基于電阻率法的信號(hào)采集及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难芯?/h1>

2016-12-02 09:35:06李瑞金郭來(lái)功

網(wǎng)絡(luò)安全與數(shù)據(jù)管理訂閱 2016年21期 收藏

關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)電阻率電位

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)

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基于電阻率法的信號(hào)采集及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难芯?/p>

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)

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。

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

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。

圖1 采集系統(tǒng)總體方案

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：

y=y1-y2=f1(U1,ΔU)-f2(U2,ΔU)

圖2 差分測(cè)量結(jié)構(gòu)

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。

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。

圖3 四路溫度采集電路

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

(1)

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。

圖4 DP83848C硬件電路

6.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議介紹

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(gè)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(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)。

[1] 張平松,胡雄武,吳榮新.巖層變形與破壞電法測(cè)試系統(tǒng)研究[J].巖土力學(xué),2012，33(3):952-956.

[2] 王俊杰，曹麗等．傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社：2011.

[3] 意法半導(dǎo)體. STM32F10xxx參考手冊(cè)[S]．2010.

[4] 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 Cortex-M3 programming manual[S]．2009．

The research of signal acquisition and network transmission based on resistivity

Li Ruijin, Guo Laigong

(Electrical and Information Engineering College, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001,China)

Using current resistivity can dynamically get the changes of resistivity in different rock stratas of the coal mine. According to characteristics of the rock resistivity, and using STM32 as the control core of gather circuits can unremittingly monitor the changes of every point electrode. Through the processed signals sending to AD module, improves the ability of anti-jamming. The article designed 32 channels electrode acquisition circuit based on STM32, 32 channels temperature acquisition circuit and one channel current detection circuit. By switching circuit for real-time monitoring of 32 points rock electrode and temperature changes, detecting the changes of the emission current field. The collected data is uploaded to the server through the UDP network transmission protocol. The experimental results show that through effective data processing algorithm, the acquisition circuit can collect each point of electric potential and temperature stably, and eliminate outliers due to various kinds of interference measurement. It provides a powerful data support for analyzing the changes of the underground rock.

resistivity; STM32; differential measurement structure; UDP; network; data processing algorithm

TN919

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.21.019

李瑞金，郭來(lái)功. 基于電阻率法的信號(hào)采集及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难芯縖J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(21)：61-64.

2016-07-03)

李瑞金(1983-)，通信作者，男，碩士研究生，助理實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：電力傳動(dòng)控制技術(shù)。E-mail：liruijinrona@163.com。

郭來(lái)功(1980-)，男，博士，副教授，主要研究方向：電路與系統(tǒng)。

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