基于STM32与LabVIEW的煤矿微震采集平台设计

张冲冲,史艳楠,2，3，姜帅帅，赵 昊

(1.河北工程大学机械与装备工程学院，河北邯郸 056038；2.河北省煤炭生态保护开采产业技术研究院，河北邯郸 056038；3.邯郸市智能车辆重点实验室，河北邯郸 056038)

0 引言

采矿活动引起的矿井突水动力灾害直接威胁煤矿安全生产 ，矿井突水的形成和发生有自然变化过程，这一变化过程中的不同阶段都伴随着岩石破裂产生微小震动信号[1-4]。微震监测技术通过对矿井突水及突水通道形成过程中岩石破裂产生的微小震动信号进行采集、处理和分析，实现对矿井突水事件的实时、连续、全空间、超前预测预报。微震信号的采集作为其中的重要环节，对矿井突水事件的预测预报准确性至关重要。因此，研发通用性强、可靠性高的微震信号采集系统，提高微震信号获取的全面性和准确性，对指导煤矿微震事件预测预报的精确性和保障煤炭安全开采具有重要的意义。

近年来，随着科学技术的进步以及突水机理的深入研究，一系列的微震信号采集系统应运而生。文献[5-6]通过使用国外成熟的ISS监测系统和SOS监测系统采集和监测微震信号，使微震信号实时准确的传输到系统中，显著提高了定位精度。文献[7]采用DSP技术设计了微震实时监测系统，利用TL16C550C芯片实现了远程数据串口传输，同时一定程度的减少了软件编程量。文献[8-10]设计了一种以FPGA为核心的微震信号采集系统，实现了调理电路的自动化调节，具有信号信噪比高、失真度小等优点。但上述系统在实际应用中存在价格贵、通用性差、编程复杂等问题。在上述文献收集和分析的基础上，本文基于STM32和LabVIEW设计了煤矿微震采集平台，该平台以STM32F107作为控制核心，LabVIEW作为交互平台的开发工具，可以实时、准确采集微震信号，且具有较好的可靠性和通用性，开发成本低，为微震事件的识别与定位分析提供了方案。

1 系统总体方案设计

煤矿微震信号采集系统主要由STM32F107主控芯片、信号调理模块、通讯模块、电源模块及人机交互平台等组成，如图1所示。该系统主要对煤矿煤层岩体破坏产生的微小震动信号的采集，实时、快速的为微震事件的分析、定位提供实时数据，可以实现煤矿突水事件的超前预测，确保煤矿安全生产。

图1 系统总体结构

信号调理模块由3种可编程、低功耗的CS3301、CS5372、CS5376芯片组成，实现对信号的放大、A/D转换、数字滤波处理；通讯模块设计有RS485总线接口，用于STM32F107主控芯片和人机交互平台的信息传递；同时考虑到采集平台外接传感器较多、存在一定的功耗、煤矿井下对电气设备的安全性要求高等因素，本文采用了KDW660-18B防爆安全型矿用电源，并设计了电压转换电路；人机交互平台是在LabVIEW软件中开发，实现了信号的通讯、解析、显示、储存和回放的功能。

2 采集系统硬件设计

2.1 STM32F107主控芯片模块

本文选用STM32F107系列作为主控芯片，其具有优秀的控制性、协同性和低能耗的特点，同时具有高集成和易开发特性，拥有较多的I/O接口和外部组件，简化了传统的硬件设计，使整个系统更容易扩展和升级，提高了系统的可靠性及通用性，实现了对传感器信号的采集、储存、通讯等控制功能。

STM32F107主控芯片模块主要包括STM32F107主控芯片、时钟电路、复位电路、滤波电路、工作状态显示电路、储存电路等组成，其各电路如图2所示。STM32内部时钟的振荡器受温度的影响会产生较大的误差，导致频率精度较低，因此本文采用高精度压电型的25 MHz晶振，有效避免时钟频率不稳定的问题。同时，采集系统由多个传感器共同采集数据，需要缓存大量数据，本文采用32G容量的FLASH来缓存和储存采集到的原始数据。

图2 STM32F107主控芯片模块

2.2 信号调理模块

传感器输出的微震信号为mV级的模拟信号，不利于信号的远距离传输，且达不到STM32主控芯片的信号输入范围。因此，本文采用了CS3301、CS5372、CS5376芯片作为信号采集系统的调理电路，实现对传感器采集信号的放大、模数转换及数字滤波等处理，使传感器信号能够被平台所接收。信号调理模块如图3所示。

图3 信号调理模块

放大电路选用低信噪比、极小总谐波失真率的CS3301作为远算放大器，其具有的差分输入可以实现高共模抑制比，且内部的7种增益模式，实现了高增益，提高了系统的适应能力。放大后的信号仍是高信噪比的模拟信号，不能被STM32F107主控芯片所采集，因此，本文采用了CS5372和CS5376芯片对信号进行转换和滤波处理，其转换器的动态范围可达到127 dB及滤波器内Sinc、FIR、IIR等数字滤波器组合滤波，满足了信号采集的精度要求。同时，利用芯片的可编程性，可以将某一通道作为标准，保证各采集通道的一致性，增加了系统的适应性。

2.3 RS485通讯模块

为了能够更加直观的观测到采集的微震数据，系统需要把采集到的数据传输到显示平台上，本文采用基于Modbus协议的RS485总线通信，其传输速率根据传输距离增加可以实现在10 Mbit/s到100 kbit/s之间变化，在理想条件下传输距离可以达到1 200 m，适合煤矿井下长距离传输。RS485模块采用总线型结构，可以实现单路32个节点的串接，简化了布线的结构，实现了长距离多站点通信，同时，采用半双工通讯节省了通信成本，采用双绞线传输，提高了共模干扰的抑制能力，保证了信号的质量。RS485通讯模块如图4所示。

图4 RS485通讯模块

2.4 电源模块

采集系统中各模块都需要电源的支持，电源模块供电的稳定性会直接影响到系统采集信号的精度，严重情况下，不但系统会有大量噪声，而且会导致系统模块的损坏以及火灾发生，影响井下煤矿安全性。为满足安全设计要求，本系统选用具有过压和过流保护功能的KDW660-18B防爆安全型矿用电源，可直接提供18 V稳定直流电压，而STM32F1及其他芯片需要DC 5 V和3.3 V电压，本系统设计了电压转换电路如图5所示。

图5 电压转换电路

本文通过LMS2575稳压芯片设计了18 V到5 V的降压电路，该芯片内部集成有一个高性能的振荡器，对电路有较好稳压效果，还能防止电流过大产生的过热和过载的问题，能够提供稳定的电压输出。5 V到3.3 V的降压电路的设计使用了LM1117稳压芯片，在其稳压芯片的输入和输出端分别接入大小不同的电容，可以稳定电源并实现电源造成低频噪声的滤除，同时减少高频信号回路的高频电阻并滤除高频噪声。

3 采集系统硬件设计

系统软件主要包括主程序、通讯程序和人机交互平台程序。

3.1 主程序

主程序是STM32程序最先运行的部分，首先是进行系统初始化操作，包括放大倍数、ADC、滤波方法、串口参数等。然后系统进入到对单片机I/O串口的循环检测，判断输入端口是否有信号输入，如果有，由单片机将数据打包发送给人机交互平台进行显示、储存等。硬件主程序设计流程图如图6所示。

图6 主程序流程图

3.2 通讯程序

本平台的采集硬件与人机交互平台是通过采用标准的Modbus协议的RS485串口实现数据传输的。首先需要配置串口的参数，然后等待程序中断，程序的中断时使用USART_IRQHandler()函数触发，如果程序触发接收中断，则程序执行prvvUARTRxISR()函数里的内容开始接受数据，并将接收的数据通过USART_SendData()函数发送至串口当中，人机交互平台不断读取串口中的数据，实现人机交互平台与STM32之间的通信。通讯程序流程图如图7所示。

图7 通讯程序流程图

3.3 通讯程序

人机交互平台利用LabVIEW平台进行搭建，主要对采集到的信号进行接收和校验，并实现对数据的显示、储存、回放等功能。在对微震信号显示软件搭建的过程中，数据传输需要顺序经过数据接收、解析和显示过程，如果采用顺序采集，数据的接收需要等到数据传输完成才能进行下一次接收，这样不仅增加了采集周期，而且会使采集数据堆叠。因此本文采用并行循环和队列技术，通过并行的方式使各个模块能够同时且独立的运行，且通过队列技术实现各个模块之间的通讯，但又不产生干涉，避免了各模块之间处理数据速度不一致时造成数据的丢失或数据的重复利用等问题。

3.3.1 数据接收与解析程序

数据的接收和采集是软件部分的关键，是信号进入软件系统的阀门，其工作是否正常直接影响着数据显示的功能。本文采用了串口通讯，而LabVIEW有2种方法实现串口通讯，一种是利用标准串口通讯函数在VC++、VB中开发动态链接库函数(DLL)供LabVIEW调用实现，另一种是通过VISA函数实现，其中VISA函数编程简单、程序可移植性强、易维护，可以缩短开发周期，因此选用VISA函数来实现串口通讯[12]。首先通过VISA配置资源函数设置串口的波特率为9 600、数据位为8位、停止位为1位，然后通过VISA串口字节数对缓冲数据的字节数进行计算，并发送给VISA读取函数，使其能够读取到完整的缓冲区数据，读取完成后VISA关闭函数结束出口数据的采集和读取，并释放函数空间。同时，通过8个布尔函数作为通道串口的开关，来控制各个串口的通断。由于平台使用数据帧的方式进行通讯，具体包括2字节的帧头、4字节的数据、1字节的校验和1字节的帧尾。当VISA Read函数将读取到的串口缓存字符串转化成字节数组，系统并不能直接提取有用的信息，所以需要数据解析模块进行数据的帧头识别、数据提取和幅值转换等操作。数据接收和解析的程序如图8所示。

(a)数据接收程序

3.3.2 数据储存与回放程序

为了方便系统进行数据的处理分析和历史数据查询，需要对采集到的数据进行储存。本文利用LabVIEW平台中TDMS文件进行数据的储存和读取，能够快速、安全、高效的储存数据，其二进制储存格式使数据的读写速度和占用内存大小都得到提升[13]，并且Excel也能加载该文件格式，方便实验数据的查看和处理。因此使用TDMS文件设计了数据储存程序，首先通过TDMS打开vi创建新的TDMS文件,并对文件的储存路径和操作方式进行设置；同时为了标识每组数据，通过TDMS写入vi定义数据储存的时间及时间间隔；然后通过TDMS写入vi把采集的信号写入储存文件，并定义写入vi的组名和通道名，确定TDMS文件数据的名字和格式。最后通过TDMS关闭vi完成对数据的储存。而数据回放程序是为了对历史数据进行查询及总结，通过读取已存数据，并将其重新复现显示的过程。由于储存的数据是一种带标识的二进制TDMS文件，因此在进行数据回放时，系统根据用户制定的时间点从储存数据中数组元素所对应的时刻开始回放波形，直到最后一个数据或用户指定结束时间点。数据储存与回放程序如图9所示。

(a)数据储存程序

4 系统试验测试

本文研究的煤矿微震采集平台为井下微震信号提供了一个直观的显示平台，平台显示界面如图10所示。

图10 平台显示界面

为了验证煤矿微震采集平台的有效性和稳定性，将搭建好的系统放置在平坦且干扰少的环境中进行测试。将微震传感器埋入地下，利用系统采集地下天然产生的微弱振动，由于微震信号的振幅一般为mV级，信号容易被其他噪声污染，为了减小影响因素，选取深夜进行信号的采集，信号经过放大、A/D转换和数字滤波处理后，显示的波形如图11所示，从图11可以看出，该平台能够采集到mV级的微震信号，由此可以得到系统的动态范围为：

图11 信号采集波形

(1)

计算结果表明该平台能够采集到较大动态范围的微震信号。同时，从图11可以看出，系统在信号发生突变时没有出现削波现象，因此该平台能够对突变的微震信号快速调整。

为了进一步验证煤矿微震采集平台的可靠性，使用信号发生器产生不同频率的混合波形，并输入到系统的采集模块，再选取同一时间段的采集信号与发生器信号的1 024个数值进行皮尔逊相关分析，其计算公式为：

(2)

式中：N为变量取值个数；Xi、Yi为2信号的变量值。

经过计算得出2信号的相关系数为0.943 7，而相关系数在(0.8,1.0]之间表示2信号极强相关，即信号相似度高，因此结果表明微震信号采集系统可以准确采集到微震信号，并且具有较高的稳定性。

5 结束语

本文介绍了煤矿微震采集平台的设计与实现，设计了可编程调理电路与STM32F107相结合的数据采集电路，通过LabVIEW平台搭建了微震信号显示软件，利用平台的图形化编程环境和大量的函数库提高了系统开发效率，采用并行循环和队列技术将功能模块化，易于用户操作，同时保证了程序的可重用性和可扩展性。系统试验效果表明，该系统能实现对微震信号的实时采集和储存，能够采集宽动态范围的微震信号，并实时地以波形显示，直观明了，且运行的稳定性好、可靠性高，系统地开发为微震事件的识别与准确定位提供了解决方案。