、6 4 m 字节1 6 位的s d r a m 、 6 4 m 字节1 6 位的f l a s h 、复位电路、晶振电路、电源电路以及j 1 a g 仿真接 口7 个模块。 1 微处理器的选择 新型便携式矿井地质探测仪选择m p c 8 2 3 e 嵌入式处理器为其微处理器。 之所以选用其作为系统核心，是因为其具有功能全，综合性强，耗电低等优点。 m p c 8 2 3 e 处理器是摩托罗拉半导体公司推出的p o w e r q u i c c 家族中，被 广泛使用的通讯处理器。p o w e r p c 是一个由苹果，i b m 和摩托罗拉公司共同开 发的微处理器结构，采用精简指令计算架构，使之性能优越，功能结构主要包 括：嵌入式p o w e r p c 内核，系统接1 2 1 单元( s y s t e mi n t e r f a c eu n i t ，s i