Direnç yöntemine dayalı sinyal edinimi ve ağ iletimi üzerine araştırma
Li Ruijin, Guo Laigong
(Elektrik ve Bilgi Mühendisliği Okulu, Anhui Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, Huainan, Anhui 232001)
Direnç yöntemi, kömür madeninin farklı alanlarındaki kömür damarlarının özdirencindeki değişiklikleri dinamik olarak elde etmek için kullanılabilir.Kömür damarlarının özdirencindeki değişikliklerin özelliklerine göre STM32, her noktanın potansiyelindeki değişiklikleri gerçek zamanlı olarak izleyebilen kontrol çekirdek elektrot toplama devresidir. Ölçüm yapısının sinyal işleme devresi, anti-parazit yeteneğini geliştiren AD modülüne gönderilir. Makale, 32 noktalı kömür damarının potansiyel ve sıcaklık değişikliklerini gerçek zamanlı olarak izlemek, emisyon akım alanındaki değişiklikleri gerçek zamanlı olarak tespit etmek ve toplanan verileri UDP ağı üzerinden iletmek için 32 kanallı potansiyel edinimi, 32 kanallı sıcaklık edinimi ve STM32'ye dayalı 1 akım algılama devresi tasarlar. Protokol sunucuya yüklenir. Deneysel sonuçlar, edinim devresinin etkili bir veri işleme algoritması aracılığıyla her noktada potansiyel ve sıcaklıktaki değişiklikleri kararlı bir şekilde toplayabildiğini, çeşitli girişimlerden kaynaklanan anormal ölçüm değerlerini ortadan kaldırabildiğini ve kuyu içi oluşumlardaki değişiklikleri analiz etmek için güçlü veri desteği sağladığını göstermektedir.
Dirençlilik; STM32; diferansiyel ölçüm yapısı; UDP; ağ; veri işleme algoritması
Elektriksel algılamanın temel prensibi, bir DC elektrik alanı oluşturmak için belirli bir alanda bir uyarım kaynağı olarak bir DC gücünü yapay olarak uygulayarak ve elektrik alanın uzamsal dağılımını inceleyerek, yani aynı DC elektrik alanı altında ölçüm yaparak, jeolojik cismin kabuktaki elektriksel iletkenliğine dayanır. Nokta, emisyon elektrik alanının yüksek potansiyeli arasındaki gerilime bağlıdır ve değeri, dizi anahtarlama devresi aracılığıyla sinyal işleme devresine gönderilir.STM32, sinyal işleme devresi aracılığıyla ölçüm noktasının potansiyelini toplar ve tespit etmek için toplanan verileri analiz eder Belirli bir noktada jeolojik koşullarda bir değişiklik. Bu yöntemle yapılan edinim devresi, yer altı kömür madenciliğinde jeolojik koşullardaki değişikliklerin elde edilmesi, hidroloji ve çevre koruma gibi mühendislik uygulamalarında kullanılabilir.
1 Direnç yöntemi ve sıcaklık izleme edinim sistemi planı
Dirençlilik yöntemi, elektriksel sondaj ve elektriksel profil yöntemini entegre eden, çok cihazlı, çok kutuplu mesafeli bir kombine dizi keşif yöntemidir.A ve B elektrotları aracılığıyla toprağa akım sağlar ve ardından M ve N elektrotları arasındaki potansiyel farkı UMN'yi ölçer. , Kayıt noktasının özdirencini elde etmek için Ölçülen özdirenç profiline göre, oluşumdaki özdirenç dağılımını elde etmek için hesaplama, işleme ve analiz gerçekleştirin [1]. Ölçerken, yalnızca tüm elektrotları (onlarca ila yüzlerce) ölçüm noktasına yerleştirmeniz ve ardından hızlı veri toplama ve elektrot analog anahtarı aracılığıyla otomatik depolama gerçekleştirmek için kontrol çekirdeği olarak STM32 ile elektrot edinim devresini kullanmanız ve verileri Ethernet üzerinden toplamanız gerekir. Veriler bilgisayara yüklenir ve veriler işlenip analiz edilebilir.
Bu cihazın toplama devresi otomatik olarak döngüsel olarak her noktanın elektrot parametrelerini 1 saniye ila 5 saniye aralığında değiştirir ve toplar.Sıcaklık toplama sistemi, toplama noktasındaki çevresel değişiklikleri daha iyi anlamak ve toplama noktasındaki durum değişikliğinin analizine daha elverişlidir. . Gerçek uygulama gereksinimlerine göre, sistem 32 kanallı elektrot toplama ve 32 kanallı sıcaklık toplama kullanır Genel sistem şeması Şekil 1'de gösterilmektedir.
2 elektrotlu toplama devresi
32 yollu elektrot toplama esas olarak özdirenç yöntemi prensibine dayanır.A ve B elektrotları toprağa elektrik akımı sağlar ve ardından kayıt noktasının görünür özdirencini elde etmek için M ve N elektrotları arasındaki potansiyel farkı UMN ölçer. Bu toplama sistemi, A ve B tarafından sağlanan DC elektrik alanında 32 toplama noktası alır ve her bir toplama noktası, normal koşullar altında karşılık gelen normal parametrelere ve zemin kalitesi değiştiğinde her noktada elektrot parametrelerine sahiptir.
Değişiklikler olacaktır. 32 kanallı elektrot toplama aralığı 1 sn ~ 5 sn'dir Toplanan veriler, toplanan verilerin değişiklik aralığını aşıp aşmadığını analiz etmek için gerçek zamanlı olarak Ethernet üzerinden sunucuya yüklenecektir. 32 kanallı elektrot toplama sistemi iki kısma ayrılmıştır: elektrot edinim anahtarlama devresi ve sinyal işleme devresi.
2.1 Anahtarlama devresi tasarımı
32 kanallı elektrot edinimi, donanım devresinin her bir giriş kanalına iki 16 kanallı CMOS analog çoklayıcı aracılığıyla doğrudan bağlanır ve 4 bit adres seçim terminali ve bir etkinleştirme terminali, belirtilen adrese karşılık gelen giriş sinyalini seçmek için STM32 aracılığıyla kontrol edilir COM terminalinden, her kanalın anahtarlama süresi nanosaniyedir.
2.2 Sinyal işleme devresi
Toplanan elektrot analog sinyali, bir sinyal işleme devresi aracılığıyla AD edinim modülüne uygun bir giriş sinyaline dönüştürülür. Sinyal edinim devresi temel olarak bir diferansiyel ölçüm yapısı, bir sinyal zayıflatma devresi, bir voltaj karşılaştırma devresi, 8 kanallı bir COMS analog çoklayıcı ve bir operasyonel amplifikatörden oluşur.
Girişimin neden olduğu ölçüm hatasını etkin bir şekilde gidermek için, giriş sinyali, yüksek hassasiyetli ve seçici ölçüm gerçekleştirebilen ve girişimi ortadan kaldırmada, doğrusallığı iyileştirmede ve duyarlılığı artırmada belirgin etkileri olan diferansiyel giriş modunu kullanır. Diferansiyel ölçüm yapısı Şekil 2'de gösterilmektedir ve çıktı:
Sinyal zayıflatma devresi esas olarak toplanan voltaj sinyalini zayıflatır. Voltaj karşılaştırma devresi, toplanan voltaj sinyalini üç referans voltajı ile karşılaştırır, STM32 aracılığıyla üç yollu voltaj karşılaştırmasının sonucunu değerlendirir ve amplifikasyon sonrası devrenin büyütmesini seçer. Amplifikasyon sonrası devrenin büyütmesinin seçimi, DG408 analog çoklayıcı tarafından kontrol edilir. Sinyal zayıflatma devresinin işlevi, toplanan sinyali daha büyük bir voltajla zayıflatmak ve aynı zamanda seçici amplifikasyon için sonraki aşama ile daha iyi işbirliği yapmak, voltajı uygun bir değere ayarlamak ve AD koleksiyonuna göndermektir.
STM32, gerekli voltaj sinyalini elde etmek için voltaj seviyesini toplar ve DG408 aracılığıyla sinyali seçici olarak yükseltir. Sinyal amplifikatör devresi, aynı fazın bir işlemsel amplifikatör devresidir R1 terminali sabit bir 5.1 k value değeridir ve geri besleme direnci Rf, açılacak DG408 tarafından seçilen dirençtir Bu büyütmenin büyütülmesi sinyal amplifikasyonudur. 32 yollu elektrot tarafından toplanan voltaj sinyali, önceki aşamadaki 1/3 sinyal zayıflatma devresinden ve ardından ikinci aşamadaki AU2 amplifikasyon biriminden geçer.Son olarak, sinyal işleme devresi tarafından işlenen voltaj sinyali, AD örnekleme giriş voltajının gereklerini karşılamakla kalmaz, aynı zamanda toplanan sinyali de karşılar. Gerilim sinyali aynı zamanda yukarıdaki ilişkinin büyüklüğüne göre orijinal olarak toplanan gerilime geri yüklenebilir.
3 sıcaklık toplama devresi
Sıcaklık edinim devresi, PT100 termistörünün değişimini bir sıcaklık vericisi aracılığıyla 4 mA ila 20 mA standart akıma dönüştürür ve ardından düşük geçişli filtre devresi ve örnekleme direnci üzerinden voltaj sinyalini toplar ve akım değeri hesaplama yoluyla elde edilebilir, = 2.375 mA + 90.5 direnç ile PT100 direnç değeri arasındaki değişimi alabilir ve sıcaklık değeri PT100 termal direnç indeksleme tablosu ile elde edilebilir.Sıcaklık edinim devresi Şekil 3'te gösterilmiştir.
Sıcaklık edinim devresi, her bir elektrot edinim devresine karşılık gelir ve sıcaklık edinimi ayrıca, her sıcaklığı değiştirmek ve elde etmek için iki 16 kanallı CMOS analog çoklayıcı DG406 kullanır.
4 Emisyon akımının toplanması
Direnç yöntemi prensibine göre A ve B elektrotları vasıtasıyla toprağa doğru akım sağlanır ve doğru akıma emisyon akımı denir. Bu toplama devresi, bu yolun akım sinyalini gerçek zamanlı olarak toplar, toplanan akım değerini standart ayar değeri ile karşılaştırır ve kısa devre meydana gelirse A ve B elektrotlarının toprağa yerleştirilip yerleştirilmediğine karar verir. Emisyon akımının toplanması, toplanan akım sinyalini bir voltaj sinyaline dönüştürmek için bir Hall akım sensörü kullanır Toplanan voltaj sinyalini AD toplama için uygun bir voltaja dönüştürmek için, son olarak voltaj bölme işleminden sonra AD'ye iletilir.
5 Ölçüm verilerinin işleme algoritması
Eşit hassasiyette tekrarlanan ölçümler sürecinde, Şekil 3'teki dört yönlü sıcaklık edinim devresinin aritmetik ortalama değerinden sapan bir veya iki değerin büyük olduğu görülmüştür.Bu tür şüpheli ölçüm değerleri için, rastgele faktörlerin oluşturduğu dağınık ölçüm değerlerinden mi kaynaklanıyor? Evet veya normal ölçüm koşulları altında görünen anormal değerden sapma, bu doğru karar ve seçim gerektirir.
Yazılım programlama, toplanan verilerin işlenmesinde t-test kuralı yöntemini kullanır. 10 set veri elde etmek için toplanan potansiyel ve sıcaklık değerlerinin ölçümünü 10 kez tekrarlayın Her veri setinde, aynı seri numarası, bir veri seti olarak kullanılabilecek 10 ölçümün aynı miktarıdır. Ölçülen değerleri X1, X2, X3, ..., X10 olarak kaydedin ve bu 10 sayıyı aykırı değerlerin şüpheli nesneleri olarak kullanın. Eğer X1 aykırı değer olarak kullanılıyorsa, önce aritmetik ortalama değeri X1, = 1n-1 olmadan hesaplayın 10i = 2i 1xi ve sonra X1 olmadan deneysel standart sapmayı bulun:
Daha sonra gerekli anlamlılık düzeyi ve ölçüm sayısı n'ye göre tabloya bakın ve t-testi katsayısı K (n, ) [2] değerini alın. Eğer | x1 x | > s (xi) · K (n, ), X1, brüt hatanın anormal değeri olarak kabul edilir ve bu şekilde, 10 ölçüm bir kez değerlendirilir ve brüt hatanın değeri silinir.
6 Ethernet aktarım kontrolü
6.1 Devrenin bileşimi
Ethernet kontrol devresinin ana işlevi, STM32F107 tarafından toplanan 32 kanallı elektrot değerlerini ve 32 kanallı sıcaklık değerlerini sunucuya göndermektir. Ethernet kontrol devresi esas olarak gömülü çip + Ethernet ağ kartı çipi kullanır ve Ethernet ağ kartı çipi DP83848C çipi kullanır.Bu çip, 10/100 M ağı destekleyen 10/100 Mbit / s tek fiziksel katman Ethernet alıcı-vericidir. İletişim ve MII ve RMII arayüz modları. Ana bileşenler şunlardır: MII / RMII arayüzü, 10 M / 100 M gönderme modülü, 10 M / 100 M alıcı modülü, saat frekansı üreteci, DAC / ADC / LED durum görüntüleme modülü ve ilgili kontrol kayıtları. Donanım devresinin bağlantısı Şekil 4'teki gibi gösterilmektedir.
Devrenin bileşiminde, PHY katman çipi DP83848C fiziksel katmana eşdeğerdir, STM32F107 ile birlikte gelen MAC katmanı, veri bağlantı katmanına eşdeğerdir ve LWIP, ağ katmanının ve taşıma katmanının işlevlerini sağlar ve uygulama katmanı, kullanıcıların istediklerine göre gerektirir. [3] 'e ulaşmak için işlev.
Bunların arasında, LWIP, TCP / IP'nin bir uygulaması olan küçük bir açık kaynaklı TCP / IP protokol yığınıdır. LWIP hafif bir IP protokolüdür, işletim sistemi desteği ile veya olmadan çalışabilir. LWIP uygulamasının odak noktası, TCP protokolünün ana işlevlerini korurken RAM kullanımını azaltmaktır.Sadece on KB'den fazla RAM ve yaklaşık 40 KB gerektirir. ROM çalışabilir.
LWIP, RAW, NETCONN ve SOCKET olmak üzere 3 çeşit programlama arayüzüne sahiptir. RAW programlama arayüzü, işletim sisteminin desteğini gerektirmez ve LWIP doğrudan çıplak metal üzerinde kullanılabilir, ancak RAW programlama arayüzü daha karmaşıktır. RAW, bir geri arama mekanizması kullanır ve bir geri arama işlevi yazması gerekir. Hem NETCONN hem de SOCKET programlama arayüzlerinin işletim sistemi tarafından desteklenmesi gerekir, aksi takdirde kullanılamazlar, ancak bu iki arayüzün kullanımı nispeten basittir.
UDP protokolü, datagram protokolüdür. OSI referans modelindeki taşıma katmanı protokolüdür, bağlantısız (TCP bağlantı yönelimli) ve güvenilmez bir taşıma protokolüdür. UDP protokolü yalnızca uygulama katmanı verilerini mümkün olduğu kadar gönderir ve herhangi bir sayfa görüntüleme kontrolü, mesaj onayı vb. Sağlamaz, yani mesaj gönderildikten sonra, mesajın hedef ana bilgisayara güvenli ve tam olarak ulaşıp ulaşmadığını bilmek imkansızdır.
UDP protokolünün avantajları: Mevcut ağ ortamının yüksek güvenilirliği ve düşük gecikmesi nedeniyle, UDP protokolü o kadar savunmasız değildir.Aksine, UDP protokolü bağlantı kurma, veri onayı ve akış kontrolü gibi bir dizi işlemi ortadan kaldırır. Bu nedenle, UDP protokolü az miktarda protokol koduna, basit bir işleme sürecine ve iyi bir gerçek zamanlı performansa sahiptir.
Veri iletmek için UDP veya TCP kullanıldığında, veriler belirli bir ana bilgisayara aktarılır, ancak gerçek kullanımda ağı aynı anda kullanmak için birden fazla yazılım olabilir, bu nedenle bağlantı noktası numarasının farklı uygulamaları ayırt etmek için kullanılması gerekir. Bu şekilde, hedef ana bilgisayarı belirlemek için IP adresini kullanabilir ve ardından hedef ana bilgisayardaki uygulamayı belirlemek için bağlantı noktası numarasını kullanabilirsiniz.
UDP organizasyon formu: LWIP, UDP'yi tanımlamak için UDP kontrol bloğunu kullanır, UDP kontrol bloğu UDP protokolünün temel parçasıdır, UDP kontrol bloğu bir yapıdır, bu yapı udp.h [4] 'te tanımlanmıştır.
7 sinyal edinim programı
STM32 edinim devresi çevrimiçi simülasyon edinme deneyine dayanarak, esas olarak üç analog büyüklükte potansiyel, sıcaklık ve akım sensörlerini toplar.Potansiyel edinme DG406 tarafından toplanır ve p_ch1 dizisinde saklanır ve ardından edinim 1 için DG406-2'ye geçer ~ 16 analog büyüklük p_ch2 dizisinde saklanır ve karşılık gelen dijital nicelikler ADC_GIT1 ve ADC_GIT2 dizilerinde [5] depolanır.
Sinyal edinme alt yordamı:
void ADC_CJ_V (void) {
işaretsiz int i;
DG406_1EN_ON;
DG406_2EN_OFF;
DG408_EN;
GPIOB- > ODR = 0xFFFFFF1F;
GPIOB- > ODR | = 0x00000060; // Kontrol edilebilir yakınlaştırmayı 4. yolu seçin
için (i = 0; i < 16; i ++)
{
CJFlag = 1;
GPIOE- > ODR = 0xFFFFF807; // Önce gerekli biti temizleyin
GPIOE- > ODR | = (i < < 3);
Delay_ms (30); // Analog anahtar dönüştürme gecikmesi
p_ch0 10 = (ADC_RCVTab 10) * 3.3 / 4096.0;
p_ch1 i = p_ch0 10; // analog miktarı sakla
DG408_Control (i);
Delay_ms (30); // DG408 analog anahtar dönüştürme gecikmesi
p_ch1 i = p_ch0 10; // analog miktarı sakla
ADC_GIT1 i = ADC_RCVTab 10; // dijital miktarı sakla
}
}
8 sonuç
Yeraltı kömür madeninde STM32'ye dayalı 32 kanallı potansiyel toplama ve sıcaklık toplama sisteminin uygulanması, jeolojik koşulların belirli bir noktada değişimini etkin bir şekilde izleyebilir ve toplanan verileri gerçek zamanlı analiz için Ethernet ağı üzerinden sunucuya iletebilir, bu da etkin ve hızlı bir şekilde belirli bir noktayı belirleyebilir. Bir noktanın veya belirli bir bölgenin jeolojik felaketleri etkin bir şekilde izlenebilir ve önlenebilir. Makul veri işleme algoritmalarından sonra, edinim devresi, tekrarlanan deneylerden sonra nispeten ideal bir ölçüm sonucunu elde eder.UDP ağ iletim protokolü aracılığıyla üst bilgisayar yazılımına iletilir Deney, UDP iletim katmanı protokolünün verileri kararlı ve güvenilir bir şekilde iletebildiğini doğrular.
Referanslar
1 Zhang Pingsong, Hu Xiongwu, Wu Rongxin Kaya deformasyonu ve kırılması için elektrik test sistemi araştırması J. Kaya ve Zemin Mekaniği, 2012, 33 (3): 952956.
[2] Wang Junjie, Cao Li ve diğerleri. Sensörler ve Algılama Teknolojisi M Pekin: Tsinghua University Press: 2011.
[3] STMicroelectronics STM32F10xxx Referans Kılavuzu [S]. 2010.
[4] Lin Chengyu TCP / IP protokolü ve uygulaması M Pekin: Halk Mesajları ve Telekomünikasyon Basını, 2013.
[5] ST. STM32F10xxx Cortex-M3 programlama kılavuzu [S]. 2009.
AET üyeleri için yıl sonu avantajları!
