KR101244703B1 - 신호처리 프로세서를 가지는 미소 진동 모니터링 시스템 - Google Patents

신호처리 프로세서를 가지는 미소 진동 모니터링 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 신호처리 프로세서를 가지는 미소 진동 모니터링 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 미소 진동을 감지하는 센서모듈과 상기 센서모듈로부터 복수 채널의 아날로그 신호를 입력받아 신호를 증폭하며, 디지털 신호로 컨버팅하는 A/D 모듈과 상기 A/D 모듈에서 변환된 디지털 신호를 신호처리 소자인 DSP와 인터페이스 소자인 ARM CORE로 처리하는 신호처리부와 PC서버부와 데이터 송수신을 하는 베이스 모듈과 상기 베이스 모듈과 데이터를 송수신하는 PC서버부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 신호처리 프로세서를 가지는 미소 진동 모니터링 시스템은 절연(Isolation) 회로를 적용하여 전기적인 영향으로 인한 발생 노이즈 및 절연을 도모할 수 있는 효과가 있다.

Description

신호처리 프로세서를 가지는 미소 진동 모니터링 시스템 {Microseismic Monitoring system having signal treatment processor}
본 발명은 광산(鑛山) 지역의 채굴적 및 갱도에 의한 지반거동 이전의 미소진동을 사전에 감지하여 지반 침하의 진행을 예측하는데 활용될 수 있는 미소 진동 모니터링 시스템으로 더욱 상세하게는 감지된 미소 진동 신호를 빠르게 처리하기 위하여 신호처리부를 DSP(Digital Signal Processor)소자와 신호처리에 사용되는 제어 CPU인 ARM CORE로 분리하여 처리하는 신호처리 프로세서를 가지는 미소 진동 모니터링 시스템에 관한 것이다.
최근에 국외뿐만 아니라 국내에서도 지반침하 현상으로 인한 피해가 자주 발생하고 있다. 지반침하 현상의 발생은 지진이나 폭우로 인한 연약지반에 의하여 발생되거나 광산의 채굴활동 및 건물시공 공사 등의 원인으로 발생한다.
미소진동 모니터링 시스템은 암반 및 구조물의 균열과 파괴, 터널 붕괴, 사면 붕괴, 공동 내 낙석 및 붕괴 등에 의해 발생되는 미소진동을 감지하여 그 위치 및 강도를 규명함으로서 향후 지반침하 가능성 높은 영역의 지반침하 징후를 예측하는 것으로 활용된다. 미소진동에 의한 지반침하 징후의 예측으로 지반침하를 조기에 발견함으로 인적, 물적 피해를 최소화, 미소진동의 예측에 대한 시간, 비용을 절감할 수 있도록 하는 시스템의 개발이 적극적으로 이루어져 왔다.
최근에 국내에서는 센서, 신호처리 기술 및 컴퓨터의 발전으로 안정적인 계측 전용 시스템의 개발이 활발하게 이루어져 왔다. 국내에 사용되는 대부분의 진동계측기는 12 ~ 16 비트의 분해능으로 적절한 이득조절을 통하여 진동을 감지하였으나 진폭이 매우 작은 미소진동의 경우, 다이내믹 레인지의 한계로 인하여 감지되지 않는 문제점이 있다.
또한, 정밀성을 위하여 최근에는 24비트의 아날로그-디지털 컨버터를 사용한 미소진동계측 시스템이 개발되고 있으나 간혹 처리된 데이터의 속도 등의 문제로 샘플링 간격을 넓혀서 그 사이의 값을 입력하는 방식의 오버샘플링(Over Sampling) 기법을 사용하기 때문에 미소진동의 파형을 완벽하게 재현하는 데는 한계가 있다는 문제점이 있었다.
본 발명은 신호를 신속하게 처리하도록 하기 위하여 DSP 소자와 신호처리에 사용되는 제어 CPU인 ARM CORE로 분리하여 처리한 신호처리 프로세서를 가지는 미소진동 모니터링 시스템을 제공하는데 있는 것이다.
또한, 본 발명은 기존 미소진동 계측기에 비해 다이내믹 레인지(Dynamic Range)가 넓은, 델타 시그마 변조 방식의 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 각 미소진동 센서마다 적용하는 미소진동 모니터링 시스템을 제공하는데 있는 것이다.
또한, 본 시스템은 절연(Isolation) 회로를 적용하여 전기적 회로에 의하여 발생되는 노이즈를 방지하는 미소진동 모니터링 시스템을 제공하는데 있는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 신호처리 프로세서를 가지는 미소 진동 모니터링 시스템에 있어서,
미소 진동을 감지하는 센서모듈과 상기 센서모듈로부터 복수 채널의 아날로그 신호를 입력받아 신호를 증폭하며, 디지털 신호로 컨버팅하는 A/D 모듈과 상기 A/D 모듈에서 변환된 디지털 신호를 신호처리 소자인 DSP와 인터페이스 소자인 ARM CORE로 처리하는 신호처리부와, PC서버부와 데이터 송수신을 하는 베이스 모듈과 상기 베이스 모듈과 데이터를 송수신하는 PC서버부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 베이스 모듈은 신호처리부에 전력을 공급하는 전원부와 상기 PC서버부와 데이터를 송수신하는 통신부와 데이터를 처리하는 신호처리부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 상기 신호처리부와 상기 A/D모듈에 형성된 신호입출력부는 SPI(Serial Peripherals Interface) 통신방식을 이용하여 전 이중(Full duplex)통신이 가능한 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 통신부는 GPS 모듈을 포함하여 구성되며, 이더넷 통신, UART(Universal Asynchronous Receiver Trnasmitter) 통신, WIFI/USB(Universal Serial Bus) 통신 중 어느 하나의 통신 방식인 것을 특징으로 하는 것이다.
그리고, 상기 A/D모듈은 상기 복수채널의 아날로그 신호를 입력받는 아날로그 신호 입력부와 전기적인 노이즈의 발생원(發生源)인 상기 베이스 모듈에 있는 전원부를 분리하여 전기적인 노이즈를 방지하는 절연 증폭기(isolation amplifier)를 포함하는 노이즈 방지회로 및 상기 아날로그 신호를 상기 베이스 모듈에서 처리할 수 있도록 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 컨버터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 통신부의 데이터 송수신은 UDP(User Datagram Protocol) 프로토콜을 이용하는 것을 특징으로 하는 것이다.
더 나아가, 상기 A/D모듈에 포함된 아날로그 디지털 컨버터(Analog Digital Converter)는 다이내믹 레인지가 넓은 델타 - 시그마 변조 방식인 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 기존의 미소진동 계측기에 비하여 신호를 처리하는 DSP소자와 신호처리에 사용되는 제어 cpu를 분리하여 사용됨으로서 데이터 처리속도가 빨라짐으로서 미소진동의 파형을 빠르고 완벽하게 감지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 델타 시그마 변조 방식의 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 적용했기 때문에 기존 방식에 비하여 다이내믹 레인지가 매우 작은 미소진동도 정확하게 감지할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명의 시스템에 절연(Isolation) 회로를 적용하여 전기적인 영향으로 인한 발생 노이즈 및 절연을 도모할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 신호처리 프로세서를 가지는 미소 진동 모니터링 시스템의 블록도.
도 2a는 본 발명의 베이스 모듈에 포함되는 신호처리부.
도 2b는 본 발명 DSP소자의 모듈의 사진.
도 2c는 본 발명 ARM CORE 인터페이스 소자의 사진.
도 3은 아날로그회로에서 디지털 신호로 변환할 신호 레벨을 맞춰주는 레벨 컨버팅 회로도.
도 4는 본 발명에 의한 아날로그 디지털 컨버터(Analog Digital Converter) 회로도.
도 5는 SPI(Serial Peripherals Interface) 통신 회로도.
도 6은 SD 카드 및 USB 드라이브의 회로도.
이하에서는 본 발명에 의한 양호한 실시 예를 도면을 첨부하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 신호처리 프로세서를 가지는 미소 진동 모니터링 시스템의 블록도이고, 도 2a는 신호출력부의 구성도이고, 도 2b는 본 발명 DSP소자의 모듈의 사진이고, 도 2c는 본 발명 ARM CORE 인터페이스 소자의 사진이고, 도 3은 아날로그로 입력된 신호를 디지털 신호로 변환하는 레벨 컨버팅 회로도이고, 도 4는 본 발명에 의한 아날로그 디지털 컨버터(Analog Digital Converter) 회로도이고, 도 5는 SPI(Serial Peripherals Interface) 통신 회로도이며, 도 6은 SD 카드 및 USB 드라이브의 회로도이다.
도 1은 본 시스템의 기본적인 블록도로서,
본 발명의 미소 진동 모니터링 시스템은 미소 진동을 감지하는 센서모듈(400)과 상기 센서모듈(400)로부터 복수 채널의 아날로그 신호를 입력받아 신호를 증폭하며, 디지털 신호로 컨버팅하는 A/D 모듈(300)과 상기 A/D 모듈(300)에서 변환된 디지털 신호를 처리하며, PC서버부(100)와 데이터 송수신을 하는 베이스 모듈(200)과 상기 베이스 모듈(200)과 데이터를 송수신하는 PC서버부(100)를 포함하여 구성되어 있는 것이다.
전원부(210)는 각 모듈에 대한 안정적인 전원공급이 이루어지도록 하는 기능을 하며, 신호 입출력부(350)는 복수채널의 아날로그 신호를 센서모듈(400)로부터 입력받아 신호 증폭 및 필터링 처리를 하고 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 통해 디지털 신호로 변환되게 설계를 하였다. 상기 A/D모듈(300)의 신호입출력부(350)와 베이스 모듈(200)의 신호 처리부(220)와의 인터페이스(Interface)는 최고 25Mhz 통신속도를 가지는 SPI(serial peripherals interface) 통신방식을 채택하여 전 이중((Full duplex) 통신이 가능하도록 구성된다.
특별히, 상기 신호입출력부(350)에 내장된 아날로그-디지털 컨버터(Analog Digital Converter)는 정밀하고 빠른 속도로 측정 데이터를 얻으며 소자의 부정합에 둔감하고 특히, 낮은 주파수 대역에서 신호대 잡음비(SNR)가 우수한 특성을 갖는 24비트의 델타-시그마 변환 방식을 사용하였다.
상기 신호처리부(220)는 샘플링 데이터를 연산 및 신호처리 과정을 수행하여 데이터를 처리하거나 저장하여 관리하고 통신부(230)를 통하여 PC서버부(100)로 전송하는 역할을 하는 것이다.
한편, 통신부(230)는 PC서버부(100)와 통신하기 위하여 이더넷(Ethernet) 통신, UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter) 통신, WIFI/ USB (Universal Serial Bus) 통신 방식 중 하나로 통신하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 의한 미소 진동 모니터링 시스템은 일반적으로 지진이 5Hz미만의 저주파수 탄성파로 관찰되고, 각종 공사에서 유발되는 탄성파는 상대적으로 높은 주파수 특성을 가진다는 점을 고려하여 저주파는 물론이고 각종 공사에 유발되는 고주파까지 감지할 수 있는 0.1Hz ~ 4kHz 주파수 범위에서 미소진동을 감지한다.
또한, 빠른 속도로 정확한 측정 데이터를 얻기 위하여 소자의 부정합에 둔감하고 특히 낮은 주파수 대역에서 신호 대 잡음비(SNR)가 우수한 특성을 지닌 24비트 델타 시그마 변조 방식의 아날로그-디지털 컨버터를 채택하였다.
신호처리부의 데이터를 저장하는 내부에 있는 메모리장치와 외부 저장장치는 2개의 저전압용 2GByte의 SD카드를 사용하여 총 4GByte로 구성을 하였다. 신호처리부(220)와 신호입출력부(350) 사이의 데이터 통신은 최대 25Mbps 통신속도를 가지는 SPI 방식의 이더넷(Ethernet : 근거리통신망(local area networks/LANs)에서 사용되는 컴퓨터 네트워크 기술)으로 통신한다.
또한, 상기 이더넷 방식뿐만 아니라 비동기 송수신기인 UART(범용 비동기화 송수신기(Universal asynchronous receiver/transmitter)는 병렬 및 직렬 방식으로 데이터를 번역하는 컴퓨터 하드웨어의 일종으로서 일반적으로 EIA RS-232, RS-422, RS-485와 같은 통신 표준과 함께 사용한다.)통신과 범용직렬 버스 통신인 USB를 이용한 WI-FI (wireless fidelity : 무선통신 전파를 이용해 초고속 데이터를 근거리에서 전달할 수 있는 무선 네트워킹 기술로 전용선이나 전화선이 없이 근거리 통신망(local area networks/LANs)을 가동시킬 수 있다.) 구동 가능한 특징이 있는 것이다.
전원공급은 DC 12V로 각 모듈에 인가되며, 전원공급을 위하여 별도의 외부전원공급장치를 설치하거나 또는 외부전원공급장치가 없는 경우에도 전원공급이 가능하도록 하였다. 또한, 시간 동기화를 위한 GPS모듈이 장착되었다.
본 발명에 의한 신호입출력부(350)를 포함하는 A/D모듈(300)에서는 미소진동 발생시 센서모듈(400)에 의하여 감지된 아날로그 신호가 상기 신호입출력부(350)에 내장된 아날로그-디지털 컨버터(ADC)에서 측정가능한 신호레벨로 변환되어 연산되어야만 데이터 처리의 신뢰도가 높아질 수 있기 때문에 레벨 컨버팅을 하게 되는 것이다.
또한, 기존 미소진동 계측기에 비하여 다이내믹 레인지가 넓은, 델타 변조방식의 일종인 델타-시그마 변조 방식의 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 미소진동 모니터링 시스템에 적용하여 센서모듈(400)에서 감지하고 미소진동까지도 정확하게 측정하고자 하였다.
특히, 델타 시그마 변조방식을 적용한 아날로그-디지털 컨버터(ADC)는 저가의 CMOS 공정으로 쉽게 구현 가능한 장점이 있기 때문에 경제적인 측면에서도 유리하다.
도 2a를 보면 본 발명에 의한 베이스 모듈(200)에 포함되는 신호처리부(220)를 나타낸 구성도이다. 이것은 DSP와 ARM(Advanced RISC Machine)9 CORE 마이크로 프로세서를 이용하여 델타 시그마 변조방식으로 변환된 디지털 신호의 연산 및 신호처리를 통한 데이터 추출, 저장 및 통신 등이 가능하도록 구성되었다.
상기 DSP는 상기 ARM9 CORE와 비교하여 연산속도 및 데이터 처리속도가 현저하게 빠르며, 주로 32Bit 데이터 처리가 가능하다. 또한, 150Mhz의 동작속도를 갖는 DSP를 통한 에터넷 통신시스템이고, ARM9 CORE는 400Mhz의 동작 속도를 가지며 USB 및 UART를 통한 시리얼 통신 및 LAN 통신을 하여 데이터 처리를 하도록 하는 것이다. 편리한 데이터 저장을 위한 2개의 SD CARD는 각각 2GByte로서 총 4GByte로 구성되었다.
도 2b는 본 발명의 DSP 소자의 모듈의 사진이다.
도 2c는 본 발명 ARM CORE 인터페이스 소자의 사진이다.
상기 ARM CORE는 각각의 주변회로와 SPI 및 232C 통신으로 구성되며, PC서버부(100)와의 연결은 도 1에 도시한 대로, 상기 DSP와 ARM CORE는 이더넷, UART 및 USB 통신으로 접속하게 되도록 구성되는 것이다.
이렇게, 신호처리 소자인 DSP와 신호제어용 CPU인 ARM9 CORE를 분리하여 설치를 하였기 때문에 기존에 하나의 마이크로프로세서에서 데이터 처리 및 신호를 제어하는 것에 비하여 데이터 처리속도와 연산속도를 현저하게 빠르게 할 수 있으므로, 미소 진동에 의한 감지된 많은 량의 데이터를 신속하고 정확하게 재현할 수 있는 것이다.
본 발명에 의한 미소진동 모니터링 장치에서는 데이터 교환속도가 빠른 UDP(User Datagram Protocol) 프로토콜을 이용한다.
UDP 프로토콜은 UDP(또는 UDP/IP로 쓰기도 함)는 IP를 사용하는 네트워크 내에 컴퓨터들 간에 메시지들이 교환될 때 제한된 서비스만을 제공하는 통신 프로토콜을 의미한다. 다시 말해서, 인터넷에서 서로 정보를 주고 받을 때, 정보를 보내거나 정보를 받는다는 신호 절차를 거치지 않고 보내는 쪽에서 일방적으로 데이터를 전달하므로 데이터의 교환속도가 빠른 것이다.
일반적으로 신뢰성이 있는 전송을 위해서는 TCP/IP 프로토콜이 적합하지만 이 방식은 많은 양의 데이터를 신속하게 전송하기에는 어렵기 때문에 본 발명과 같은 미소진동 모니터링 시스템에서는 진동에 대한 방대한 양의 데이터를 빠르게 전송하기 위해 상기 UDP 프로토콜을 채택하고, 신뢰성있는 데이터 전송을 위하여 데이터 패킷(미도시)에 별도 싱크바이트를 두어 데이터를 전송하도록 하였다.
도 3은 본 발명에 있어서, 센서모듈(400)의 아날로그 신호를 받아 증폭하여 디지털 신호로 변환한 신호레벨을 맞춰주는 레벨 컨버팅 회로이다.
본 발명의 레벨 컨버팅 회로는 미세한 진동을 감지하는 센서모듈(400)로부터 아날로그를 신호를 받는 입력부분은 차동 입력으로 처리되며, 프로그래머블 이득 증폭기(Programmable Gain Amplifier)를 사용하여 신호를 증폭하고 동시에 입력신호의 일그러짐과 손실을 제로에 가깝게 만든다.또한, 절연 증폭 소자(예를 들어, ISO 124P)를 이용하여 아날로그 신호입력부와 전기적인 노이즈의 발생원인인 베이스모듈(200)의 전원을 하드웨어적으로 분리하여 전기적인 영향으로 인한 발생 노이 를 없애는 절연(Isolation) 회로를 구성하였다.
도 4는 본 발명에 의한 아날로그-디지털 컨버터(Analog Digital Converter)의 회로도이다.
상기에서 레벨 컨버팅된 아날로그 신호를 12-채널의 입력단으로 받아서 디지털 신호로 변환시켜주는 신호처리부(220) 내에 형성된 DSP와의 SPI 인터페이스 방식인 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 나타낸 회로인 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 신호처리부(220)와 신호입출력부(350)의 SPI(Serial Peripherals Interface) 통신 회로도로서, DSP와 ARM(Advanced RISC Machine) 통신을 하기 위한 포트 구성을 나타낸다.
ARM(Advanced RISC Machine) 정상 동작을 하드웨어적으로 또는 육안으로 확인하기 위한 LED 구성을 하였으며, 이러한 포트 구성의 목적은 측정한 데이터의 전송과 DSP와 ARM(Advanced RISC Machine) 인터페이스이다.
이하에서는 본 발명의 작동관계를 설명하기로 한다.
센서모듈(400)로부터 미세한 진동이 감지가 되면 A/D 모듈(300)인 신호입출력부(350)는 신호를 입력받아 신호 증폭 및 필터링 처리하고 이를 24비트 델타-시그마 방식인 아날로그 디지털 컨버터(ADC)가 이를 디지털화를 하게 된다. 이때, 상기 신호입출력부(350)에는 상기 복수 채널의 아날로그 신호를 입력받는 아날로그 신호입력부(미도시)와 전기적인 노이즈의 발생원(發生源)인 상기 베이스 모듈(200)의 전원 분리를 통해 전기적인 노이즈를 방지하는 절연 증폭기(Isolation Amplifier)가 적용된 노이즈(Noise) 방지회로가 구성되어 있으므로, 노이즈를 미세진동으로 감지하는 것을 방지할 수가 있는 것이다.
상기 A/D 모듈(300)은 신호처리부(220)의 내장된 빠른 속도(최고 25Mhz)로 내부 DSP와 인터페이스하도록 하여 상기 신호처리부(220)는 샘플링 데이터를 각종 알고리즘에 의한 연산 및 신호처리과정을 수행하여 데이터를 추출, 상기 추출된 데이터를 저장 관리하여 통신부인 베이스 모듈(200)로 전송하여 PC 서버부(100)와 통신을 하게 되는 것이다.
또한, 전원부(210)는 입력전압 직류 12V를 받아 레귤레이터(Regulator)를 통하여 각 부품의 필요 공급전압으로 변환을 시키는 것이다.
따라서, 본 발명은 광산지역의 채굴적 및 갱도에 의한 지반거동 이전의 미소진동을 사전에 충분히 감지하여 지반침하 진행을 예측하는 데 유용한 것이며 탁월한 효과를 가져올 수가 있는 것이다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 설명과 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위 내에 속하는 그러한 수정 및 변형은 포함한 것으로 판단할 수 있다.
100; PC서버부 200: 베이스 모듈
210: 전원부 220: 신호처리부
230: 통신부 300: A/D 모듈
350: 신호입출력부 400: 센서모듈

Claims (5)

  1. 미소 진동을 감지하는 센서모듈;
    상기 센서모듈로부터 복수 채널의 아날로그 신호를 입력받아 신호를 증폭하며, 디지털 신호로 컨버팅하는 A/D 모듈;
    상기 A/D 모듈에서 변환된 디지털 신호를 신호처리 소자인 DSP와 인터페이스 소자인 ARM CORE로 분리하여 처리하는 신호처리부;와
    PC서버부와 데이터 송수신을 하는 통신부;를 포함하는 베이스 모듈;과
    상기 베이스 모듈과 데이터를 송수신하는 PC서버부;를 포함하되,
    상기 A/D모듈에 포함된 아날로그 디지털 컨버터(Analog Digital Converter)는 다이나믹 레인지가 넓은 델타 - 시그마 변조 방식인 것을 특징으로 하며,
    상기 A/D 모듈은 복수채널의 아날로그 신호를 입력받는 아날로그 신호 입력부;와
    전기적인 노이즈의 발생원(發生源)인 상기 베이스 모듈에 있는 전원부를 분리하여 전기적인 노이즈를 방지하는 절연 증폭기(isolation amplifier)를 포함하는 노이즈 방지회로; 를 포함하며,
    상기 아날로그 디지털 컨버터는 상기 아날로그 신호를 상기 베이스 모듈에서 처리할 수 있도록 디지털 신호로 변환하며
    상기 통신부의 데이터 송수신은 UDP(User Datagram Protocol)을 이용하는 것을 특징으로 하는
    미소 진동 모니터링 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 신호처리부와 상기 A/D모듈에 형성된 신호입출력부는 SPI(Serial Peripherals Interface) 통신방식을 이용하여 전 이중(Full duplex)통신이 가능한 것을 특징으로 하는 미소 진동 모니터링 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 통신부는 GPS 모듈을 포함하여 구성되며, 이더넷 통신, UART (Universal Asynchronous Receiver Trnasmitter) 통신, WIFI / USB (Universal Serial Bus) 통신 중 어느 하나의 통신 방식인 것을 특징으로 하는 미소 진동 모니터링 시스템.
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