0 引言

　　隨著社會經(jīng)濟(jì)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(jì)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(jì)

　　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(diǎn)，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(jìn)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(jì)有高速緩存電路和數(shù)字濾波器,，對信號進(jìn)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(jī)。當(dāng)與上位機(jī)連接中斷時,，信息可臨時存儲在TF卡中[4],。

2 硬件設(shè)計(jì)

　　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(jìn)行初步濾波[4-5],。圖2為前端調(diào)理電路,，設(shè)計(jì)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(yùn)算放大器,，最后進(jìn)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(jìn)入4階∑-▽調(diào)制器進(jìn)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(jìn)入ADS1251的內(nèi)部數(shù)字濾波器，濾波器對信號進(jìn)行加權(quán),、計(jì)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(shí)時同步到達(dá)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(zhǔn)備就緒,，進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(jìn)行，效率低下,，因此常采用兩個FIFO的乒乓緩存機(jī)制來實(shí)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行寫操作,，同時輸出切換到FIFO B,。

　　基于乒乓緩存機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)，考慮采集的數(shù)據(jù)量很大,，本文在FPGA中設(shè)計(jì)了兩個異步FIFO單元,，對數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行處理,。

　　2.4 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與仿真

　　本文在FPGA中設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)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(shí)驗(yàn)測試與結(jié)果分析

　　為了測試系統(tǒng)采集微震信息是否準(zhǔn)確有效,，通過對傳感器不同的布放，進(jìn)行了模擬現(xiàn)場實(shí)驗(yàn),。在12路通道中選擇7,、8、9、10,、12這5個傳感器作為實(shí)驗(yàn)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(diǎn)組成了一個正方形,，12路傳感器位置在該正方形的中心點(diǎn)，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(diǎn)坐標(biāo)處為人工震源點(diǎn),，實(shí)驗(yàn)前,，記錄各路傳感器及震源坐標(biāo)，在確定系統(tǒng)正常后,，在A點(diǎn)進(jìn)行敲擊,，各傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)。

　　在上位機(jī)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)中,，上位機(jī)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(biāo)作為迭代初值，將多路監(jiān)測數(shù)據(jù)依次代入運(yùn)算,，最后得到較準(zhǔn)確的震源位置,。實(shí)驗(yàn)得到震源定位結(jié)果如表1所示。

　　由于實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn),，如擴(kuò)大監(jiān)測范圍，增加傳感器數(shù)量及采用立體布點(diǎn)等措施,。

4 結(jié)語

　　微震波在預(yù)測地質(zhì)運(yùn)動趨勢中有非常重要的作用,，通過對微震信號的實(shí)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(yùn)動引起的礦難,。本文針對微震信號的特點(diǎn),，設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)行轉(zhuǎn)換,，送入FPGA中進(jìn)行緩存,、濾波處理，最后通過以太網(wǎng)送入上位機(jī),。系統(tǒng)不僅速度快,、運(yùn)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,。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 劉建坡.深井礦山地壓活動與微震時空演化關(guān)系研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2011(3).

　　[2] 李庶林.試論微震監(jiān)測技術(shù)在地下工程中的應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),，2009,，5(1)：121-128.

　　[3] 郭來功，歐陽名三.一種高精度微震信息采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,，2013(11)：65-73.

　　[4] 余芳芳,，郭來功，李良光.基于STM32F407的微震信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動化,，2014，40(7)：9-12.

　　[5] 襲江濤.基于FPGA的高精度地震勘探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[D].成都：成都理工大學(xué),，2007(5).

　　[6] 蔣亞超,，楊勇，李興東,，等.三種雙T網(wǎng)絡(luò)陷波電路分析與比較[J].電子技術(shù),，2011(1)：70-72.

　　[7] 曹利波.ADS1251在微震檢測裝置中的應(yīng)用[J].電子制作，2014(6)：10-11.

　　[8] 陳標(biāo)龍,，王保成,，周江華.基于FPGA和FIFO技術(shù)的多串口系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2013,，21(10)：2835-2837.

　　[9] 謝廷婷,，彭鼎祥,，鄭積仕.一種多通道動態(tài)均衡先進(jìn)先出緩存機(jī)制[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào)，2013,，11(6)：897-901.

　　[10] 韓建,，何學(xué)蘭，魏運(yùn)峰.基于FPGA的FIR數(shù)字濾波器算法的改進(jìn)及仿真[J].光學(xué)儀器,，2013,，35(5)：56-70.