第29卷第1期 江苏科技大学学报(自然科学版) Vo1.29 No・1 2015年2月 Journal 0f Jiangsu University of Science and Techno1ogY(Natural Science Edition) Feb・20 doi:10.3969/j.issn.1673—4807.2015.01.013 微震动同步数据采集器的设计 嵇达龙,韩瑞瑞,孙 磊,顾正东,李绍鹏,陈 迅 (江苏科技大学电子信息学院,江苏镇江212003) 摘要:设计了一种基于FPGA和微控制器的微震动同步数据采集器,并在此基础上构建了一套微震动数据同步采集系 统.该系统采用IEEE1588协议实现了同步采集器的数据采样时间的同步,利用FPGA实现A/D数据预处理和缓存.现场测 试结果表明:该系统时钟同步精度可以达到亚微秒级,微震动信号的采集本底噪声低,动态范围达到116 dB,完全可以满足 微震动数据采集的性能要求. 关键词:微震动;时钟同步;IEEE1558;数据同步采集 中图分类号:TP274.2 文献标志码:A 文章编号:1673—4807(2015)01—0076—05 Design of micro-seismic data synchronous collectors Ji Dalong,Han Ruirui,Sun Lei,Gu Zhengdong,Li Shaopeng,Chen Xun (School ofElectronics and Information,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu 212003,China) Abstract:This paper describes the design of a micro・—seismic synchronous data collector based on MCU and FP—- GA.Furthermore,we build a set of microvibration data synchronous collecting system with the design.This sys— tem uses IEEE1588 protocol to realize the synchronous sampling of data,and USeS FPGA to pre-treat and cache A/D data.Field tests have shown that the precision of synchronous system clock can be up to submicrosecond. This micro—vibration signal acquisition can achieve low background noise while its dynamic range reaches 1 16dB. All these have proved this system can meet the requirements of micro—seismic data acquisition. Key words:micro—seismic;clock synchronization;IEEE1558;data synchronous acquisiting 岩体在变形的整个过程中几乎都伴随着裂纹 的产生和扩展,其积蓄的能量以应力波的形式释 放,从而产生微震动事件.整个过程中的微震动信 号从初始阶段就包含了大量关于岩体受力变形破 分,如在南非、加拿大、澳大利亚等国,已将微震动 监测技术广泛应用于矿山安全检测,建立了200余 套微震动监测系统.而国内还处于起步阶段,从加 拿大、南非等国家进口了少量微震动监测系统,用 于凡口铅锌矿、冬瓜山铜矿等少数矿山企业¨ . 坏以及岩体裂缝活动的有用信息.通过监i贝0、分析 微震动事件,可以推断岩体发生破坏的程度、位置, 从而实现对岩体破坏的预测预报.上世纪90年代, 微震动监测逐步发展并成为一项新的物探技术.由 随着我国矿山开采深度的Et益增加,在高应力作用 下诱发的岩爆灾害严重制约矿山生产.微震监测技 术通过实时监测岩体破裂情况,可以及时圈定灾害 危险区,从而在很大程度上实现灾害的预测和防 于微震监测范围灵活,定位精度较高,逐渐成为边 坡、隧道、矿山和大坝等领域中岩质或混凝土工程 结构稳定性监测的主要技术手段.在国外微震监测 技术已发展成为采矿安全管理的一个有机组成部 收稿日期:2014—11一O3 治,对减少伤亡事故具有十分重要的意义. 文中针对微震动信号的特点,结合高精度数据 同步采集、高精度时钟同步、网络通信等技术,设计 基金项目:江苏科技大学大学生创新计划项目 作者简介:嵇达龙(1994一),男,本科生. 通讯作者:陈迅(1976一),男,副教授,博士,研究方向为自动化检测装置、嵌入式系统等.E-mail:justlab@163.corn 第1期 嵇达龙,等:微震动同步数据采集器的设计 77 了微震动信号同步数据采集器,并在此基础上构建 了一套完整的微震信号数据同步采集系统.实际应 用表明,该系统在信号的测量精度、时钟同步精度 据远程传输.为了保证系统的同步授时,每个同步 数据采集器通过专用的网络端口接入网络交换机, 通过交换机接入远端的授时服务器,以实现全网同 步数据采集器的时钟同步. 等方面具有优异的表现,可满足实际应用的需求. 1 系统构成 系统主要由速度、加速度传感器、同步数据采 集器、网络交换机、数据服务器和授时服务器几部 系统运行时,速度和加速度传感器将采集的反 应微震动的速度和加速度的信号转换成电信号、以 差分信号的形式送到同步数据采集器.同步数据采 集器完成速度和加速度信号的数字量化、采集数据 时间戳的标记以及数据网络传输等主要工作.每个 同步数据采集器都有时间计数单元,为了保证所有 同步数据采集器的时间的一致性,所有的同步数据 采集器都需要与授时服务器通信.一般系统的时钟 同步可以采用GPS同步授时,但该系统主要用于 矿井内,无法收到GPS信号,不能使用GPS授时的 时钟同步方式.因此该系统中采用基于IEEE1588 协议的网络时钟同步算法,实现每个同步数据采集 器与授时服务器的时间同步,从而达到系统内所有 同步数据采集器节点的时钟同步,为数据的同步采 分构成(图1).其中速度、加速度传感器分别安装 在各个监测断面和矿井坑道内,通过差分信号电缆 将传感器采集的模拟信号传送到同步数据采集器, 每个同步数据采集器具有12个数据采集通道,可 以根据实际需要接入速度传感器和加速度传感器, 用于岩层断面微震信号的获取.在矿井坑道内,根 据需要安装多台同步数据采集器,以扩展监测点覆 盖范围.每个同步数据采集器通过工业以太网接 人,安装在矿井井口的网络交换机上,网络交换机 上行数据端口通过光缆与远端服务器相连,实现数 数据服务器 授时服务器 集提供高精度时间基准. 该系统中网络交换机选用锐捷RG—IS2712G 交换机,其具有8个千兆电口,4个千兆光口,完全 满足现场数据传输的需要,远端设有数据服务器和 授时服务器.系统中的同步数据采集器为自主开发 设计的系统关键设备,文中将对同步数据采集器的 结构和设计进行着重说明. 加速度速度 传感器传感器 加速度速度 传感器传感器 2同步数据采集器 同步数据采集器内部主要有模数转换单元、数 图1系统结构 Fig.1 System structure 据处理单元、数据传输单元、时钟同步单元4部分 一 r…… 组成(图2) …__: …一薮 ____一 一 薮羁蕊…… 匝 匝 × - 『- ~ A/D FIFO CPU lI _ 数据通信数 总线 l I 网接 銮 一 据 缓冲 接口 l 读 I…一一一一一一一: ・ 取 电 . l II 1 同步校时网接 奎 匦 一_ 路 同步时间戳计数器 及其配置接I:1电路I _ 时钟同步 I 图2 同步数据采集器结构 Fig.2 Structure of data synchronous collector 现场的速度和加速度传感器采集的电信号以 差分信号的形式通过电缆送到模数转换单元,模数 转换电路由12片ADS1282模数转换芯片构成,该 数据处理单元采用FPGA可编程芯片实现,在 FPGA内部将每片A/D芯片送来的32位串行数据 转换成32位并行数据,存人FPGA内部设计的 A/D芯片的转换位数为32位,最大采样速率为 4ksps.电路的12片ADS1282采取4片构成一组, 共分成3组完成对12路信号的模数转换. FIFO数据缓冲存储区.与此同时将每组数据采集 对应的时间值作为时间戳一起存入FIFO数据缓 冲存储区.FIFO数据缓冲存储器数据宽度为192 78 江苏科技大学学报(自然科学版) 2015年 位,深度为32个,当FIFO数据缓冲存储区满时,就 时钟同步单元主要由一片STM32F107微控制 向数据传输单元发出请求信号. 数据传输单元主要由一片STM32F429微控制 器实现,该控制器采用32位ARM内核,从数据处 理单元读取数据并通过以太网接口将数据通过网 络发送到远端的数据服务器.此外还接收远端服务 器构成,该控制器也为32位ARM内核.这部分电 路主要通过网络与远端的授时服务器通信,实现基 于IEEE1588协议的网络时钟同步. 2.1数据处理单元FPGA实现 数据处理单元主要由ARM总线接口、A/D数据 器发送的控制命令,实现对数据处理单元和A/D 接收缓冲单元、时间戳单元、A/D配置单元4个主要 芯片的配置等工作. 部分构成,电路采用Verilog语言编写设计(图3) CH1 FIFO CHl~CHl2 l A/D数据串转并l CH2 FIFO CH3 FIFo CH4 FIFO 时间戳FIFO ARM 总线 接口 数据通信端日 3gtA/D数据接收缓冲单元 A/D配置单元 时间戳单元 l 时间戳计数器 I l 时间戳配置接口 I l FPGA数据处理单元 图3数据处理单兀 Fig.3 Data process unit 时钟配置单元 1)ARM总线接口.主要完成FIFO数据读取 通信的微控制器将数据读出. 时序和ARM总线时序的转换,主要将ARM总线 3)时间戳单元.由时间戳计数器和时间戳配 的读信号,根据ARM高位地址和片选信号,产生3 个A/D数据接收缓冲单元所需的内部FIFO读信 号,该FIFO读信号宽度需要严格限定为一个时钟 周期. 置接口构成,时间戳计数器由64位的微秒计数单 元和10位的纳秒计数单元两部分构成,该计数器 在100MHz主时钟的驱动下实现10 ns的计数分辨 率. 2.2时钟同步 系统采用了IEEE1588时钟同步协议,该协议 2)A/D数据缓冲单元.该单元主要由A/D数 据读取电路和FIFO存储器构成.A/D读取电路通 过一个有限状态机实现,其由空闲等待、串行数据 读取、FIFO写入3个主要状态构成.状态机在空闲 将UDP/IP数据包作为消息传递的载体.在系统 中,根据发送和接收时间的角色分为主节点和从节 点,网络中的所有同步数据采集器作为从节点,授 等待状态下收到A/D芯片的数据转换完成信号 后,锁存当前的64位时间戳数据,并将状态机切换 到A/D数据串行读取状态,A/D数据串行读取状 态由多个子状态构成,在主时钟的驱动下可同时对 4片A/D进行数据读操作,每片A/D数据长度为 时服务器为主节点.各同步数据采集器与授时服务 器进行时钟同步消息的交换,实现与授时服务器的 时钟同步,从而实现全网所有同步数据采集器的时 钟同步.时钟同步的过程主要分为时钟偏移测量和 32位,共计128位数据.在串行读取过程中同时实 现了数据的串行转并行的转换.32位数据读取完 传输延迟测量两个阶段,时钟偏移测量主要用于修 正主从节点之间时钟的偏移;传输延迟测量主要完 成后,进入FIFO写入状态,在该状态下将串并转 换后的128位数据和时间戳数据送到FIFO的数据 写端口,同时产生宽度为一个时钟周期的FIFO写 控制信号,将数据写入到FIFO存储器.每当FIFO 内数据缓存满时,发出存储器满信号通知负责数据 成从节点与主节点之间的报文传输延迟的测量,以 提高修正精度.目前实现IEEE1588时钟同步协议 的方式有:①采用FPGA的实现时钟同步 ;② 采用支持IEEE一1588协议的微处理器实现时钟 同步 ;③采用支持IEEE一1588协议的以太网物 80 江苏科技大学学报(自然科学版) 2015拄 ’ Ⅲ 慵 Ⅲ 堋 图8时钟同步误差测试数据 Fig.8 Clock synchronous error 4 结论 文中构建了微震动数据采集系统,并设计了基 于FPGA和微控制器的数据同步采集器,测试结果 表明其采集系统的时钟同步精度可达到亚微秒级, 可以满足微震动监测的需求. 参考文献(References) [1]李庶林,尹贤刚,郑文达,等.凡口铅锌矿多通道微震 监测系统及其应用研究[J].岩石力学与工程学报, 2005,24(12):2048—2053. 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