李瑞金，郭來功

　　（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001）

       摘要：利用電阻率法可以動態地獲得煤礦井下不同地區煤層的電阻率的變化情況，根據煤層電阻率的變化特征，通過STM32為控制核心的電極采集電路，可以實時監測每點電位的變化情況，采用差分測量結構的信號處理電路送給AD模塊，提高了抗干擾能力。文章設計了基于STM32的32路電位采集、32路溫度采集和1路電流檢測電路，實時監測32點煤層電位和溫度變化情況，實時檢測發射電流場的變化，并將采集的數據通過UDP網絡傳輸協議上傳至服務器。實驗結果表明，該采集電路經過有效的數據處理算法，能穩定地采集每點電位和溫度的變化，剔除由于各種干擾出現的測量異常值，為分析井下巖層變化提供了強有力的數據支持。

　　關鍵詞：電阻率；STM32；差分測量結構；UDP；網絡；數據處理算法

0引言

　　電法探測基本原理是根據地殼中地質體的導電特性，通過人為地在一定區域內施加直流電源作為激勵源產生直流電場，研究電場的空間分布規律，即在相同的直流電場作用下測量待測點相對于發射電場高電位之間的電壓，將其值通過陣列式的切換電路送到信號處理電路，STM32通過信號處理電路采集到測量點的電位，將采集到的數據進行數據分析，可以判斷某一點的地質情況的變化。此方法制作的采集電路可應用于煤礦井下煤炭開采中地質情況變化的獲取、水文環保等工程應用。

1電阻率法與溫度的監測采集系統方案

　　電阻率法是集電測深和電剖面法于一體的一種多裝置多極距組合陣列勘探方法，它通過A、B電極向地下提供電流，然后在M、N極間測量電位差△UMN，從而求得該記錄點的電阻率根據實測的電阻率剖面，進行計算、處理、分析，獲得地層中的電阻率分布情況［1］。測量時只需將全部電極(幾十至上百根)置于測點上，然后利用STM32為控制核心的電極采集電路通過電極模擬轉換開關實現數據的快速采集、自動保存，通過以太網將采集的數據上傳到電腦，可對數據進行處理分析。

　　本裝置采集電路以間隔1 s~5 s的采集變換頻率自動循環地切換采集每點電極參數，溫度采集系統是為了更好地了解采集處的環境變化情況，更有利于采集點的情況變化分析。根據實際應用要求，系統采用32路電極采集和32路溫度采集，系統總體方案如圖1所示。

2電極采集電路

　　32路電極采集主要根據電阻率法原理，通過A、B電極向地下提供電流，然后在M、N極間測量電位差△UMN，從而求得該記錄點的視電阻率。此采集系統在A、B提供的直流電場中取32個采集點，每一個采集點在正常情況下有對應的正常參數，當地質發生變化時每點的電極參數

　　將會發生變化，32路電極采集間隔為1 s~5 s，實時將采集數據通過以太網上傳到服務器，分析采集數據是否超過變化范圍。32路電極采集系統分為電極采集切換電路、信號處理電路兩部分。

　　2.1切換電路設計

　　32路電極采集通過2個16通道的CMOS模擬多路復用器直接接到硬件電路的每一路輸入通道，通過STM32控制其4位地址選擇端和一路使能端，選擇指定地址對應的輸入信號從COM端輸出，各通道切換時間都是納秒級的。

　　2.2信號處理電路

　　將采集到的電極模擬量信號經過信號處理電路，變換為適應AD采集模塊需要的輸入信號。信號采集電路主要由差分測量結構、信號衰減電路、電壓比較電路、8通道COMS模擬多路選擇器、運算放大器組成。

　　為了有效地去除干擾所造成的測量誤差，輸入信號采用差動輸入模式，可實現高精度的有選擇性的測量，在消除干擾、改善線性、提高靈敏度方面有明顯的效果。差分測量結構如圖2所示，輸出為：

　　信號衰減電路主要將采集到的電壓信號進行前級衰減。電壓比較電路將采集到的電壓信號與3個基準電壓進行比較，通過STM32判斷三路電壓比較的結果，選擇后級放大電路放大的倍數。后級放大電路放大倍數的選擇通過DG408模擬多路選擇器控制。信號衰減電路的作用是將采集到的電壓較大的信號進行衰減，同時更好地配合后級進行選擇性放大，將電壓調整到合適值送給AD采集。

　　STM32采集到電壓大小后通過DG408選擇性地對信號進行放大，得到需要的電壓信號。信號放大電路為同相比例運算放大電路，R1端為固定值5.1 kΩ，反饋電阻Rf為DG408選擇接通的電阻，其放大倍數為此放大倍數為信號后級放大倍數。32路電極采集到的電壓信號經過前級1/3信號衰減電路、再經過后級的AU2放大單元，最后經過信號處理電路處理后的電壓信號不但滿足AD采樣輸入電壓的要求，而且采集后的電壓信號還能夠根據上述關系的大小還原成原本采集到的電壓。

3溫度采集電路

　　溫度采集電路通過溫度變送器將PT100熱敏電阻的變化轉換為4 mA~20 mA的標準電流，然后經低通濾波電路和取樣電阻采集電壓信號，經過計算可以得出電流值，由Ω=2.375 mA+90.5可以得到電阻與PT100電阻值的變化，由PT100熱電阻分度表可得到溫度值，溫度采集電路如圖3所示。

　　溫度采集電路對應每一路電極采集電路，溫度的采集同樣采用2個16通道的CMOS模擬多路復用器DG406切換采集每一路溫度。

4發射電流的采集

　　根據電阻率法原理，通過A、B電極向地下提供直流電流，該直流電流稱之為發射電流。本采集電路實時采集此路電流信號，比較采集電流值與標準設定值，判斷A、B電極插入地下是否發生短路的情況。發射電流的采集利用霍爾電流傳感器，將采集到的電流信號轉換為電壓信號，為了將采集到的電壓信號轉換為適合AD采集的電壓，最后經分壓處理后傳給AD。

5測量數據的處理算法

　　在等精度的多次重復測量過程中，發現有一兩個偏離圖3四路溫度采集電路算術平均值較大的數值，對于這樣的可疑測量值，究竟是由于隨機因素產生的測量值分散而出現的，還是偏離正常測量條件下出現的異常值，這都需要做出正確的判斷，進行取舍。

　　本軟件編程在對采集數據的處理方面采用的是t檢驗準則法。對電位、溫度采集值重復測量10次，得到10組數據，每組數據中序號相同的為同一個量的10次測量值，可作為一組數據。將測量值記為X1，X2，X3，…，X10，分別將這10個數作為異常值的懷疑對象，如將X1作為異常值，那么首先計算不含X1的算術平均值，=1n－1∑10i=2i≠1xi，然后再求出不含X1的實驗標準差s：

　　然后根據所需求的顯著性水平α及測量次數n查表，得到t檢驗系數K(n,α)的值［2］。若滿足|x1－x|>s(xi)·K(n,α)，則認為X1是粗大誤差的異常值，以此類推將10次測量數據都進行判斷一次，將粗大誤差的值刪除。

6以太網傳輸控制

　　6.1電路的組成

　　以太網控制電路的作用主要是將STM32F107采集到的32路電極值和32路溫度值發送到服務器。以太網控制電路主要采用嵌入式芯片+以太網網卡芯片，以太網網卡芯片采用DP83848C芯片，該芯片是一種10/100 Mbit/s單路物理層以太網收發器，支持10/100 M的網絡通信和MII以及RMII接口模式。主要構成部分有：MII/RMII接口、10 M/100 M發送模塊、10 M/100 M接收模塊、時鐘頻率發生器、DAC/ADC/LED狀態顯示模塊及相關控制寄存器。其硬件電路的連接如圖4所示。

　　電路的組成中，PHY層芯片DP83848C相當于物理層，STM32F107自帶的MAC層相當于數據鏈路層，而LWIP提供的就是網絡層、傳輸層的功能，應用層則需要用戶根據自己想要的功能去實現［3］。

　　其中LWIP是一個小型開源的TCP/IP協議棧，是TCP/IP的一種實現方式。LWIP是輕量級IP協議，有無操作系統的支持都可以運行，LWIP實現的重點是在保持TCP協議主要功能的基礎上減少對RAM 的占用，它只需十幾KB的RAM和40 KB左右的ROM就可以運行。

　　LWIP有3種編程接口，分別為RAW、NETCONN和SOCKET。RAW編程接口不需要操作系統的支持，可以直接裸機使用LWIP，但是RAW編程接口比較復雜。RAW使用的是回調機制，需要編寫回調函數。NETCONN和SOCKET這兩種編程接口都需要有操作系統的支持，否則無法使用，但是這兩種接口使用起來比較簡單。

　　UDP協議即數據報協議，是OSI參考模型中的傳輸層協議,是一種無連接的(TCP是面向連接的)、不可靠的傳輸協議。UDP協議只是盡可能地將應用層的數據發送出去，不提供任何的瀏覽量控制、報文確認等，也就是說當報文發送以后是無法得知報文是否安全完整地到達目的主機的。

　　UDP協議的優點：由于現如今的網絡環境可靠性高、延時低，因此UDP協議也不是那么的不堪一擊，相反由于UDP協議省去了建立連接、數據確認、流量控制等一系列的過程，因此UDP的協議代碼量少，處理過程簡潔，實時性好。

　　在使用UDP或者TCP傳輸數據時都是將數據傳遞給特定主機，但是在實際使用中可能同時有多個軟件來使用網絡，那么需要使用端口號來區分不同的應用。這樣就可以使用IP地址確定好目的主機，然后再使用端口號確定目的主機中的應用程序。

　　UDP組織形式：LWIP中使用UDP控制塊來描述UDP，UDP控制塊是UDP協議中最核心的部分，UDP控制塊是一個結構體，這個結構體在udp.h中定義［4］。

7信號采集程序

　　基于STM32的采集電路在線模擬采集實驗，主要采集電位、溫度和電流傳感器三路模擬量，電位的采集通過DG406采集1~16路模擬量存儲在p_ch1數組中，然后再切換到DG4062采集1~16路模擬量存儲在p_ch2數組中，相應的數字量分別存儲在ADC_GIT1和ADC_GIT2數組中［5］。

　　信號采集子程序為：

　　void ADC_CJ_V(void){

　　unsigned int i ;

　　DG406_1EN_ON;

　　DG406_2EN_OFF;

　　DG408_EN;

　　GPIOB->ODR &=0xFFFFFF1F;

　　GPIOB->ODR |=0x00000060;//選擇可控放大第4路

　　for(i=0;i<16;i++)

　　{

　　CJFlag=1;

　　GPIOE->ODR &=0xFFFFF807; //先清需要位

　　GPIOE->ODR |=(i<<3);

　　Delay_ms(30);//模擬開關轉換延時

　　p_ch0［10］ = (ADC_RCVTab［10］) * 3.3 / 4096.0;

　　p_ch1［i］=p_ch0［10］;//存儲模擬量

　　DG408_Control(i);

　　Delay_ms(30);//DG408模擬開關轉換延時

　　p_ch1［i］=p_ch0［10］;//存儲模擬量

　　ADC_GIT1［i］=ADC_RCVTab［10］;//存儲數字量

　　}

　　}

8結論

　　基于STM32的32路電位采集和溫度采集系統在煤礦井下的應用，可以有效地監測到某一點地質情況的變化，將采集的數據通過以太網絡傳輸到服務器進行實時分析，可以有效快速地判斷出某一點或某一區域的地質災害情況，達到有效監測和預防的作用。該采集電路經過合理的數據處理算法，經過反復試驗最終得到較為理想的測量結果，通過UDP網絡傳輸協議傳到上位機軟件，經試驗驗證，UDP傳輸層協議能夠穩定可靠地傳輸數據。

　　參考文獻

　　［1］ 張平松,胡雄武,吳榮新.巖層變形與破壞電法測試系統研究［J］.巖土力學,2012，33(3):952 956.

　　［2］ 王俊杰，曹麗等．傳感器與檢測技術［M］.北京：清華大學出版社：2011.

　　［3］ 意法半導體. STM32F10xxx參考手冊［S］．2010.

　　［4］ 林成浴.TCP/IP協議及其應用［M］.北京：人民郵電出版社，2013.

　　［5］ ST. STM32F10xxx CortexM3 programming manual［S］．2009．