基于电阻率法的信号采集及网络传输的研究

　　李瑞金，郭来功

　　（安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）

       摘要：利用电阻率法可以动态地获得煤矿井下不同地区煤层的电阻率的变化情况，根据煤层电阻率的变化特征，通过STM32为控制核心的电极采集电路，可以实时监测每点电位的变化情况，采用差分测量结构的信号处理电路送给AD模块，提高了抗干扰能力。文章设计了基于STM32的32路电位采集、32路温度采集和1路电流检测电路，实时监测32点煤层电位和温度变化情况，实时检测发射电流场的变化，并将采集的数据通过UDP网络传输协议上传至服务器。实验结果表明，该采集电路经过有效的数据处理算法，能稳定地采集每点电位和温度的变化，剔除由于各种干扰出现的测量异常值，为分析井下岩层变化提供了强有力的数据支持。

　　关键词：电阻率；STM32；差分测量结构；UDP；网络；数据处理算法

0引言

　　电法探测基本原理是根据地壳中地质体的导电特性，通过人为地在一定区域内施加直流电源作为激励源产生直流电场，研究电场的空间分布规律，即在相同的直流电场作用下测量待测点相对于发射电场高电位之间的电压，将其值通过阵列式的切换电路送到信号处理电路，STM32通过信号处理电路采集到测量点的电位，将采集到的数据进行数据分析，可以判断某一点的地质情况的变化。此方法制作的采集电路可应用于煤矿井下煤炭开采中地质情况变化的获取、水文环保等工程应用。

1电阻率法与温度的监测采集系统方案

　　电阻率法是集电测深和电剖面法于一体的一种多装置多极距组合阵列勘探方法，它通过A、B电极向地下提供电流，然后在M、N极间测量电位差△UMN，从而求得该记录点的电阻率根据实测的电阻率剖面，进行计算、处理、分析，获得地层中的电阻率分布情况［1］。测量时只需将全部电极(几十至上百根)置于测点上，然后利用STM32为控制核心的电极采集电路通过电极模拟转换开关实现数据的快速采集、自动保存，通过以太网将采集的数据上传到电脑，可对数据进行处理分析。

　　本装置采集电路以间隔1 s~5 s的采集变换频率自动循环地切换采集每点电极参数，温度采集系统是为了更好地了解采集处的环境变化情况，更有利于采集点的情况变化分析。根据实际应用要求，系统采用32路电极采集和32路温度采集，系统总体方案如图1所示。

2电极采集电路

　　32路电极采集主要根据电阻率法原理，通过A、B电极向地下提供电流，然后在M、N极间测量电位差△UMN，从而求得该记录点的视电阻率。此采集系统在A、B提供的直流电场中取32个采集点，每一个采集点在正常情况下有对应的正常参数，当地质发生变化时每点的电极参数

　　将会发生变化，32路电极采集间隔为1 s~5 s，实时将采集数据通过以太网上传到服务器，分析采集数据是否超过变化范围。32路电极采集系统分为电极采集切换电路、信号处理电路两部分。

　　2.1切换电路设计

　　32路电极采集通过2个16通道的CMOS模拟多路复用器直接接到硬件电路的每一路输入通道，通过STM32控制其4位地址选择端和一路使能端，选择指定地址对应的输入信号从COM端输出，各通道切换时间都是纳秒级的。

　　2.2信号处理电路

　　将采集到的电极模拟量信号经过信号处理电路，变换为适应AD采集模块需要的输入信号。信号采集电路主要由差分测量结构、信号衰减电路、电压比较电路、8通道COMS模拟多路选择器、运算放大器组成。

　　为了有效地去除干扰所造成的测量误差，输入信号采用差动输入模式，可实现高精度的有选择性的测量，在消除干扰、改善线性、提高灵敏度方面有明显的效果。差分测量结构如图2所示，输出为：

　　信号衰减电路主要将采集到的电压信号进行前级衰减。电压比较电路将采集到的电压信号与3个基准电压进行比较，通过STM32判断三路电压比较的结果，选择后级放大电路放大的倍数。后级放大电路放大倍数的选择通过DG408模拟多路选择器控制。信号衰减电路的作用是将采集到的电压较大的信号进行衰减，同时更好地配合后级进行选择性放大，将电压调整到合适值送给AD采集。

　　STM32采集到电压大小后通过DG408选择性地对信号进行放大，得到需要的电压信号。信号放大电路为同相比例运算放大电路，R1端为固定值5.1 kΩ，反馈电阻Rf为DG408选择接通的电阻，其放大倍数为此放大倍数为信号后级放大倍数。32路电极采集到的电压信号经过前级1/3信号衰减电路、再经过后级的AU2放大单元，最后经过信号处理电路处理后的电压信号不但满足AD采样输入电压的要求，而且采集后的电压信号还能够根据上述关系的大小还原成原本采集到的电压。

3温度采集电路

　　温度采集电路通过温度变送器将PT100热敏电阻的变化转换为4 mA~20 mA的标准电流，然后经低通滤波电路和取样电阻采集电压信号，经过计算可以得出电流值，由Ω=2.375 mA+90.5可以得到电阻与PT100电阻值的变化，由PT100热电阻分度表可得到温度值，温度采集电路如图3所示。

　　温度采集电路对应每一路电极采集电路，温度的采集同样采用2个16通道的CMOS模拟多路复用器DG406切换采集每一路温度。

4发射电流的采集

　　根据电阻率法原理，通过A、B电极向地下提供直流电流，该直流电流称之为发射电流。本采集电路实时采集此路电流信号，比较采集电流值与标准设定值，判断A、B电极插入地下是否发生短路的情况。发射电流的采集利用霍尔电流传感器，将采集到的电流信号转换为电压信号，为了将采集到的电压信号转换为适合AD采集的电压，最后经分压处理后传给AD。

5测量数据的处理算法

　　在等精度的多次重复测量过程中，发现有一两个偏离图3四路温度采集电路算术平均值较大的数值，对于这样的可疑测量值，究竟是由于随机因素产生的测量值分散而出现的，还是偏离正常测量条件下出现的异常值，这都需要做出正确的判断，进行取舍。

　　本软件编程在对采集数据的处理方面采用的是t检验准则法。对电位、温度采集值重复测量10次，得到10组数据，每组数据中序号相同的为同一个量的10次测量值，可作为一组数据。将测量值记为X1，X2，X3，…，X10，分别将这10个数作为异常值的怀疑对象，如将X1作为异常值，那么首先计算不含X1的算术平均值，=1n－1∑10i=2i≠1xi，然后再求出不含X1的实验标准差s：

　　然后根据所需求的显著性水平α及测量次数n查表，得到t检验系数K(n,α)的值［2］。若满足|x1－x|>s(xi)·K(n,α)，则认为X1是粗大误差的异常值，以此类推将10次测量数据都进行判断一次，将粗大误差的值删除。

6以太网传输控制

　　6.1电路的组成

　　以太网控制电路的作用主要是将STM32F107采集到的32路电极值和32路温度值发送到服务器。以太网控制电路主要采用嵌入式芯片+以太网网卡芯片，以太网网卡芯片采用DP83848C芯片，该芯片是一种10/100 Mbit/s单路物理层以太网收发器，支持10/100 M的网络通信和MII以及RMII接口模式。主要构成部分有：MII/RMII接口、10 M/100 M发送模块、10 M/100 M接收模块、时钟频率发生器、DAC/ADC/LED状态显示模块及相关控制寄存器。其硬件电路的连接如图4所示。

　　电路的组成中，PHY层芯片DP83848C相当于物理层，STM32F107自带的MAC层相当于数据链路层，而LWIP提供的就是网络层、传输层的功能，应用层则需要用户根据自己想要的功能去实现［3］。

　　其中LWIP是一个小型开源的TCP/IP协议栈，是TCP/IP的一种实现方式。LWIP是轻量级IP协议，有无操作系统的支持都可以运行，LWIP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM 的占用，它只需十几KB的RAM和40 KB左右的ROM就可以运行。

　　LWIP有3种编程接口，分别为RAW、NETCONN和SOCKET。RAW编程接口不需要操作系统的支持，可以直接裸机使用LWIP，但是RAW编程接口比较复杂。RAW使用的是回调机制，需要编写回调函数。NETCONN和SOCKET这两种编程接口都需要有操作系统的支持，否则无法使用，但是这两种接口使用起来比较简单。

　　UDP协议即数据报协议，是OSI参考模型中的传输层协议,是一种无连接的(TCP是面向连接的)、不可靠的传输协议。UDP协议只是尽可能地将应用层的数据发送出去，不提供任何的浏览量控制、报文确认等，也就是说当报文发送以后是无法得知报文是否安全完整地到达目的主机的。

　　UDP协议的优点：由于现如今的网络环境可靠性高、延时低，因此UDP协议也不是那么的不堪一击，相反由于UDP协议省去了建立连接、数据确认、流量控制等一系列的过程，因此UDP的协议代码量少，处理过程简洁，实时性好。

　　在使用UDP或者TCP传输数据时都是将数据传递给特定主机，但是在实际使用中可能同时有多个软件来使用网络，那么需要使用端口号来区分不同的应用。这样就可以使用IP地址确定好目的主机，然后再使用端口号确定目的主机中的应用程序。

　　UDP组织形式：LWIP中使用UDP控制块来描述UDP，UDP控制块是UDP协议中最核心的部分，UDP控制块是一个结构体，这个结构体在udp.h中定义［4］。

7信号采集程序

　　基于STM32的采集电路在线模拟采集实验，主要采集电位、温度和电流传感器三路模拟量，电位的采集通过DG406采集1~16路模拟量存储在p_ch1数组中，然后再切换到DG4062采集1~16路模拟量存储在p_ch2数组中，相应的数字量分别存储在ADC_GIT1和ADC_GIT2数组中［5］。

　　信号采集子程序为：

　　void ADC_CJ_V(void){

　　unsigned int i ;

　　DG406_1EN_ON;

　　DG406_2EN_OFF;

　　DG408_EN;

　　GPIOB->ODR &=0xFFFFFF1F;

　　GPIOB->ODR |=0x00000060;//选择可控放大第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);//模拟开关转换延时

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

　　p_ch1［i］=p_ch0［10］;//存储模拟量

　　DG408_Control(i);

　　Delay_ms(30);//DG408模拟开关转换延时

　　p_ch1［i］=p_ch0［10］;//存储模拟量

　　ADC_GIT1［i］=ADC_RCVTab［10］;//存储数字量

　　}

　　}

8结论

　　基于STM32的32路电位采集和温度采集系统在煤矿井下的应用，可以有效地监测到某一点地质情况的变化，将采集的数据通过以太网络传输到服务器进行实时分析，可以有效快速地判断出某一点或某一区域的地质灾害情况，达到有效监测和预防的作用。该采集电路经过合理的数据处理算法，经过反复试验最终得到较为理想的测量结果，通过UDP网络传输协议传到上位机软件，经试验验证，UDP传输层协议能够稳定可靠地传输数据。

　　参考文献

　　［1］ 张平松,胡雄武,吴荣新.岩层变形与破坏电法测试系统研究［J］.岩土力学,2012，33(3):952 956.

　　［2］ 王俊杰，曹丽等．传感器与检测技术［M］.北京：清华大学出版社：2011.

　　［3］ 意法半导体. STM32F10xxx参考手册［S］．2010.

　　［4］ 林成浴.TCP/IP协议及其应用［M］.北京：人民邮电出版社，2013.

　　［5］ ST. STM32F10xxx Cortex睲3 programming manual［S］．2009．