基于MEMS與LwIP的煤礦三分量地震數據采集系統

王懷秀，仇 帥，朱國維，陳 波

基于MEMS與LwIP的煤礦三分量地震數據采集系統

王懷秀1，仇 帥2,3，朱國維2,3，陳 波2,3

(1．北京建筑大學 電氣與信息工程學院，北京 102616；2．中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083；3．煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083)

針對當前煤礦地震數據采集傳輸系統中數據傳輸實時性差，數據傳輸量有限的問題，以及數據采集需要滿足多波寬頻的要求，設計了基于MEMS與LwIP的煤礦三分量全波地震數據采集系統。該系統由MEMS三分量檢波器、數據采集單元、高性能防爆路由器、高性能嵌入式主機及采集控制軟件、主機監控軟件構成。采用MEMS加速度芯片VS1002作為檢波器芯體，利用其高靈敏度、寬頻帶響應等特點；主機監控軟件完成對全波采集單元監控、管理及簡單的數據處理功能；全波數據采集單元實現了三分量地震信號的數據拾取、轉換、存儲和數據輸出；系統采用分布式控制方式，可實現系統的靈活組合與拆分，提高了采集信號的質量，增強了在煤礦中的適用范圍。實驗結果表明：與常規地震采集系統相比，本系統具有抗干擾力強，響應頻帶寬的特點，可在惡劣環境條件下捕捉到頻帶較寬的地震信號。

煤礦地震勘探；地震數據；LwIP網絡；MEMS三分量檢波器；分布式控制

隨著煤炭勘探技術的進步，地震資料的采集已進入了高精度的勘探時代，高密度地震勘探、三維三分量地震勘探已經成為煤炭高精度勘探的重要手段[1-3]。三維地震勘探技術在全國大多數煤礦得到推廣和普及[4-5]。高精度的勘探帶來了大量的數據，數據傳輸的可靠性和傳輸速率成為數據傳輸過程中最主要的問題。目前煤礦勘探中數據的傳輸方式多采用串行數據傳輸方式，這類數據傳輸方式的速率難以滿足目前煤礦勘探的需求[6-8]。一方面，隨著信息化和傳感器技術的發展，現代高性能高集成的傳感器得到極大的發展。目前國內已有很多對地震信號采集的傳感器，其大多是采用動圈式二分量或者三分量檢波器，導致勘探儀器的響應靈敏度低，體積、重量變大，不利于礦井施工。煤礦地震勘探包括地面和井下兩個方面，而井下勘探從波場類型可分為槽波、體波、折射波等，從觀測方式分為采煤工作面透射、巷道側幫反射、巷道超前、下組煤反射等，從震源類型又可分為炸藥、錘擊、被動源等多種勘探方式和方法。因此，煤礦地震勘探對采集系統的頻帶范圍、抗干擾能力，以及設備的輕便性和對不同施工方式的適用性均有較高要求。

根據上述原因，在進行深入分析與研究儀器設備結構的基礎上，設計了響應靈敏度高、線性度好、時效性強、傳輸速率高的數據采集及傳輸系統，采用高性能MEMS傳感器和LwIP(小型開源的TCP/IP協議棧)作為以太網的底層協議棧，把LwIP移植到STM32F407ZG上[9]。通過該系統能夠對煤礦中的隱蔽致災地質因素進行準確的探測[10-11]。在保證數據穩定傳輸的前提下，用以太網傳輸代替傳統的數據傳輸模式，不僅提高系統實時性，而且使數據采集單元和主機數據交互更為快捷。同時，在礦井中通過加入互聯設備，易于檢波器的擴展和組網，實現地震數據的分布式采集，同時也可實現礦井遠程作業和數據的實時傳輸。該系統很好地滿足了煤礦地震數據實時傳輸的需求，在探測頻帶、靈敏度、精度、可靠性及時效性等方面均滿足當前地震勘探的需求。

1 設計系統傳感器簡介

本系統傳感器采用的是瑞士進口的Colibrys VS1002單軸加速度傳感器。加速度傳感器芯片的噪聲譜密度為7 μV/sqrt(Hz)、功耗小于2 mW、非線性度低至0.1%。在進行檢波器選擇時，對動圈式檢波器和VS1002傳感器進行測試(圖1)。測試結果如圖2所示，其中第一道，第二道，第三道為動圈式傳感器，第四道為VS1002傳感器。

由圖2可以看出，VS1002對震動的響應明顯優于傳統動圈式傳感器，另外由于其采用全封閉的密封封裝，外界溫度變化對其影響較小，性能穩定。且加速度傳感器體積小、重量輕。選取的MEMS傳感器更有利于研制靈敏且輕便的檢波器[12]。

如圖3所示，這種加速度傳感器是基于差分電容原理的極距變化型的電容傳感器，它的上下極板均固定，稱為靜極板，中間的是質量體。當被測物體移動時質量體隨之移動，使電容量發生了變化：

Δ=/Δ(1)

式中：Δ為被測物體移動時質量體發生的移動；Δ為電容量的變化；為電容極板間介質的介電常數；為兩平行板所覆蓋的面積。

這樣，當有外力作用時，可以把Δ的變化轉化為電容量的變化，通過測量電路就可以轉化電量輸出。進而可以測得外部的振動速度(或加速度)，還可以進一步測出壓力。在本系統中，它用于獲取沿著礦井工作面頂底板傳播的體波和沿煤層中傳播的槽波，將所述體波和所述槽波轉化為差分信號的模擬量。

圖3 VS1002單軸加速度傳感器結構

MEMS三分量檢波器是將3個分量MEMS檢波器模塊以笛卡爾坐標形式安裝于檢波器殼體內，基于設計的單分量檢波器模塊所設計的三分量檢波器殼體及組裝形式如圖4a所示，其中中間放置2個相互垂直的方形檢波器模塊，底端放置一塊圓形檢波器模塊，頂端放置一塊輸入輸出接口模塊。

根據地震檢波器的本安設計原則，需要檢波器能夠防爆，所以對檢波器采用了尼龍材料進行封裝，封裝效果如圖4 b所示。

圖4 MEMS三分量檢波器

Fig.4 MEMS three-component detector

2 設計系統結構組成

系統硬件主要由MEMS三分量檢波器、全波數據采集單元、高性能防爆網絡交換機、高性能嵌入式主機4部分組成(圖5)。

MEMS三分量檢波器能夠對礦井中3個不同方向的縱波和橫波進行精確地拾取；每個全波數據采集單元可以接收最多4個MEMS三分量檢波器的輸出信號，通過8芯屏蔽電纜將拾取的模擬地震信號傳輸到全波數據采集單元；全波數據采集單元將轉換后的數字信號通過網絡交換機傳輸到嵌入式主機；主機判斷數據的有效性，無效的數據直接丟棄，有效的數據經程序處理后存儲。

圖5 研究系統組成結構

系統可以根據需要來方便地增加或減少數據采集單元的個數，從而達到擴展地震道數量的目的。

為了滿足實際勘探的應用需求，參數采集設置為可調模式，其中采集參數主要包括：采樣率、采樣點數和通道數。

3 設計系統硬件設計

3.1 數據采集單元硬件組成

全波數據采集單元的組成如圖6所示，主要由模數轉換電路、微處理器、存儲模塊、網絡傳輸模塊及調試接口等組成。其中微處理器選用的是一款基于Cortex-M4內核的32位處理器STM32F407ZG，其工作頻率可達168 MHz，極大提高代碼在FLASH中的執行速度；支持FPU和DSP指令，內部集成容量為1 M FLASH和192 K SRAM[13]。數據采集單元以STM32F407為核心，為采集系統提供控制命令，模數轉換電路實現對來自檢波器的地震信號進行差分放大和模/數轉換，通過網絡接口將轉換后的數字信號傳輸到嵌入式主機，主機用于進行波形顯示、存儲、分析和處理。

圖6 全波數據采集單元結構

模數轉換電路主要由差分驅動電路和模數轉換器構成，其中模數轉換器選用的是高性能模/數轉換器AD7767，AD7767是24位無失碼低功耗過采樣SAR型ADC，它具有較寬的動態范圍和輸入帶寬；片內利用線性相位數字FIR濾波器進行濾波，通過采樣輸入來消除帶外噪聲；同時差分的信號輸入方式可以有效降低共模干擾。

網絡傳輸采用精簡介質獨立接口(RMII)和以太網收發芯片LAN8720A，在保持IEEE802.3規范中所有特性的同時，可以減少物理層(PHY)的連接引腳，降低系統設計的成本[14]。其中，采集單元與外部的連接采用RJ45模塊。

本系統移植LwIP輕協議棧，通過STM32F407ZG的DMA方式進行資源訪問，節省了單片機的資源，降低了通信延遲，提高了數據處理與發送效率，保證了通信穩定可靠。JTAG接口不僅僅實現了程序的下載還可實現程序的在線調試。全波數據采集單元可以根據嵌入式主機發出的指令選擇數據的儲存方式。具體的儲存方式有SD卡儲存和FRAM儲存。其中FRAM應用于實時的數據傳輸[15-16]。SD卡的儲存空間大，應用于長時間的數據采集與監測中。

3.2 網絡通信模塊設計

本系統網絡通信模塊采用RMII接口和LAN870A構成，其與微處理器的連接如圖7所示。

圖7 網絡通信接口電路

其中，TXD[1:0]為數據的發送信號；TX_EN為發送的使能信號；RXD[1:0]為數據的接收信號；CRS_DV為載波和數據有效信號；MDC為時鐘線；MDIO為數據線；REF_CLK為連續時鐘信號，為數據傳輸和接收提供時鐘信號；LAN8720A內置為10 M/100 M以太網全雙工傳輸模塊，支持10 Mbit/s和100 Mbit/s。可以通過自主協商的方式實現與目的主機最佳連接方式。

站管理接口(SMI)有2根線，一根是數據線MDIO，另一根是時鐘線MDC，STM32F407通過站管理接口來訪問LAN8720A的內部寄存器，從而實現讀取內部寄存器和寫控制指令的功能，該接口支持訪問多達32個物理設備。

4 系統軟件設計

本系統軟件設計分成采集單元的采集控制軟件和主機的監控軟件2個部分。采集控制軟件包括采集參數設置、系統初始化、數據采集、數據傳輸設計以及移植LwIP協議棧等[17-18]。參數的設置包括采集時間間隔、采集點數、采集道數。

4.1 LwIP無操作系統的移植

LwIP無操作系統的移植過程如圖8所示，分為8步，其中最重要的是添加LAN8720的驅動文件。

圖8 LwIP無操作系統移植過程

整個移植過程遵循圖8所示，第一步和第二步主要是為驅動提供所需的運行環境；第三步添加網卡驅動模塊LAN8720.c和LAN8720.h；第四步，添加LwIP源文件，搭建網絡運行環境；第五步和第六步是修改LwIP的源代碼，使其能夠在系統上穩定運行；第七步和第八步為應用層提供所需的接口函數，應用層可以通過接口函數實現網絡傳輸。

4.2 創建UDP通信

由于系統使用的是自組的局域網，排除互聯網的干擾，網絡環境穩定性高、延遲低，因此，UDP協議用在地震波數據傳輸十分有優勢，除此之外，UDP協議相比于TCP協議省去多次握手過程，因此，UDP的傳輸速率遠遠高于TCP，十分適合運用在實時傳輸系統中。

進行UDP通信需要有客戶端和服務器，對本系統而言，數據采集單元設置客戶端，高性能嵌入式主機設置為服務器。其中數據采集單元的工作流程如圖9所示。

圖9 UDP客戶端工作流程

當采集單元的微處理器檢測到觸發信號后，開啟SPI，按照由UDP通信設置的參數對MEMS三分量檢波器的輸出信號進行數據采集，當數據接收完后，對數據進行打包和幀整合，最后進行數據儲存和UDP發送。

UDP服務器的工作流程如圖10所示。

圖10 UDP服務器工作流程

4.3 嵌入式主機程序設計

嵌入式主機程序采用C#編程，它負責對采集到的數據進行分析處理。先進行系統初始化和握手，當高性能嵌入式主機和全波數據采集單元握手成功后，根據設定參數發送和接收信號，并實時顯示接收的數據。當線路中斷和數據出現異常時，發出出錯和提示信息。當數據接收成功時，可實時展示礦井工作面全波圖形。除此之外，為了提高系統的通用性，系統提供了ref和segy兩種數據格式的保存以及轉換。

主機先通過網絡通信給數據采集單元發送采集參數，數據采集單元處于等待模式，當觸發采集信號(放炮或者震動)到達時，數據單元就會進行數據采集，此時的主機處于偵聽模式，當采集完成后，數據采集單元就會把采集到數據通過網絡傳輸給主機，主機可以進一步根據用戶的需求進行數據的保存或者繪制波形圖。

5 實驗驗證

為了驗證系統的可行性，對系統進行室內和室外的測試(圖11)。

圖11 MEMS三分量檢波器在標準振動臺上的測試

在標準信號下，對4個MEMS三分量檢波器進行測試，每個檢波器第一道為軸，接收縱波；第二道為軸，第三道為軸，分別接收來自2個方向的橫波。從測得的波形圖(圖12)來看，相同方向的傳感器振幅和相位具有一致性，多道波形之間無相位差。多次測試與分析進一步證明，在相同的采集條件下，采集的信號波形都具有重復性和一致性。

對系統進行單炮測試，抽取12個檢波器的分量進行波形圖的繪制，測試結果如圖13所示。從測得的地震記錄(圖13)來看，各道間振幅和相位具有較好的一致性，MEMS檢波器構成的新儀器系統對深部弱信號有較好的響應，且地震波頻率得到有效提高。

圖12 4個MEMS傳感器在標準信號下測試的波形圖

圖13 12個三分量檢波器接收抽取Z分量的單炮地震記錄

經測試，本系統網絡傳輸速率穩定在3 Mbit/s，遠超過傳統串行通訊端口的傳輸速率，能夠滿足多通道地震數據采集與傳輸的需求。

6 結論

a. 利用基于LwIP協議棧的以太網設計一種煤礦地震數據傳輸系統。此系統利用網絡傳輸替代了傳統的數據傳輸方式，使得采集單元與主機之間的通信更為便捷靈活。軟件層面實現了應用層雙向網絡傳輸的數據傳輸系統，大幅度提高了系統的數據采集性能，滿足了煤礦地震數據實時傳輸的需求。

b. 系統采用分布式控制，實現系統的靈活組合與拆分，提高了采集信號的質量，增強了在煤礦中的適用范圍。

c. 采用靈敏度高和響應頻帶寬的MEMS傳感器設計三分量檢波器，滿足系統在地震波數據采集中的多波、寬頻的需求，實現礦井中隱蔽致災因素的精準探測。

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Three-component seismic data acquisition system of coal mine based on MEMS and LwIP

WANG Huaixiu1, QIU Shuai2,3, ZHU Guowei2,3,CHEN Bo2,3

(1. School of Electrical and Information Engineering, Beijing University of Architecture, Beijing 102616, China; 2. College of Geosciencesand Surveying Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China; 3. State Key Laboratory of Coal Resources and Mining, Beijing 100083, China)

Aiming at the problems of poor real-time data transmission and limited data transmission in current coal mine seismic data acquisition and transmission system and the requirement of multi wave and broadband data acquisition, a three-component full wave seismic data acquisition system based on MEMS and LwIP is designed. The system consists of MEMS three-component detector, data acquisition unit, high-performance explosion-proof router, high-performance embedded host, acquisition control software and host monitoring software. The MEMS acceleration chip VS1002 is used as the core of the detector, which has the characteristics of high sensitivity and wide-band response. The host monitoring software completes the monitoring, management and simple data processing functions of the full wave acquisition unit. Full wave data acquisition unit realizes data acquisition, conversion, storage and data output of three component seismic signal. The system adapts the distributed control mode, improves the anti-interference ability of the whole system and the quality of the collected signal to realizes the flexible combination and split of the system, and then enhances the application scope in coal mines. The field contrast experiment is carried out in the open-pit coal mine. The experimental results show that compared with the conventional seismic acquisition system, the system has the characteristics of strong anti-interference and response frequency bandwidth, and is capable of capturing the seismic signal with wide frequency band in the harsh environment.

coal mine seismic exploration; seismic data; LwIP network; MEMS three-component geophone; distributed control

TP274+.2

A

1001-1986(2021)04-0008-07

2020-11-25；

2021-06-15

國家重點研發計劃項目(2018YFC0807800)

王懷秀，1966年生，女，安徽歙縣人，博士，副教授，研究方向為傳感與檢測技術. E-mail：wanghuaixiu@bucea.edu.cn

仇帥，1995年生，男，安徽合肥人，碩士，研究方向為地學儀器研發. E-mail：794610793@qq.com

王懷秀，仇帥，朱國維，等. 基于MEMS與LwIP的煤礦三分量地震數據采集系統[J]. 煤田地質與勘探，2021，49(4)：8–14. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.002

WANG Huaixiu，QIU Shuai，ZHU Guowei，et al. Three-component seismic data acquisition system of coal mine based on MEMS and LwIP[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：8–14. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021. 04.002

(責任編輯 聶愛蘭)