基于精密時(shí)鐘同步技術(shù)的微震監(jiān)測(cè)分站

安 賽

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（煤炭科學(xué)研究總院），北京100013）

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)通過識(shí)別礦山動(dòng)力災(zāi)害活動(dòng)規(guī)律實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和預(yù)警，是防治煤礦沖擊地壓的重要方法，已經(jīng)被《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》和GB T 25217.4—2019 沖擊地壓測(cè)定、監(jiān)測(cè)與防治方法等規(guī)范收錄與推薦[1-3]。

目前，國外進(jìn)口的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較高的市場占有率，如：波蘭EMAG 的ARAMIS 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、波蘭礦山研究總院的SOS 微震監(jiān)測(cè)儀、南非ISSI 公司的ISS 高精度微震采集系統(tǒng)、加拿大工程微震集團(tuán)公司的ESG 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。這些微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是精度高，但缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，且為了實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)鐘同步需單獨(dú)鋪設(shè)同步線，系統(tǒng)部署及后期維護(hù)成本高[4]?，F(xiàn)階段國內(nèi)相關(guān)企業(yè)、高校和科研單位也在研究開發(fā)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如北京科技大學(xué)的BMS 微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等[5]。相關(guān)學(xué)者也發(fā)表了相關(guān)的文獻(xiàn)[6-9]。但是現(xiàn)有的微震系統(tǒng)采集站不能很好地滿足于煤礦現(xiàn)場的要求，如分站采用工業(yè)采集卡，考慮到安全性能一般采用隔爆設(shè)計(jì)，設(shè)備笨重；采用NTP 授時(shí)或者本地時(shí)鐘授時(shí)各分站同步精度低；分站采集底噪大，易造成事件異常多且波形無法拾取起跳點(diǎn)等問題。為此，設(shè)計(jì)了基于ARM 微控制器為核心、采用PTP（精密時(shí)鐘協(xié)議）時(shí)鐘同步技術(shù)的低噪聲的礦井微震監(jiān)測(cè)分站。根據(jù)設(shè)計(jì)方案井下布置多個(gè)微震采集分站，地面部署PTP 主時(shí)鐘服務(wù)器，分站與地面數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、PTP 授時(shí)服務(wù)器通過煤礦現(xiàn)有的環(huán)網(wǎng)進(jìn)行通訊與授時(shí)。

1 分站整體方案

基于精密時(shí)鐘同步技術(shù)的微震監(jiān)測(cè)分站整體框架如圖1。

圖1 微震監(jiān)測(cè)分站整體框架Fig.1 The overall framework of the microseismic monitoring substation

分站以STM32F4 為控制核心，由阻抗匹配電路、模擬低通濾波器電路、PGA204 放大電路、ADS1278 同步采樣電路、DP83848 網(wǎng)絡(luò)傳輸電路等組成。其中同步采集電路可同時(shí)采集8 路拾震傳感器的震動(dòng)信號(hào)。拾震傳感器型號(hào)為GPD-5 動(dòng)圈式傳感器，靈敏度為100 V/m/s，頻率響應(yīng)為0.5～200 Hz。采集到的信號(hào)通常比較微弱，需要進(jìn)行濾波、放大、A/D 轉(zhuǎn)換后傳輸至STM32F4 主控芯片緩存中，地面PTP 授時(shí)服務(wù)器通過環(huán)網(wǎng)實(shí)時(shí)同步各分站時(shí)鐘。主控芯片將緩存的數(shù)據(jù)加上64 位同步時(shí)間戳后通過環(huán)網(wǎng)發(fā)送至地面數(shù)據(jù)服務(wù)器。

2 分站硬件

2.1 前級(jí)預(yù)處理電路

拾震傳感器電路類似有較高內(nèi)阻的電壓源電路，為了準(zhǔn)確采集并保護(hù)后續(xù)電路，需要對(duì)拾震傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，主要包括阻抗匹配電路，模擬低通濾波電路、PGA204 放大電路。為了適應(yīng)現(xiàn)場監(jiān)測(cè)環(huán)境的多樣性及獲得最大的動(dòng)態(tài)范圍，在數(shù)據(jù)采集任務(wù)前調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)。PGA204是一款性能出色的可編程儀表放大器，根據(jù)控制引腳可實(shí)現(xiàn)×1，×10，×100，×1 000 V/V 4 種放大倍數(shù)，等效噪聲低，總諧波失真小，適用于微弱信號(hào)監(jiān)測(cè)。前級(jí)預(yù)處理電路如圖2。

圖2 前級(jí)預(yù)處理電路Fig.2 Pre-processing circuit

接口處設(shè)計(jì)TVS 電路及限壓電路，抑制通過傳輸線耦合進(jìn)來的浪涌，保護(hù)放大電路及后端的AD采集電路。E2和E3為線纜EMI 濾波器，抑制線路高頻噪聲。R3、R8、C8組成抗混疊低通濾波器?？删幊淘鲆嬗蒔GA1_A0、PGA1_A1 控制實(shí)現(xiàn)不同倍數(shù)放大。

2.2 AD 采集電路

拾震傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過前級(jí)預(yù)處理電路后，調(diào)制為可供AD 采集的高動(dòng)態(tài)范圍模擬信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)高精度、多通道測(cè)量，選用ADS1278 芯片。ADS1278具有高動(dòng)態(tài)范圍、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。可實(shí)現(xiàn)最大8 路24 位同步采樣。在高精度模式下的信噪比為111 dB，總諧波失真為-108 dB。AD 轉(zhuǎn)換電路如圖3。

圖3 AD 轉(zhuǎn)換電路Fig.3 AD conversion circuit

由圖3 可知，AD 運(yùn)行在高精度模式下。采用SPI 總線與主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。芯片的總時(shí)鐘為18 MHz，由主控芯片的TIM1 提供。

3 分站軟件

3.1 PTP 協(xié)議及實(shí)現(xiàn)

PTP（Precision Time Protocol）即IEEE1588 標(biāo)準(zhǔn)是一種高精度時(shí)間同步協(xié)議。其主要原理是通過1個(gè)同步信號(hào)周期性地對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行校正同步，最終使基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)各時(shí)鐘達(dá)到嚴(yán)格同步。分站（從時(shí)鐘）使用端對(duì)端的兩步模式下的PTP 同步協(xié)議原理如圖4[10-11]。

1）根據(jù)定義的時(shí)鐘間隔（默認(rèn)為2 s），PTP 服務(wù)器（主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)）會(huì)周期性地給分站（從時(shí)鐘）發(fā)送同步報(bào)文，并且記錄同步報(bào)文的發(fā)送時(shí)刻為t1，隨后將時(shí)間戳t1與跟隨報(bào)文打包發(fā)送給分站。分站收到PTP 服務(wù)器發(fā)送的同步報(bào)文后，記錄下收到報(bào)文的時(shí)刻為t2。

圖4 PTP 時(shí)鐘同步協(xié)議原理Fig.4 Principle of PTP clock synchronization protocol

2）分站收到跟隨報(bào)文后，解析并記錄報(bào)文中所攜帶的t1時(shí)間戳，隨后向PTP 服務(wù)器發(fā)送延時(shí)請(qǐng)求報(bào)文，并記錄報(bào)文的發(fā)出時(shí)刻為t3，PTP 服務(wù)器收到延時(shí)請(qǐng)求報(bào)文并記錄收到時(shí)刻為t4，然后將t4打包通過延時(shí)請(qǐng)求應(yīng)答報(bào)文發(fā)送給分站。

3）到此分站已經(jīng)獲取了硬件時(shí)間戳t1、t2、t3、t4。

4）記時(shí)間偏差為Toffset，傳輸延遲為Tdelay。

則有Tdelay＝t2-t1-Toffset＝t4-t3+Toffset

進(jìn)一步計(jì)算得：Tdelay=（t2-t1+t4-t3）/2；Toffset=（t2-t1+t3-t4）/2。

3.2 分站嵌入式軟件

基于精密時(shí)鐘同步技術(shù)的微震監(jiān)測(cè)分站軟件架構(gòu)如圖5。

圖5 微震監(jiān)測(cè)分站軟件架構(gòu)Fig.5 Software architecture of the microseismic monitoring substation

硬件層（HW）使用STM32F4 控制器為軟件層提供硬件服務(wù)，操作系統(tǒng)層（RTOS）使用RTX-V4.73實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)的調(diào)度處理，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧使用LWIP-1.4.1 提供網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理，精密時(shí)鐘同步協(xié)議使用ptpd-2.0.0 實(shí)現(xiàn)分站與PTP 服務(wù)器之間的精密時(shí)鐘同步協(xié)議。其中STM32F4 硬件支持符合IEEE 1588-2002 定義的以太網(wǎng)時(shí)間戳，在運(yùn)行PTP 協(xié)議后，算法即可根據(jù)Tdelay與Toffset自動(dòng)調(diào)整其64 位時(shí)鐘寄存器。由于有多個(gè)分站在系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行，需要調(diào)整ptpd.c 文件下PTP 版本、同步間隔、通告間隔、延時(shí)機(jī)制等參數(shù)嚴(yán)格相等。

4 分站性能測(cè)試

1）等效噪聲測(cè)試。等效輸入噪聲是指微震分站的輸入端連接到標(biāo)準(zhǔn)電阻時(shí)的輸出。在測(cè)試中，使用1 kΩ 的0.1%精密電阻接入信號(hào)輸入端。設(shè)置ADS1278 的采樣率為1 024 SPS（每秒采樣數(shù)），并且分別收集對(duì)應(yīng)于前置放大器PGA204 增益×1、增益×10、增益×100、增益×1 000 的數(shù)據(jù)。收集8 192 個(gè)采樣點(diǎn)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。分站等效輸入噪聲測(cè)試見表1。

表1 分站等效輸入噪聲測(cè)試Table 1 Equivalent input noise test of substation

2）同步性測(cè)試。為了測(cè)試各分站間的同步性能，需要開啟STM32F4 單片機(jī)PB5 引腳的秒脈沖模式。分別使用IP 為192.168.0.10 與20 的2 臺(tái)分站作為從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，通過交換機(jī)接入PTP 時(shí)鐘服務(wù)器，2 臺(tái)分站的PB5（#1-PPS、#2-PPS）和授時(shí)服務(wù)器（PTPPPS）分別接入示波器，示波器的時(shí)基設(shè)置為1 μs。示波器通道A 為PTP-PPS（授時(shí)服務(wù)器）秒脈沖波形，示波器通道B 為#2-PPS（分站2）秒脈沖波形，示波器通道C 為#1-PPS（分站1）秒脈沖波形，從示波器觀察可知分站2-PPS 信號(hào)與PTP-PPS 相差320 ns；#2-PPS 與#1-PPS 相差120 ns。驗(yàn)證了微震分站間的精密時(shí)鐘同步。

3）定位精度測(cè)試。為了測(cè)試分站的性能及定位精度，以該分站為核心的KJ768 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)取得安標(biāo)證書后，分別在晉煤集團(tuán)寺河煤礦、神東公司石圪臺(tái)煤礦開展井下定點(diǎn)爆破測(cè)試。從測(cè)試可知，基于該分站的KJ76 微震監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在x 方向平均誤差為3.55 m；y 方向定位誤差平均值為7.625 m；z方向定位誤差平均值為2.855 m。3 個(gè)方向定位誤差均小于10 m。

5 結(jié) 語

介紹了基于精密時(shí)鐘同步技術(shù)的微震監(jiān)測(cè)分站，微震監(jiān)測(cè)分站以STM32F4 為控制核心，由阻抗匹配電路、模擬低通濾波器電路、PGA204 放大電路、ADS1278 同步采樣電路、DP83848 網(wǎng)絡(luò)傳輸電路等組成，研發(fā)成本低、采集精度高、設(shè)備便攜；同時(shí)使用PTP 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了各分站時(shí)間的精密同步。分站測(cè)試結(jié)果表明數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、噪聲小、系統(tǒng)同步誤差低，基于該分站的KJ768 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)井下定點(diǎn)爆破試驗(yàn)定位誤差小于10 m，定位精度滿足對(duì)沖擊地壓礦井監(jiān)測(cè)的需要。