秦偉

摘 要： 設(shè)計(jì)一種以STM32F107微控制器為硬件核心，適用于嵌入式系統(tǒng)的開源TCP/IP協(xié)議——LwIP的在線式電法勘探儀。儀器具備以太網(wǎng)接口，方便接入井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)頂?shù)装搴畼?gòu)造的在線監(jiān)測。儀器最多可擴(kuò)展64個電極，具備高密度電阻率/激電法、常規(guī)電阻率/激電法2種工作模式，自動跑極，探測數(shù)據(jù)量大，探測速度快，對保障煤礦安全生產(chǎn)具有重大意義。

關(guān)鍵詞： STM32微控制器； 自動跑極； 電法儀； 在線監(jiān)測； LwIP

中圖分類號： TN912.202?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0109?04

礦井突水是威脅煤礦安全生產(chǎn)最主要的災(zāi)害之一，國家煤礦安全監(jiān)察局提出了煤礦水害防治“預(yù)測預(yù)報，有疑必探，先探后掘，先治后采”的16字方針。突水事故大多發(fā)生在巷道掘進(jìn)工作面，因而采用物探技術(shù)查明各種隱伏導(dǎo)含水構(gòu)造[1]，提前采取防止措施成為礦井防治水工作的關(guān)鍵所在。礦井直流電法勘探方法以介質(zhì)電性差異為基礎(chǔ)，在巷道頂?shù)装寮肮ぷ髅嫱凰畼?gòu)造探測方面發(fā)揮著重要作用[2]。然而一般的電法儀器只能人工單次探測，無法接入井下以太網(wǎng)，無法實(shí)時監(jiān)測頂?shù)装鍖?dǎo)含水構(gòu)造。因此，本文研究一種基于LwIP協(xié)議的在線式電法勘探儀，實(shí)現(xiàn)頂?shù)装搴畼?gòu)造的全自動智能化監(jiān)測。

1 電法勘探測量原理

電法勘探就是利用不同巖石間或礦石與圍巖之間的電位差異，在地面上借助研究天然的或人工方法建立的電場或電磁場的分布規(guī)律，查明各種地質(zhì)構(gòu)造和尋找有用礦產(chǎn)的一種物探方法，主要有電阻率法和激電法2種工作模式[3]。電阻率法原理：直流電法勘探通常是通過一對接地電極A，B把電流供入大地，通過另一對接地電極M，N觀測巖石電阻率所必需的電位或電位差信息。用電極M，N間的電流I和電位差ΔUMN值，計(jì)算出視電阻率值ρs，如圖1所示。

圖1 電阻率法測量原理

激電法測量原理：供電電極A，B向地下供直流電的瞬間，在測量電極M，N間產(chǎn)生一次電位差ΔU1；將供電電路斷開，一次場消失，而M，N間仍有電位差存在（稱為二次電位差ΔU2），這是被極化了的地質(zhì)體放電而產(chǎn)生的，這種現(xiàn)象稱為地質(zhì)體的激發(fā)極化（Induced Polarization，IP）效應(yīng)，如圖2所示。

圖2 激電法測量原理

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在線式電法勘探儀由微控制器、數(shù)據(jù)采集單元、電極供電單元、分布式電極控制單元以及數(shù)據(jù)接口組成，系統(tǒng)框圖如圖3所示。供電系統(tǒng)通過供電電極提供直流電場，測量電極間的電位差以及供電電流通過高精度數(shù)據(jù)采集單元處理后，存儲在大容量FLASH里面，最后通過井下以太網(wǎng)上傳到地面進(jìn)行數(shù)據(jù)反演，最終得到頂?shù)装鍖?dǎo)含水構(gòu)造。

圖3 采集系統(tǒng)方案圖

STM32F107VC 是一款基于ARM Cortex?M3內(nèi)核的32位微控制器[4]，采用哈佛結(jié)構(gòu)，有單周期乘法指令和硬件除法指令，最高工作頻率可達(dá)到72 MHz，具有256 KB的閃存和64 KB的SRAM，還有性能出眾的片上外設(shè)，最大限度地實(shí)現(xiàn)集成，大大降低系統(tǒng)功耗。值得一提的是，該MCU具有以太網(wǎng)控制模塊，符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

基于電法勘探電阻率法測量原理，通過一對接地電極A，B把電流供入大地，測量另一對接地電極M，N間的電流I和電位差ΔUMN值，計(jì)算出視電阻率值。數(shù)據(jù)采集模塊以模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1271為核心，它是24位的工業(yè)用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，可提供50 kHz 的帶寬，105 KSPS的轉(zhuǎn)換速率，1.8 μV/℃的失調(diào)漂移以及高達(dá)109 dB的信噪比，SPI串行接口提供至微控制器的方便連接。由于井下工作環(huán)境的復(fù)雜性，輸入信號必須經(jīng)過一系列處理才能最大限度實(shí)現(xiàn)ADS1271的高精度采集[5]，如圖4所示。

2.1.1 自電補(bǔ)償電路

輸入信號來自M，N電極間的電位差信號或電流取樣信號，該信號必須經(jīng)過限幅、跟隨、自電補(bǔ)償?shù)阮A(yù)處理，以抵消井下自然電位對后續(xù)電路的影響。自電補(bǔ)償電路核心是一高精度DAC數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，MCU首先采集電極間的自然電位，然后控制DAC輸出與自然電位極性相反的補(bǔ)償電位，從而消除自然電位的影響[6]，原理框圖如圖5所示。

圖4 采集模塊框圖

圖5 自電補(bǔ)償電路原理框圖

2.1.2 程控放大電路

采集的電流和電位差信號與地層構(gòu)造息息相關(guān)，信號的變化幅度大，若采用單一的放大增益，那么小信號經(jīng)放大器放大后，幅值仍然很小，經(jīng)A/D變換后會影響數(shù)據(jù)的精密度；而大信號放大后又有可能超出A/D轉(zhuǎn)換的量程，因此有必要研制放大器增益自動可調(diào)的程控增益放大器[7]，它允許輸入的模擬量在很大的范圍內(nèi)動態(tài)變化，原理框圖如圖6所示。

圖6 程控放大電路原理框圖

電路以程控放大芯片PGA204為核心，通過邏輯信號A1，A0對增益進(jìn)行數(shù)字選擇，可實(shí)現(xiàn)1，10，100，1 000 V/V四個增益檔級。工作時，首先置PGA增益為1，預(yù)采樣信號值，根據(jù)信號的幅值確定所需要的增益，實(shí)現(xiàn)最大的動態(tài)變化范圍，提高采樣精度。

2.1.3 模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路

為保證數(shù)據(jù)采集精度，選用差分輸入24位高精度Δ?Σ模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1271，電路如圖7所示。由于輸入信號是單端信號，采用單端轉(zhuǎn)差分芯片將單端信號變成差分信號，再輸入到ADC中，各控制引腳與MCU的SPI接口相連，方便編程。

圖7 模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理框圖

2.2 電極控制模塊

高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，測量時只需將全部電極置于測點(diǎn)上，然后利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)結(jié)合控制軟件便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動采集。由于儀器自動跑極，因此每個電極需要分時充當(dāng)A，B，M，N四個電極的功能。電極控制模塊結(jié)構(gòu)見圖8。邏輯控制電路根據(jù)MCU發(fā)送過來的電極編號信息，打開相應(yīng)的程控開關(guān)，控制電極與總線通斷，實(shí)現(xiàn)自動跑極功能[8]。

圖8 電極控制模塊結(jié)構(gòu)圖

2.3 供電模塊

考慮到井下防爆要求，供電電壓不超過75 V，供電電流不超過60 mA。電源具有恒壓和恒流2種工作模式，由STM32F107通過串口通知電源模塊切換。當(dāng)采集到的電流很小時，說明存在高阻或電極接觸不良，此時切換到恒流模式，若采集到的電流還是很小，說明電極接觸存在問題，發(fā)出警告信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

儀器通過以太網(wǎng)口接收到上位機(jī)發(fā)送的控制命令后，根據(jù)工作模式自動切換電極工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動跑極采集功能。

3.1 ADS1271的控制時序

ADS1271采用SPI串行接口與微控制器連接，其讀取時序如圖9所示。

3.2 LwIP嵌入式以太網(wǎng)協(xié)議的移植

LwIP是瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院Adam Dunkels等開發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼TCP/IP協(xié)議棧，既可以移植到操作系統(tǒng)上，又可以在無操作系統(tǒng)的情況下獨(dú)立運(yùn)行。LwIP協(xié)議的文件組織結(jié)構(gòu)[9]如圖10所示。api目錄包含應(yīng)用程序接口文件，core目錄為LwIP的核心代碼，包括ICMP、IP、UDP、TCP等協(xié)議的實(shí)現(xiàn)等，include目錄是LwIP的包含文件，netif目錄包含ARP協(xié)議和LwIP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序的模板，提供了網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動程序的基本框架，arch目錄包含與硬件和OS有關(guān)的文件，包括網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動、移植需要修改的文件[10]。

圖9 ADS1271讀取時序圖

圖10 LwIP文件結(jié)構(gòu)

STM32F107具有IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的介質(zhì)訪問控制層（MAC），通過外接物理層（PHY）DP83848模塊即可實(shí)現(xiàn)10/100 Mb/S的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)全雙工傳輸。對MAC層的初始化操作流程圖如圖11所示。

圖11 MAC層初始化流程圖

MAC層初始化完成后就可以初始化LwIP協(xié)議，代碼如下：

void Init_lwIP（void）

{

struct ip_addr ipaddr；

struct ip_addr netmask；

struct ip_addr gw；

uint8_t macaddress[6]={ emacETHADDR0， emacETHADDR1， emacETHADDR2， emacETHADDR3， emacETHADDR4， emacETHADDR5 }；

sys_sem_t sem；

sys_init（）；

mem_init（）；

memp_init（）；

pbuf_init（）；

netif_init（）；

sem = sys_sem_new（0）；

tcpip_init（TcpipInitDone， &sem）；

sys_sem_wait（sem）；

sys_sem_free（sem）；

#if LWIP_DHCP

ipaddr.addr = 0；

netmask.addr = 0；

gw.addr = 0；

#else

IP4_ADDR（&ipaddr， emacIPADDR0， emacIPADDR1， emacIPADDR2， emacIPADDR3 ）；

IP4_ADDR（&netmask，emacNET_MASK0， emacNET_MASK1， emacNET_MASK2， emacNET_MASK3 ）；

IP4_ADDR（&gw， emacGATEWAY_ADDR0， emacGATEWAY_ADDR1， emacGATEWAY_ADDR2， emacGATEWAY_ADDR3 ）；

#endif

Set_MAC_Address（macaddress）；

netif_add（&netif， &ipaddr， &netmask， &gw， NULL， eernetif_init， &tcpip_input）；

netif_set_default（&netif）；

#if LWIP_DHCP

dhcp_start（&netif）；

#endif

netif_set_up（&netif）；

}

3.3 自動跑極算法設(shè)計(jì)

由電法測量原理可知，在實(shí)際測量時，利用電極轉(zhuǎn)換開關(guān)，可將每4個相鄰電極進(jìn)行一次組合，從而在一個測點(diǎn)便可獲得多種電極排列的測量參數(shù)。一個測點(diǎn)全部測量完成后，將整個電極排列向前移動一個距離，然后進(jìn)行下一測點(diǎn)的觀測，這種過程重復(fù)進(jìn)行，直到整條剖面全部測完為止。當(dāng)實(shí)際電極數(shù)給定時，任意剖面測點(diǎn)數(shù)由下列公式?jīng)Q定，假設(shè)總電極數(shù)為N，測量層數(shù)序號為i，則：

總測量層數(shù)：[nl=int（N-13）]；

每層測量點(diǎn)數(shù)：[ni=N-3×i]；

總測量點(diǎn)數(shù)：[ndot=n=1ni（N-3×i）]。

編程時采用2個循環(huán)即可實(shí)現(xiàn)上述功能。

4 結(jié) 語

本文完成了LwIP協(xié)議在STM32F107微控制器上的移植，設(shè)計(jì)了基于24位高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1271的礦井電法勘探儀。該儀器具有以太網(wǎng)連接功能，方便接入井下工業(yè)以太網(wǎng)，采用自動跑極的高密度電阻率/激電法、常規(guī)電阻率/激電法進(jìn)行電法探測，實(shí)現(xiàn)頂?shù)装搴畼?gòu)造的在線監(jiān)測。

參考文獻(xiàn)

[1] 儲紹良.礦井物探應(yīng)用[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1995.

[2] 劉樹才，劉鑫明.煤層底板導(dǎo)水裂隙演化規(guī)律的電法探測研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28（2）：348?356.

[3] 劉國興.電法勘探與原理[M].北京：地質(zhì)出版社，2005.

[4] 意法半導(dǎo)體（中國）投資有限公司.STM32F10xxx 參考手冊[M/OL].[2010?12?07].http：//download.csdn.net/detail/winnerben/2887762.

[5] Texas Instruments Incorporated. 24bit，wide band width analog to digital converter， ADS1271[EB/OL]. [2007?02?06]. http：//www.ti.com.

[6] 武建全.影響自然電位測井的因素及解決方法[J].中國煤炭地質(zhì)，2008（z1）：88?89.

[7] 朱玉田.程控增益放大器實(shí)現(xiàn)方法的比較與選用[J].機(jī)電工程，1997（4）：42?44.

[8] 王愛國，馬巍，王大雁.高密度電法不同電極排列方式的探測效果對比[J].工程勘察，2007（1）：72?75.

[9] DUNKELS Adam. The uIP embedded TCP/IP stack [EB/OL]. [2012?12?06]. http：//www. sourceforge.net/projec.

[10] 程明，余中華，蘇艷萍，等.μC/OS?Ⅱ下LWIP協(xié)議棧的移植和測試[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（24）：79?80.