基于ARM的聲發射儀的設計

摘要：煤巖體因內外力作用以及外界環境因素影響，易發生滑坡塌陷，災害發生之前會有聲發射現象，將采集到的煤巖體聲發射信號進行處理和分析，對聲發射參數進行統計，就可以作為煤巖體是否穩定的判據。本文詳細闡述了基于ARM的聲發射儀的檢測原理，系統的軟硬件構成。系統的計算速度和實時處理能力快，穩定性好，功耗低，適合現場使用。

關鍵詞：聲發射 ARM DSP

中圖分類號：TP216文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）08（c）-0032-01

煤巖體是一種存在著各種微裂隙，空隙的非均質體，這些缺陷位置在外力作用下容易產生應力集中，發生突然破裂，這時積聚在煤巖中的能量得以釋放并以彈性波的形式向外傳播，產生煤巖體在地應力、瓦斯壓力下的聲發射現象。煤巖體聲發生檢測技術就是利用煤巖體受力變形破壞時發射的聲波和微震信號來檢測判斷煤巖體穩定性的方法。

1 檢測原理及檢測參數

煤巖體在破壞之前，必然持續一段時間以聲波的形式釋放積蓄的能量，從而產生聲發射與微震現象，煤巖體能量釋放的強度隨著巖體結構臨近失穩而不斷變化，每一個聲發射與微震信號都包含著巖體內部狀態變化的豐富信息。因此，將采集到的煤巖體聲發射與微震信號進行處理和分析，并對反映巖體穩定狀況的參數進行統計，可作為評價巖體穩定狀況的依據。本系統對采集到的聲發射與微震信號進行處理和分析，主要統計和計算如下參數：（1）事件頻度。事件頻度的變化反映了煤巖體變形和破壞過程。（2）振幅。振幅的分布可以反映出煤巖體變形和破壞范圍。（3）事件能量。事件能量可以反映煤巖體破裂程度的大小。（4）頻譜分析。分析聲發射與微震信號在頻域中的特點。（5）震源定位。通過多通道同步數據采集來測定各傳感器接收到的聲發射與微震信號的到達時刻，并結合各傳感器坐標及煤巖體的實測波速，通過優化的定位算法求出震源位置。通過震源位置可以判斷巖體受破壞的主要部位。

2 系統功能及軟硬件設計

2.1 系統功能

聲發射傳感器采集的電信號經過前置放大濾波后，通過AD轉換后得到的數字信號進入DSP，經過數字濾波、特征參數提取和對參數的分析評價等數字信號處理后，判斷得出煤巖體是否穩定，若不穩定，向ARM發出信息，ARM進一步通過揚聲器進行報警。系統通過液晶顯示和鍵盤實現人機交互。鍵盤主要完成系統啟動，復位和關閉功能。通過液晶顯示屏設置設備的工作參數，實時顯示檢測所得的相關特征參數和實時波形。基于ARM的聲發射檢測系統可實現如下功能：（1）進行實時聲發射檢測。首先采集、傳輸、放大和量化聲發射信號；接著對聲發射信號的濾波去噪聲；然后提取聲發射信號的特征參數；最后分析評價聲發射信號的特征參數；出現煤巖不穩定時實時報警。（2）進行參數設置。頻率范圍可調；檢測精度可調。（3）實現人機交互。鍵盤輸入；液晶顯示輸出。

2.2 系統的硬件設計

2.2.1 嵌入式處理器

系統采用三星公司S3C2410作為核心處理器，S3C2410基于ARM920T內核，采用了5級指令流水線，處理器運行的時鐘頻率最高可以達到203MHz；存儲器系統根據哈佛體系結構重新設計，擁有獨立的數據緩存和指令緩存；帶有MMU（存儲器管理單元），支持有虛擬存儲器功能的操作系統。ARM內核提供AHB和APB總線連接外圍設備。

2.2.2 DSP協處理器

若采用單一的ARM處理器，在一些計算量大的場合和對實時性能要求高的場合不能適應。特別是本設計中，嵌入式聲發射信號的檢測和分析算法中需要大量的卷積運算，而DSP提供的MAC運算單元能保證一次乘累加處理可在一個時鐘周期內完成，為系統提供了實時計算的保障。因此本系統采用了ARM加DSP的雙處理器系統架構。

2.2.3 信號采集模塊

信號采集模塊完成信號的采集，轉換，并將轉換后的數字信號送給DSP處理。本模塊由聲發射傳感器，濾波器，放大器和A/D轉換器組成。聲發射傳感器將聲信號轉換為電信號，再經濾波器濾波，這里濾波器采用變參數的可編程結構，可根據現場信號對抗混淆濾波的需要，選擇500Hz、1KHz、2KHz、2.5KHz、5KHz等不同截止頻率。放大器也采用放大倍數可編程放大器，根據現場信號的幅值選擇放大倍數為1倍、2倍、5倍、10倍等。經過濾波放大后的模擬信號送A/D轉換器進行轉換。系統采樣頻率根據現場信號的頻率可選擇1KHZ、5KHZ、10KHZ、20KHZ、40KHZ和60KHZ。

2.2.4 存儲模塊

存儲模塊的內存部分選用兩片三星K4S561632，構成32位SDRAM，容量為64MB；選用三星的K9F1208作為固態存儲器，存放程序和存儲數據。

2.2.5 輸入輸出模塊

S3C2410支持4K色彩的STN和256K色的TFT液晶以及觸摸屏。在本嵌入式聲發射檢測儀中，采用標準256K色TFTLCD和觸摸屏接口。

2.2.6 USB接口模塊

在嵌入式聲發射檢測儀中，通過USB接口可以方便地把采集到的聲發射的原始數據、分析結果通過u盤轉存。

2.3 系統的軟件設計

本設計是基于32位RISCCPU的嵌入式系統，一般其軟件結構包括嵌入式操作系統、應用軟件和啟動引導程序（BootLoader）三部分。

2.3.1 嵌入式操作系統

Linux是一個自由發布的、類UNIX的操作系統內核。只要遵循GPL協議，任何人都可以不需額外費用得到其源代碼。因此Linux成為眾多中、低端嵌入式產品的首選。本系統選擇Linux作為嵌入式聲發射檢測系統的操作系統。

2.3.2 Bootloader

Bootloader是系統上電后執行的第一段代碼，它的任務是完成系統中基本硬件的初始化，然后啟動操作系統，最后將系統的控制權交給操作系統。如果沒有它，嵌入式Linux操作系統就不能運行。Bootloader需要與特定操作系統和嵌入式處理器相匹配。由于本系統使用的是Linux和S3C2410處理器，使用VIVI作為嵌入式linux的Bootloader。

2.3.3 應用軟件

應用軟件的圖形用戶界面的開發是基于QtE的，軟件主要包括信號采集，參數設置，特征參數顯示，波形顯示，頻譜分析和保存數據模塊。

3 結語

嵌入式聲發射檢測儀是將放大后的聲發射信號直接進行高速A/D轉換提取聲發射特征量，數字信號的抗干擾性好，信息能夠準確地發送，傳遞無畸變，克服了因模擬器件帶來的噪聲或飽和失真，從而保證了儀器的可靠性。ARM加DSP的雙處理器系統架構，使得系統的計算速度和實時處理能力進一步提高。

參考文獻

[1]李光海，劉時風.聲發射信號分析技術及進展[c].哈爾濱：第十屆聲發射技術研討會，2004.

[2]王煥義.巖體微震事件的精確定位研究[J].工程爆破，2001，7（3）：5-8.