吳 海

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安，710077)

0 引言

我國(guó)是世界上煤礦地質(zhì)條件最為復(fù)雜的國(guó)家，斷層、陷落柱等小構(gòu)造易導(dǎo)致頂板塌落、透水等事故發(fā)生，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。由于煤礦安全高效開采對(duì)地質(zhì)條件查明程度的要求愈來愈高，地面三維地震勘探的分辨率已經(jīng)無法完全適應(yīng)高效采煤的需要，而煤礦井下槽波地震勘探技術(shù)具有基礎(chǔ)理論完備、距離探測(cè)目標(biāo)較近、不受地形起伏影響、吸收衰減小、分辨率高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是煤礦井下探測(cè)距離最遠(yuǎn)、精度最高的構(gòu)造探測(cè)技術(shù)。針對(duì)原有槽波地震勘探設(shè)備笨重且被國(guó)外壟斷、施工繁瑣、采集道數(shù)少等問題，我們研制了一套輕便、施工簡(jiǎn)單、探測(cè)精度高的礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀。開發(fā)了針對(duì)該儀器的基于嵌入式Linux的控制軟件，實(shí)現(xiàn)了儀器的智能化采集和存儲(chǔ)，取得了較好的效果。

1 硬件設(shè)計(jì)

礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀采用32位ARM芯片、結(jié)合24位A/D、SD卡海量存儲(chǔ)技術(shù)等構(gòu)建嵌入式硬件平臺(tái)，利用開源嵌入式Linux操作系統(tǒng)，完成系統(tǒng)功能配置、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)回收等功能。該儀器可實(shí)現(xiàn)單站三通道信號(hào)采集。

系統(tǒng)功能主要分為以下幾個(gè)部分：

（1）電源模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)模塊的供電管理，提供數(shù)字3.3v、5v，模擬2.5v，-2.5v的供電。該部分實(shí)現(xiàn)鋰離子電池組到各部分電壓輸出的轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)本安電源。

（2）ARM中央控制單元：本文采用三星S3c2440A核心控制板，該芯片是基于ARM920T核心，嵌入式技術(shù)的32位ARM處理器，其工作頻率高達(dá)400MHz，處理速度更快，能耗更低。

（3）信號(hào)采集：采用高精度地震專用采集套片組成單通道采集，實(shí)現(xiàn)三通道同步采集，可實(shí)現(xiàn)三分量地震信號(hào)的采集。系統(tǒng)最高采樣率可達(dá)4000SPS。

（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：系統(tǒng)采用大容量工業(yè)SD卡實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。為了確保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程中增加了CRC校驗(yàn)。

（5）時(shí)鐘管理：采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，利用GPS授時(shí)器可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確對(duì)時(shí)。另外系統(tǒng)利用ARM中央控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的工作時(shí)間調(diào)度。

（6）網(wǎng)絡(luò)通信：系統(tǒng)采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)儀器工作參數(shù)的配置以及數(shù)據(jù)的回傳功能。

（7）按鍵管理：通過該模塊可對(duì)系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行管理。按下不同的按鍵，系統(tǒng)分別進(jìn)入對(duì)時(shí)、采集、配置等工作模式。

（8）指示燈管理：通過該模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)的提示。不同的指示燈閃爍，提示系統(tǒng)分別進(jìn)入對(duì)時(shí)、采集、待機(jī)或者出現(xiàn)系統(tǒng)故障。

2 軟件設(shè)計(jì)

該軟件在嵌入式Linux環(huán)境下開發(fā)，軟件實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀的參數(shù)配置、IP設(shè)置、采集信息設(shè)置、數(shù)據(jù)回收等功能。通過將編譯好的軟件下載到地震儀的ARM控制芯片中，礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀通過按鍵選擇進(jìn)入Linux系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)web方式控制地震儀的數(shù)據(jù)管理和參數(shù)配置。

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)的思想，通過web界面的功能選擇，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、時(shí)間設(shè)置、采樣參數(shù)配置及數(shù)據(jù)下載等功能。軟件流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

3 功能模塊

根據(jù)礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀的功能要求，將該軟件劃分為5個(gè)功能模塊，分別為設(shè)備狀態(tài)查詢、記錄狀態(tài)查詢 、記錄設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置以及其他設(shè)置。

設(shè)備狀態(tài)查詢實(shí)現(xiàn)設(shè)備的基本信息的查詢，記錄狀態(tài)查詢實(shí)現(xiàn)設(shè)備的采樣信息查詢、記錄設(shè)置實(shí)現(xiàn)設(shè)備的采樣率、增益設(shè)置以及采樣時(shí)間設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)設(shè)置實(shí)現(xiàn)設(shè)備的IP地址設(shè)置，其他設(shè)置實(shí)現(xiàn)設(shè)備的時(shí)間信息配置。

（1）設(shè)備狀態(tài)

設(shè)備狀態(tài)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的信息查詢，設(shè)備序號(hào)、設(shè)備名稱、設(shè)備分組、電池電壓、硬件版本、軟件版本、當(dāng)前時(shí)間、啟用DHCP、IP地址、網(wǎng)絡(luò)腌碼、MAC地址。如圖2所示。

圖2 設(shè)備狀態(tài)

（2）記錄狀態(tài)

實(shí)現(xiàn)設(shè)備各個(gè)通道的采樣率、增益查詢、各個(gè)時(shí)間段的采樣信息顯示。如圖3所示。

圖3 記錄狀態(tài)

（3）記錄設(shè)置

設(shè)置設(shè)備通道X、通道Y、通道Z的增益，采樣率設(shè)置，并按時(shí)間段設(shè)置設(shè)備的采樣時(shí)刻及記錄長(zhǎng)度等信息，如圖4所示。

圖4 記錄設(shè)置

（4）網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

網(wǎng)絡(luò)設(shè)置實(shí)現(xiàn)設(shè)備IP地址配置以及子網(wǎng)掩碼設(shè)置，并選擇是否啟動(dòng)DHCP，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

（5）其他設(shè)置

其他設(shè)置實(shí)現(xiàn)設(shè)備的設(shè)備名稱、設(shè)備分組、時(shí)間信息設(shè)置，并實(shí)現(xiàn)該軟件的登陸密碼更改，如果6所示。

圖6 其他設(shè)置

4 軟件實(shí)現(xiàn)

采用嵌入式c語言和html腳本語言在Linux環(huán)境下進(jìn)行軟件開發(fā)。在礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀硬件平臺(tái)上移植嵌入式Linux系統(tǒng)，將編譯好的可執(zhí)行代碼下載到ARM控制芯片中，實(shí)現(xiàn)軟件的自動(dòng)運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)儀器參數(shù)的智能化配置和管理，軟件實(shí)現(xiàn)中使用了一些特殊的數(shù)據(jù)格式，采用結(jié)構(gòu)體方式定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

（1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件中使用的重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下所示：

typedef struct

{ unsigned int dev_id;

char dev_name[256];

char dev_group[256];

char password[256];

char http_path[256];

char http_cgi_path[256];

int http_port;

bool lan_use_dhcp[1];

ipaddr lan_ip[1];

ipaddr lan_mask[1];

char mac_addr[6];

unsigned int serial_number; } CONFIGS;

（2）模塊設(shè)計(jì)

軟件中使用的一些重要功能模塊定義如下所示：

void config_file_read(void);

void config_file_write(char *filename);

int recorder_init(void);

unsigned int recorder_get_max_record_cnt(void);

int recorder_get_record_data_start(void);

void recorder_get_record_data_end(int fd);

5 結(jié)語

礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀為煤礦井下槽波探測(cè)提供了一套輕便、施工簡(jiǎn)單、道數(shù)可擴(kuò)展的智能化采集裝備，近年來在槽波技術(shù)推廣中得到了很好的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)儀器的智能化控制和管理，開發(fā)的基于嵌入式Linux的控制軟件，實(shí)現(xiàn)了儀器采樣率、增益、采樣時(shí)間等參數(shù)的智能配置及采集數(shù)據(jù)的回收管理。采用該軟件的礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀已實(shí)現(xiàn)上百臺(tái)多年的連續(xù)使用，從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用來看，該軟件運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，滿足了我們的設(shè)計(jì)要求。