矿井在线式电法勘探仪的设计
2022-06-09
秦伟
（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039）
摘要：设计一种以STM32F107微控制器为硬件核心，适用于嵌入式系统的开源TCP/IP协议——LwIP的在线式电法勘探仪。仪器具备以太网接口，方便接入井下工业环网，实现顶底板含水构造的在线监测。仪器最多可扩展64个电极，具备高密度电阻率/激电法、常规电阻率/激电法2种工作模式，自动跑极，探测数据量大，探测速度快，对保障煤矿安全生产具有重大意义。
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关键词 ：STM32微控制器；自动跑极；电法仪；在线监测；LwIP
中图分类号：TN912.202?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）14?0109?04
收稿日期：2015?01?10
基金项目：由中煤科工集团重庆研究院有限公司自立项目“水文监控系统及快速水源判别方法研究”资助矿井突水是威胁煤矿安全生产最主要的灾害之一，国家煤矿安全监察局提出了煤矿水害防治“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”的16字方针。突水事故大多发生在巷道掘进工作面，因而采用物探技术查明各种隐伏导含水构造[1]，提前采取防止措施成为矿井防治水工作的关键所在。矿井直流电法勘探方法以介质电性差异为基础，在巷道顶底板及工作面突水构造探测方面发挥着重要作用[2]。然而一般的电法仪器只能人工单次探测，无法接入井下以太网，无法实时监测顶底板导含水构造。因此，本文研究一种基于LwIP协议的在线式电法勘探仪，实现顶底板含水构造的全自动智能化监测。
1 电法勘探测量原理
电法勘探就是利用不同岩石间或矿石与围岩之间的电位差异，在地面上借助研究天然的或人工方法建立的电场或电磁场的分布规律，查明各种地质构造和寻找有用矿产的一种物探方法，主要有电阻率法和激电法2 种工作模式[3]。电阻率法原理：直流电法勘探通常是通过一对接地电极A，B把电流供入大地，通过另一对接地电极M，N观测岩石电阻率所必需的电位或电位差信息。用电极M，N间的电流I 和电位差ΔUMN值，计算出视电阻率值ρs，如图1所示。
激电法测量原理：供电电极A，B向地下供直流电的瞬间，在测量电极M，N 间产生一次电位差ΔU1；将供电电路断开，一次场消失，而M，N 间仍有电位差存在（称为二次电位差ΔU2），这是被极化了的地质体放电而产生的，这种现象称为地质体的激发极化（Induced Polar?ization，IP）效应，如图2所示。
2 系统硬件设计
在线式电法勘探仪由微控制器、数据采集单元、电极供电单元、分布式电极控制单元以及数据接口组成，系统框图如图3所示。供电系统通过供电电极提供直流电场，测量电极间的电位差以及供电电流通过高精度数据采集单元处理后，存储在大容量flash里面，最后通过井下以太网上传到地面进行数据反演，最终得到顶底板导含水构造。
STM32F107VC 是一款基于ARM Cortex?M3内核的32 位微控制器[4]，采用哈佛结构，有单周期乘法指令和硬件除法指令，最高工作频率可达到72 MHz，具有256 KB的闪存和64 KB的SRAM，还有性能出众的片上外设，最大限度地实现集成，大大降低系统功耗。值得一提的是，该MCU 具有以太网控制模块，符合IEEE802.3标准。
2.1 数据采集模块
基于电法勘探电阻率法测量原理，通过一对接地电极A，B把电流供入大地，测量另一对接地电极M，N间的电流I 和电位差ΔUMN值，计算出视电阻率值。数据采集模块以模/数转换芯片ADS1271为核心，它是24位的工业用模/数转换器，可提供50 kHz 的带宽，105 KSPS的转换速率，1.8 μV/℃的失调漂移以及高达109 dB 的信噪比，SPI串行接口提供至微控制器的方便连接。由于井下工作环境的复杂性，输入信号必须经过一系列处理才能最大限度实现ADS1271的高精度采集[5]，如图4所示。
2.1.1 自电补偿电路
输入信号来自M，N电极间的电位差信号或电流取样信号，该信号必须经过限幅、跟随、自电补偿等预处理，以抵消井下自然电位对后续电路的影响。自电补偿电路核心是一高精度DAC数/模转换器，MCU首先采集电极间的自然电位，然后控制DAC 输出与自然电位极性相反的补偿电位，从而消除自然电位的影响[6]，原理框图如图5所示。
2.1.2 程控放大电路
采集的电流和电位差信号与地层构造息息相关，信号的变化幅度大，若采用单一的放大增益，那么小信号经放大器放大后，幅值仍然很小，经A/D 变换后会影响数据的精密度；而大信号放大后又有可能超出A/D转换的量程，因此有必要研制放大器增益自动可调的程控增益放大器[7]，它允许输入的模拟量在很大的范围内动态变化，原理框图如图6所示。
电路以程控放大芯片PGA204为核心，通过逻辑信号A1，A0 对增益进行数字选择，可实现1，10，100，1 000 V/V四个增益档级。工作时，首先置PGA增益为1，预采样信号值，根据信号的幅值确定所需要的增益，实现最大的动态变化范围，提高采样精度。
2.1.3 模/数转换电路
为保证数据采集精度，选用差分输入24 位高精度Δ?Σ模/数转换器ADS1271，电路如图7所示。由于输入信号是单端信号，采用单端转差分芯片将单端信号变成差分信号，再输入到ADC中，各控制引脚与MCU的SPI接口相连，方便编程。
2.2 电极控制模块
高密度电阻率法是一种阵列勘探方法，测量时只需将全部电极置于测点上，然后利用程控电极转换开关结合控制软件便可实现数据的快速和自动采集。由于仪器自动跑极，因此每个电极需要分时充当A，B，M，N四个电极的功能。电极控制模块结构见图8。逻辑控制电路根据MCU发送过来的电极编号信息，打开相应的程控开关，控制电极与总线通断，实现自动跑极功能[8]。
2.3 供电模块
考虑到井下防爆要求，供电电压不超过75 V，供电电流不超过60 mA。电源具有恒压和恒流2 种工作模式，由STM32F107 通过串口通知电源模块切换。当采集到的电流很小时，说明存在高阻或电极接触不良，此时切换到恒流模式，若采集到的电流还是很小，说明电极接触存在问题，发出警告信息。
3 系统软件设计
仪器通过以太网口接收到上位机发送的控制命令后，根据工作模式自动切换电极工作状态，实现自动跑极采集功能。
3.1 ADS1271的控制时序
ADS1271采用SPI串行接口与微控制器连接，其读取时序如图9所示。
3.2 LwIP嵌入式以太网协议的移植
LwIP是瑞士计算机科学院Adam Dunkels等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈，既可以移植到操作系统上，又可以在无操作系统的情况下独立运行。LwIP协议的文件组织结构[9]如图10所示。api目录包含应用程序接口文件，core 目录为LwIP 的核心代码，包括ICMP、IP、UDP、TCP等协议的实现等，include目录是LwIP 的包含文件，netif 目录包含ARP 协议和LwIP 网络设备驱动程序的模板，提供了网络接口驱动程序的基本框架，arch 目录包含与硬件和OS 有关的文件，包括网络驱动、移植需要修改的文件[10]。
STM32F107 具有IEEE 802.3 标准的介质访问控制层（MAC），通过外接物理层（PHY）DP83848模块即可实现10/100 Mb/S 的以太网数据全双工传输。对MAC 层的初始化操作流程图如图11所示。
MAC层初始化完成后就可以初始化LwIP协议，代码如下：
void Init_lwIP（void）
{
struct ip_addr ipaddr；
struct ip_addr netmask；
struct ip_addr gw；
uint8_t macaddress[6]={ emacETHADDR0，emacETHAD?
DR1， emacETHADDR2， emacETHADDR3， emacETHADDR4，
emacETHADDR5 }；
sys_sem_t sem；
sys_ini（t ）；
mem_ini（t ）；
memp_ini（t ）；
pbuf_ini（t ）；
netif_ini（t ）；
sem = sys_sem_new（0）；
tcpip_ini（t TcpipInitDone，&sem）；
sys_sem_wai（t sem）；
sys_sem_free（sem）；
#if LWIP_DHCP
ipaddr.addr = 0；
netmask.addr = 0；
gw.addr = 0；
#else
IP4_ADDR （&ipaddr， emacIPADDR0， emacIPADDR1，
emacIPADDR2，emacIPADDR3 ）；
IP4_ADDR （&netmask， emacNET_MASK0， emac?
NET_MASK1，emacNET_MASK2，emacNET_MASK3 ）；
IP4_ADDR （&gw， emacGATEWAY_ADDR0， emacGATE?
WAY_ADDR1， emacGATEWAY_ADDR2， emacGATEWAY_AD?
DR3 ）；
#endif
Set_MAC_Address（macaddress）；
netif_add（&netif， &ipaddr， &netmask， &gw， NULL，
ðernetif_init，&tcpip_input）；
netif_set_defaul（t &netif）；
#if LWIP_DHCP
dhcp_star（t &netif）；
#endif
netif_set_up（&netif）；
}
3.3 自动跑极算法设计
由电法测量原理可知，在实际测量时，利用电极转换开关，可将每4个相邻电极进行一次组合，从而在一个测点便可获得多种电极排列的测量参数。一个测点全部测量完成后，将整个电极排列向前移动一个距离，然后进行下一测点的观测，这种过程重复进行，直到整条剖面全部测完为止。当实际电极数给定时，任意剖面测点数由下列公式决定，假设总电极数为N，测量层数序号为i，则：
编程时采用2个循环即可实现上述功能。
4 结语
本文完成了LwIP协议在STM32F107微控制器上的移植，设计了基于24位高精度模/数转换器ADS1271的矿井电法勘探仪。该仪器具有以太网连接功能，方便接入井下工业以太网，采用自动跑极的高密度电阻率/激电法、常规电阻率/激电法进行电法探测，实现顶底板含水构造的在线监测。
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参考文献
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作者简介：秦伟（1981—），男，四川眉山人，工程师，硕士。主要从事矿山救援技术研究和工程物探仪器的研发工作。