CN104574917B - 一种冲击地压微震实时监测系统 - Google Patents
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Abstract
一种冲击地压微震实时监测系统，属于矿山开采安全监测设备。该监测系统的微震传感器模块(1)连接信号处理模块(2)，信号处理模块(2)连接数据采集器(3)，数据采集器(3)通过井下以太网口(4)连接井下光电转换器(5)，井下光电转换器(5)和井上光电转换器(5‑1)通过光纤连接，井上光电转换器(5‑1)通过井上以太网口(4‑1)连接数据还原模块(6)，将数据显示到PC上位机系统(7)。冲击地压微震实时监测系统对微震信号可实现高性能实时性强的16通道同步采集和无延时同步输出，PC上位机系统可实现远距离监控，具有监测范围灵活，定位精度高，工作效率高，监测效果好，成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种矿山开采安全监测设备，特别是一种冲击地压微震实时监测系统。
背景技术
矿山开采诱发冲击地压产生的微震不仅造成人员伤亡、巷道阻塞、地表建筑物坍塌，而且引发煤、瓦斯等有害物质爆炸。这种突发性的矿震复杂多样，威胁着煤矿安全生产。利用物体在承受荷载时产生的声发射现象，借助电子设备对矿山开采诱发冲击地压产生的微震信号进行检测，是解决上述问题的有效措施。目前存在的微震监测系统主要是由井下信号采集、采集信号处理和井上上位机子系统组成。然而这些现有微震监测系统都有着实时性差，定位精度差，信号在远距离传输过程中容易受到外界信号干扰等问题。本发明不仅可以更精确的确定矿山震动震源位置、更精确的计算微震能量的大小，而且还能够分析得到矿山震源的其他参数，如震源的震动矩、应力降、位移等等，显示和处理长壁工作面、掘进头、地质构造等等其它许多资料，并对所形成的数据库进行管理和使用，达到微震信号实时多通道采集、光纤高速传输、数据无延时同步接收的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低、工作效率高、监测范围灵活、定位精度高，可对微震信号进行高性能实时多通道采集、数据无延时同步接收的冲击地压微震实时监测系统。
本发明解决技术问题采用的技术方案是：该监测系统包括：微震传感器模块、信号处理模块、数据采集器、井下以太网口、井下光电转换器、井上光电转换器、井上以太网口、数据还原模块和PC上位机系统；微震传感器模块连接信号处理模块，信号处理模块连接数据采集器，数据采集器通过井下以太网口连接井下光电转换器，井下光电转换器和井上光电转换器之间通过光纤连接，井上光电转换器通过以太网口连接数据还原模块，数据还原模块连接PC上位机系统。
所述的数据采集器包括：模数转换模块、主监控处理器、以太网收发器、实时时钟模块和电源模块；主监控处理器连接模数转换模块和以太网收发器，实时时钟模块集成在主监控处理器内部，电源模块为数据采集器供电；具有200KSPS的采样率，最高23KHz模拟输入带宽，可同时对16路模拟信号进行同步采集和预处理。
所述的井下光电转换器和井上光电转换器结构相同，均包括：光收发一体模块、网络变压器和电源模块，光收发一体模块实现光信号到电信号或电信号到光信号的转化，井下光电转换器和井上光电转换器之间通过网络变压器和光纤连接，电源模块提供工作电源；放置在井下的光电转换器将通过网口接收到的数据转化为光信号进行传输，光信号传输到井上由井上光电转换器转化为网口数据，网络变压器满足电气隔离的要求，可无失真传输以太网信号。
所述的数据还原模块实现无延时同步接收数据，包括：以太网数据收发模块、CPU处理模块、D/A转换器和电源模块；以太网数据收发模块与CPU处理模块相连接，CPU处理模块与D/A转换器相连接，电源模块对各个模块供电；所述的以太网数据收发模块包含一个网络变压器，实现变速稳压作用；所述的D/A转换器为4个4路输出的D/A转换器63，D/A转换器将数字信号转化为模拟信号，实现16通道信号同步输出。
有益效果，由于采用了上述方案，冲击地压微震实时监测系统通过对微震信号的放大滤波处理得到安全可靠的数据，可同步采集多达16路监测点的大量数据，监测数据转换成光信号通过光纤可远程传送，可无延时同步接收无噪声干扰的数据，PC系统可实现远程控制，具有灵活可靠、工作效率高、成本低的特点，可实现准确安全高效监测，使冲击地压微震灾害带来的生命财产损失大大减少。
优点：可同时对16通道数据同步采集和预处理；可实现无延时同步输出16通道数据；通过光纤将采集的数据远距离传输，实现系统远距离监控的目的。
附图说明：
图1是本发明的结构连接关系图。
图2是本发明的数据采集器硬件结构组成框图。
图3是本发明的数据还原模块硬件结构组成框图。
图4是本发明的数据采集器功能框图。
图5是本发明的井下光电转换图。
图6是本发明的以太网数据发射的流程图。
图7是本发明的以太网数据接收的流程图。
图中，1、微震传感器模块；2、信号处理模块；3、数据采集器；31、主监控处理器；32、A/D转换器；33、以太网收发器；34、实时时钟模块；35、电源模块；4、井下以太网口；4-1、井上以太网口；5、井下光电转换器；5-1、井上光电转换器；51、光收发一体模块；52、网络变压器；53、电源模块；6、数据还原模块；61、以太网数据收发模块；62、CPU处理模块；63、D/A转换器；64、电源模块；7、PC上位机系统。
具体实施方式
该监测系统包括：微震传感器模块1、信号处理模块2、数据采集器3、井下以太网口4、井下光电转换器5、井上光电转换器5-1、井上以太网口4-1、数据还原模块6和PC上位机系统7；微震传感器模块1连接信号处理模块2，信号处理模块2连接数据采集器3，数据采集器3通过井下以太网口4连接井下光电转换器5，井下光电转换器5和井上光电转换器5-1之间通过光纤连接，井上光电转换器5-1通过以太网口4-1连接数据还原模块6，数据还原模块6连接PC上位机系统7。
所述的数据采集器3包括：模数转换模块31、主监控处理器32、以太网收发器33、实时时钟模块34和电源模块35；主监控处理器32连接模数转换模块31和以太网收发器33，实时时钟模块34集成在主监控处理器32内部，电源模块35为数据采集器3供电；具有200KSPS的采样率，最高23KHz模拟输入带宽，可同时对16路模拟信号进行同步采集和预处理。
所述的井下光电转换器5和井上光电转换器5-1结构相同，均包括：光收发一体模块51、网络变压器52和电源模块53，光收发一体模块51实现光信号到电信号或电信号到光信号的转化，井下光电转换器5和井上光电转换器5-1之间通过网络变压器52和光纤连接，电源模块53提供工作电源；放置在井下的光电转换器5将通过网口接收到的数据转化为光信号进行传输，光信号传输到井上由井上光电转换器5-1转化为网口数据，网络变压器52满足电气隔离的要求，可无失真传输以太网信号。光纤具有频带宽，通信容量大，损耗低，传输距离长，抗电磁干扰性能好的优点。
所述的数据还原模块6实现无延时同步接收数据，包括：以太网数据收发模块61、CPU处理模块62、D/A转换器63和电源模块64；以太网数据收发模块61与CPU处理模块62相连接，CPU处理模块62与D/A转换器63相连接，电源模块64对各个模块供电；所述的以太网数据收发模块61包含一个网络变压器，实现变速稳压作用；所述的D/A转换器（63）为4个4路输出的D/A转换器63，D/A转换器63将数字信号转化为模拟信号，实现16通道信号同步输出。
实施例1：图1中，冲击地压微震实时监测系统包括：微震传感器模块1、信号处理模块2、数据采集器3、井下以太网口4、井下光电转换器5、井上光电转换器5-1、井上以太网口4-1、数据还原模块6和PC上位机系统7；微震传感器模块1将震动信号转化为0~4mA的电流信号传输至信号处理模块2，信号处理模块2对信号进行滤波放大处理，由0~4mA电流信号转化为正负10V的电压信号，再传输至数据采集器3，16个数据处理板连接到一个数据采集器。数据采集器3采集16路模拟信号，转化成16路数字信号，再通过井下以太网口4传输至井下光电转换器5，井下光电转换器5将16路数字信号转换成为16路数字光信号，该光信号经光纤传输至井上光电转换器5-1再次进行光电转换，转换成16路电信号，该电信号通过井上以太网口4-1传输至数据还原模块6，将数据显示到PC上位机系统7。
图2中，数据采集器3由下列硬件组成：主监控处理器31、A/D转换器32、以太网收发器33、实时时钟模块34和电源模块35，主监控处理器31连接A/D转换器32和以太网收发器33，时钟模块34集成在主监控处理器31内部，电源模块35连接数据采集器3。具有200KSPS的采样率，最高23KHz模拟输入带宽，可同时对16路模拟信号进行同步采集和预处理。
图3中，数据还原模块6主要包括以太网数据收发模块61、CPU处理模块62、D/A转换器63和电源模块64，以太网数据收发模块61与CPU处理模块62相连接，CPU处理模块62与D/A转换器63相连接，电源模块64连接CPU处理模块62和D/A转换器63。
图4中，信号采集模块包括：模数转换模块、主监控处理器、以太网收发器、实时时钟模块和电源模块，具有200KSPS的采样率，最高23KHz模拟输入带宽，可同时对16路模拟信号进行同步采集和预处理。其中：
模数转换模块包括2片美国ADI公司的AD7606型ADC芯片，每片具有8个模数转换通道，模数转换模块共提供16路模数转换通道，ADC芯片RANGE引脚与逻辑高电平相连以使所有通道模拟输入范围为±10V，负责将采集到的16路模拟信号高速地转换为数字信号并输出给主监控处理器。AD7606内部集成了高度同步采样放大器，同步采集过程通过两个CONVST信号（CONVST A和CONVST B）和内部振荡器进行控制，CONVST A和CONVST B短接时，一片AD7606开启两组通道共8路同步转换，即两片AD7606共16路信号同步采样，同步转换过程BUSY信号一直保持高电平，转换完毕后BUSY信号由高到低的下降沿引起ADC_IRQ中断，主监控处理器及时响应中断通过DR引脚读取8通道ADC转换后的数据存储到接收缓冲区，然后调用OSQPost（）函数将存储缓冲区的数据消息发送到消息队列等候发送。
2片AD7606型ADC芯片与美国ADI公司生产的主监控处理器ADSP-BF518之间通过ADSP-BF518的两个SPORT口无缝连接，ADSP-BF518的SPORT口支持DMA（DMA3用于SPORT 0口的数据接收，DMA5用于SPORT 1口的数据接收），非常适合高速数据采集。在嵌入式操作系统µC/OS-II平台的基础上，ADSP-BF518的通信模块内置10M/100M的MAC控制器和PHY收发器RTL8201，两者直接通过MII接口实现连接，PHY收发器另一侧通过变压器与以太网隔离。软件上层应用程序通过调用Socket API实现与协议栈通信，协议栈与MAC层的连接依靠MAC驱动程序，ADSP-BF518通过中断的方式首先调用OSQPend（）函数请求获取消息队列数据，得到请求后数据在传输层被打包成UDP数据包，计算校验和并填充UDP包头，然后进行传送，在IP层按照目的地址被封装成数据包，通过MAC层和PHY收发器RTL8201把数据包发送出去。
所述以太网收发器33发射的数据是按照一定顺序写入TX数据FIFO的，每一个等待发射的数据包会被分成多个Buffer，每一个Buffer的开始将会有两个双字DWORD的发射命令字TX Command A和TX Command B。接收器会在发射命令字中给每个数据包加一个16位的标签，这个唯一的数据包标签提供了一个使发射数据包和其状态信息同步的方法。在发射命令字中有一项是数据包长，它指定了数据包的长度是多少个字节。当一个数据包传输完以后，其状态会写入发射状态FIFO(TX Status FIFO)，主机可以通过查阅发射状态来进行数据包的处理。以太网数据发射驱动程序的流程框图如图6所示。
主处理器先使能发射，接着从发射数据包动态链表队列中取出将要发射的数据包的首地址指针，再读TXFIFO INF寄存器，读取发射FIFO的剩余空间，如果发射数据包长度小于发射FIFO剩余空间，则可以将数据包写入发射FIFO；如果发射数据包长度大于发射FIFO剩余空间，则不能马上写入发射数据FIFO，需先将数据包大小即需要的FIFO空间写入FIFOLevel中断控制寄存器中，当发射FIFO的剩余空间达到所设置的水平时，TDFA中断就会产生,此时就可以将数据包写入发射数据FIFO了。数据发射的同时，接收器会把该数据包的发射状态信息写入发射状态FIFO中，便于接收端处理。
所述以太网数据收发模块61接收到数据时，数据会被传送到接收数据FIFO(RXData FIFO)，同时传送的是接收数据包状态信息，和发射时一样， 接收器提供接收状态FIFO来存储接收数据包的状态信息，在检测数据时，可以采用轮询或中断的方式。主处理器可以读取数据包的状态信息，获得数据包长度等信息后，再去读取RX数据FIFO。在数据接收时，为了避免出现接收数据错误，读入的数据大小必须要小于数据FIFO中剩余空间大小。以太网数据接收驱动程序的流程框图如图7所示。
主处理器先使能接收器,再去读取接收FIFO信息寄存器RXFIFO INF，获得接收数据FIFO和状态FIFO的信息，如果有数据进入接收数据FIFO，则去读取接收状态FIFO，如果数据包没有错误，就把数据包拷贝到处理器的缓存中，在判断数据包的以太网协议号是否满足系统定义，如果满足则是需要的数据包，就向处理器申请内存空间，返回内存空间首地址指针，后将数据拷贝到申请的地址中，并将地址指针加入到接收数据动态链表中，从而完成接收过程。
冲击地压微震实时监测系统首先将微震信号转化为0~4mA的电流信号，再经信号处理模块转换为正负10V的电压，然后同步采集经放大滤波处理后的16路信号，经井下光电转换器转换为光信号接入光纤专线进行远距离传送，信号传送至井上光电转换器转换为网口数据，再经数据还原模块无延时同步接收，数据通过D/A转换器转换为16通道模拟信号传送至PC上位机系统进行统计分析，高效可靠地预测冲击地压产生的微震危害。
Claims (4)
1.一种冲击地压微震实时监测系统，其特征是：该监测系统包括：微震传感器模块、信号处理模块、数据采集器、井下以太网口、井下光电转换器、井上光电转换器、井上以太网口、数据还原模块和PC上位机系统；微震传感器模块连接信号处理模块，信号处理模块连接数据采集器，数据采集器通过井下以太网口连接井下光电转换器，井下光电转换器和井上光电转换器之间通过光纤连接，井上光电转换器通过以太网口连接数据还原模块，数据还原模块连接PC上位机系统；其中：
所述微震传感器模块将震动信号转化为电流信号传输至所述信号处理模块；所述信号处理模块对所述电流信号进行滤波放大处理，将所述电流信号转化为电压信号，再传输至所述数据采集器；所述数据采集器将模拟信号转换为数字信号，并将所述数字信号通过所述井下以太网口传输至所述井下光电转换器；所述井下光电转换器将所述数字信号转换为数字光信号，并将所述数字光信号经光纤传输至所述井上光电转换器；所述井上光电转换器将所述数字光信号转换为所述数字信号，并通过所述井上以太网口将所述数字信号传输至所述数据还原模块；所述数据还原模块将所述数字信号转换为所述模拟信号，并将所述模拟信号传输至所述PC上位机系统，以将数据显示在所述PC上位机系统上。
2.根据权利要求1所述的一种冲击地压微震实时监测系统，其特征是：所述的数据采集器包括：模数转换模块、主监控处理器、以太网收发器、实时时钟模块和电源模块；主监控处理器连接模数转换模块和以太网收发器，实时时钟模块集成在主监控处理器内部，电源模块为数据采集器供电；具有200KSPS的采样率，最高23KHz模拟输入带宽，可同时对16路模拟信号进行同步采集和预处理。
3.根据权利要求1所述的一种冲击地压微震实时监测系统，其特征是：所述的井下光电转换器和井上光电转换器结构相同，均包括：光收发一体模块、网络变压器和电源模块，光收发一体模块实现光信号到电信号或电信号到光信号的转化，井下光电转换器和井上光电转换器之间通过网络变压器和光纤连接，电源模块提供工作电源；放置在井下的光电转换器将通过网口接收到的数据转化为光信号进行传输，光信号传输到井上由井上光电转换器转化为网口数据，网络变压器满足电气隔离的要求，可无失真传输以太网信号。
4.根据权利要求1所述的一种冲击地压微震实时监测系统，其特征是：所述的数据还原模块实现无延时同步接收数据，包括：以太网数据收发模块、CPU处理模块、D/A转换器和电源模块；以太网数据收发模块与CPU处理模块相连接，CPU处理模块与D/A转换器相连接，电源模块对各个模块供电；所述的以太网数据收发模块包含一个网络变压器，实现变速稳压作用；所述的D/A转换器为4个4路输出的D/A转换器，D/A转换器将数字信号转化为模拟信号，实现16通道信号同步输出。
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