0 引言

　　隨著社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，礦山開采技術(shù)越來越成熟，但地質(zhì)的微震活動會引發(fā)很多災(zāi)難[1]。目前，人們通過對微震數(shù)據(jù)的分析能夠預(yù)測微震發(fā)生的時間和位置，對礦山井下很多由于沖擊壓力危害帶來的災(zāi)難問題得到一定程度的預(yù)防和治理，但在利用微震監(jiān)測技術(shù)以及相關(guān)設(shè)備的性能方面還存在很多的缺陷[2]。針對這一情況，設(shè)計了一種基于FPGA的煤礦井下微震信息采集和傳輸系統(tǒng)。

1 微震信息采集系統(tǒng)總體設(shè)計

　　微震信號采集系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，主要由電源電路、前端調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、FPGA及ARM系統(tǒng)及其接口電路、TF卡存儲電路、以太網(wǎng)控制器這幾大部分組成?？紤]到微震波特點，其采集的信號頻率范圍在20 Hz～500 Hz之間[3]，系統(tǒng)采用12路信息采集，選擇特殊的地震傳感器采集微震信號；采集的微震信號經(jīng)過調(diào)理電路進行初步放大和模擬濾波處理，送往A/D轉(zhuǎn)換器；轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送往FPGA，在FPGA中設(shè)計有高速緩存電路和數(shù)字濾波器，對信號進行緩存和數(shù)字濾波處理，處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)ARM通過以太網(wǎng)送往上位機。當(dāng)與上位機連接中斷時，信息可臨時存儲在TF卡中[4]。

2 硬件設(shè)計

　　2.1 前端調(diào)理電路

　　由于采集的微震信號中包含大量的干擾信號，因此信號經(jīng)過放大后還需要進行初步濾波[4-5]。圖2為前端調(diào)理電路，設(shè)計了一個正反饋雙T形50 Hz窄帶陷波器[6]，濾波后的信號送入OPA4350運算放大器，最后進入A/D轉(zhuǎn)換電路。

　　2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

　　當(dāng)差分信號輸入到ADS1251中，首先進入4階∑-▽調(diào)制器進行調(diào)制，該調(diào)制器的調(diào)制時鐘來自系統(tǒng)時鐘分頻。調(diào)制好的信號進入ADS1251的內(nèi)部數(shù)字濾波器，濾波器對信號進行加權(quán)、計算得出平均值。最后數(shù)據(jù)通過ADS1251的串行接口輸出，方便與后端處理器連接[7]。ADS1251的電路接口如圖3所示，由于ADS1251引腳電平為+5 V，與其連接的FPGA的引腳電平為+3.3 V，在兩個芯片之間需要增加電平轉(zhuǎn)移芯片，完成兩個芯片不同電平的匹配。ADS1251的CLK引腳和SCLK引腳使用74HCT244作為緩沖器，信號輸出引腳則使用74LCX244作為緩沖器。

　　ADS1251是24位的低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸出的最高位是符號位，其余23位為有效位。當(dāng)外部采樣時鐘頻率為8 MHz時，采樣率fs=fclk/384=20.833 kHz，其中384個時鐘為一個周期。ADS1251工作模式有兩種，當(dāng)DOUT/DRDY引腳輸出高電平時為同步模式，反之為掉電模式。為了保證12路采集信號實時同步到達服務(wù)器，本系統(tǒng)的ADS1251采用同步模式，并且每60 s向12路ADS1251發(fā)送一次同步信號。

　　ADS1251的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和同步由DOUT/DRDY引腳控制。當(dāng)DOUT/DRDY輸出高電平時，表示ADS1251處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)，當(dāng)電平由高轉(zhuǎn)低時，轉(zhuǎn)換結(jié)束，數(shù)據(jù)被存入輸出寄存器中。然后DOUT/DRDY會連續(xù)輸出6個低電平和6個高電平，表示數(shù)據(jù)準備就緒，進入輸出狀態(tài)。數(shù)據(jù)從高位到低位經(jīng)過24個SCLK周期后全部從寄存器中移出，DOUT/DRDY恢復(fù)低電平，等待下次轉(zhuǎn)換到來。因此，在新的轉(zhuǎn)換過程開始前，必須將所有數(shù)據(jù)位讀完，圖4（a）為ADS1251時序圖。

　　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的384個時鐘周期中，前36個為DRDY狀態(tài)，后348個時鐘為DATA狀態(tài)，這樣就可以保證24位數(shù)據(jù)讀取完畢后才進入下次轉(zhuǎn)換。如果SCLK不到24個時鐘周期，DOUT/DRDY引腳將保持未讀出的當(dāng)前數(shù)據(jù)直到下一個轉(zhuǎn)換周期。如果超過24個周期，則DOUT/DRDY引腳為低電平。

　　綜上分析可知，F(xiàn)PGA對ADS的轉(zhuǎn)換控制中，保持與DOUT/DRDY信號同步非常重要，如果在最低數(shù)據(jù)位LSB還沒讀出前，DOUT/DRDY引腳就進入DRDY狀態(tài)，會導(dǎo)致LSB讀取失敗。

　　根據(jù)上述流程，通過Verilog編程，在QUARTUSII的嵌入式邏輯分析儀SIGNALTAPII上進行了仿真，仿真結(jié)果如圖4（b）所示。由仿真結(jié)果可以看出，在數(shù)據(jù)讀取狀態(tài)，12路通道能夠同時讀取信息。

　　2.3 FPGA中數(shù)據(jù)緩存及傳輸實現(xiàn)與仿真

　　乒乓操作是一種數(shù)據(jù)流的處理技巧，在處理大數(shù)據(jù)量的緩存和傳輸時，避免使用單個FIFO，讀寫操作不能同時進行，效率低下，因此常采用兩個FIFO的乒乓緩存機制來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫傳輸[8]。乒乓緩存的原理為：當(dāng)系統(tǒng)對兩個緩存模塊的其中一個進行寫數(shù)據(jù)時，另一個緩存模塊則讀數(shù)據(jù)，當(dāng)兩個模塊分別讀空和寫滿時，兩者通過節(jié)拍配合，互換讀寫操作。使用這種方法，寫入和讀出數(shù)據(jù)操作可以沒有任何停頓，因此可以完成數(shù)據(jù)的無縫緩存和傳輸[9]。

　　乒乓操作流程為：將采集到的數(shù)據(jù)首先寫入FIFO A，這時是沒有輸出的；當(dāng)FIFO A寫滿后，輸入控制模塊會自動切換到FIFO B，將數(shù)據(jù)寫入FIFO B中，同時輸出控制模塊對FIFO A進行讀操作；當(dāng)FIFO B寫滿時，輸入控制模塊會再次切換到FIFO A，進行寫操作，同時輸出切換到FIFO B。

　　基于乒乓緩存機制的優(yōu)點，考慮采集的數(shù)據(jù)量很大，本文在FPGA中設(shè)計了兩個異步FIFO單元，對數(shù)據(jù)進行緩存和無縫傳輸。由于緩存單元前端是ADS轉(zhuǎn)換控制單元，對A/D采樣需要每分鐘進行一次同步，在同步期間，是沒有數(shù)據(jù)寫入緩存單元的，但是這并不影響數(shù)據(jù)的讀操作。乒乓緩存單元的整體思想是：不滿不讀，滿了讀完，讀空暫停。

　　為了保證兩個FIFO正常切換，需要設(shè)計專門的讀、寫控制模塊，簡化復(fù)雜的時序命令，并且避免出錯。其數(shù)據(jù)讀寫狀態(tài)控制過程如圖5所示。

　　由于采用乒乓操作讀寫數(shù)據(jù)，對單個緩存的空間要求降低，因此兩個緩存模塊的存儲寬度和深度都選擇為32 B。在QUARTUSII上對乒乓操作進行時序仿真，結(jié)果如圖6所示，F(xiàn)IFO A和FIFO B有“full”和“empty”兩種狀態(tài)，且讀寫操作總是交替進行的。由于讀操作的頻率為20 MHz，寫操作的頻率只有fw=(3.84 M/384)/24=0.417 kHz，可見，數(shù)據(jù)讀出快于寫入，在一個FIFO數(shù)據(jù)被讀空后，有較長的暫停時間，方便后面的濾波器對數(shù)據(jù)進行處理。

　　2.4 數(shù)字濾波器的設(shè)計與仿真

　　本文在FPGA中設(shè)計了一個32階的抽樣頻率為200 kHz、截止頻率為1 kHz的FIR低通濾波器[10]。在MATLAB中對濾波器進行仿真，得到的幅頻響應(yīng)如圖7（a）所示，濾波器的輸入中含有大量噪聲，輸出信號噪聲明顯減小，如圖7（b）所示。從濾波前后的波形對比可以看出，F(xiàn)PGA中實現(xiàn)的濾波器，能消除大量的高頻噪聲，但是有一定的時間延遲，需要修正。

3 實驗測試與結(jié)果分析

　　為了測試系統(tǒng)采集微震信息是否準確有效，通過對傳感器不同的布放，進行了模擬現(xiàn)場實驗。在12路通道中選擇7、8、9、10、12這5個傳感器作為實驗通道，各通道對應(yīng)的傳感器分布位置如圖8（a）所示。除12路傳感器外，其余4個傳感器分布點組成了一個正方形，12路傳感器位置在該正方形的中心點，傳感器的放置深度均為地下2 m。同時，設(shè)置前端調(diào)理電路的增益值為64。

　　圖8（a）中A點坐標處為人工震源點，實驗前，記錄各路傳感器及震源坐標，在確定系統(tǒng)正常后，在A點進行敲擊，各傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)傳至上位機。

　　在上位機觀察到的采集信息如圖8（b）所示，其中距離震源非常近的12路傳感器最先采集到微震信息，且強度最高；另外幾路傳感器也監(jiān)測到了微震信息，其中7路和9路相對于8路和10路，距震源較近，所以先檢測到微震波形，且幅度也較高。

　　震源定位的算法有很多種，在本次實驗中，上位機采用的是Geiger定位方法，其主要思想是將第一監(jiān)測到微震信號的傳感器位置坐標作為迭代初值，將多路監(jiān)測數(shù)據(jù)依次代入運算，最后得到較準確的震源位置。實驗得到震源定位結(jié)果如表1所示。

　　由于實驗條件和場地限制，傳感器都布置在同一平面內(nèi)，對震源深度定位帶來較大誤差。要想得到更加精確的定位監(jiān)測結(jié)果，還需要完善上述實驗，如擴大監(jiān)測范圍，增加傳感器數(shù)量及采用立體布點等措施。

4 結(jié)語

　　微震波在預(yù)測地質(zhì)運動趨勢中有非常重要的作用，通過對微震信號的實時監(jiān)測和分析，可以判斷潛在威脅，有效規(guī)避煤礦采集作業(yè)過程中由于地質(zhì)微運動引起的礦難。本文針對微震信號的特點，設(shè)計了一套基于FPGA的微震信號采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用非常靈敏的微震檢波器采集微震信號，通過調(diào)理電路，對微震信號進行初步濾波和放大處理，然后通過24位∑-▽型模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1251對其進行轉(zhuǎn)換，送入FPGA中進行緩存、濾波處理，最后通過以太網(wǎng)送入上位機。系統(tǒng)不僅速度快、運行穩(wěn)定，且功耗低、體積小，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可推廣到我國的煤炭行業(yè)，具有良好的應(yīng)用前景。

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