基于嵌入式Linux的矿用节点式地震仪控制软件设计

吴 海

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安，710077)

0 引言

我国是世界上煤矿地质条件最为复杂的国家，断层、陷落柱等小构造易导致顶板塌落、透水等事故发生，造成巨大的经济损失和人员伤亡。由于煤矿安全高效开采对地质条件查明程度的要求愈来愈高，地面三维地震勘探的分辨率已经无法完全适应高效采煤的需要，而煤矿井下槽波地震勘探技术具有基础理论完备、距离探测目标较近、不受地形起伏影响、吸收衰减小、分辨率高等独特优势，是煤矿井下探测距离最远、精度最高的构造探测技术。针对原有槽波地震勘探设备笨重且被国外垄断、施工繁琐、采集道数少等问题，我们研制了一套轻便、施工简单、探测精度高的矿用节点式地震仪。开发了针对该仪器的基于嵌入式Linux的控制软件，实现了仪器的智能化采集和存储，取得了较好的效果。

1 硬件设计

矿用节点式地震仪采用32位ARM芯片、结合24位A/D、SD卡海量存储技术等构建嵌入式硬件平台，利用开源嵌入式Linux操作系统，完成系统功能配置、数据采集以及数据回收等功能。该仪器可实现单站三通道信号采集。

系统功能主要分为以下几个部分：

（1）电源模块：实现对系统中各个模块的供电管理，提供数字3.3v、5v，模拟2.5v，-2.5v的供电。该部分实现锂离子电池组到各部分电压输出的转换，并实现本安电源。

（2）ARM中央控制单元：本文采用三星S3c2440A核心控制板，该芯片是基于ARM920T核心，嵌入式技术的32位ARM处理器，其工作频率高达400MHz，处理速度更快，能耗更低。

（3）信号采集：采用高精度地震专用采集套片组成单通道采集，实现三通道同步采集，可实现三分量地震信号的采集。系统最高采样率可达4000SPS。

（4）数据存储：系统采用大容量工业SD卡实现对采集数据的实时存储。为了确保数据存储的可靠性，在数据存储过程中增加了CRC校验。

（5）时钟管理：采用实时时钟芯片，利用GPS授时器可实现对系统的准确对时。另外系统利用ARM中央控制单元实现对仪器的工作时间调度。

（6）网络通信：系统采用以太网实现仪器工作参数的配置以及数据的回传功能。

（7）按键管理：通过该模块可对系统的工作模式进行管理。按下不同的按键，系统分别进入对时、采集、配置等工作模式。

（8）指示灯管理：通过该模块可实现对系统工作状态的提示。不同的指示灯闪烁，提示系统分别进入对时、采集、待机或者出现系统故障。

2 软件设计

该软件在嵌入式Linux环境下开发，软件实现局域网内矿用节点式地震仪的参数配置、IP设置、采集信息设置、数据回收等功能。通过将编译好的软件下载到地震仪的ARM控制芯片中，矿用节点式地震仪通过按键选择进入Linux系统，实现web方式控制地震仪的数据管理和参数配置。

软件采用模块化设计的思想，通过web界面的功能选择，实现网络设置、时间设置、采样参数配置及数据下载等功能。软件流程图如图1所示。

图1 系统流程图

3 功能模块

根据矿用节点式地震仪的功能要求，将该软件划分为5个功能模块，分别为设备状态查询、记录状态查询 、记录设置、网络设置以及其他设置。

设备状态查询实现设备的基本信息的查询，记录状态查询实现设备的采样信息查询、记录设置实现设备的采样率、增益设置以及采样时间设置，网络设置实现设备的IP地址设置，其他设置实现设备的时间信息配置。

（1）设备状态

设备状态实现设备的信息查询，设备序号、设备名称、设备分组、电池电压、硬件版本、软件版本、当前时间、启用DHCP、IP地址、网络腌码、MAC地址。如图2所示。

图2 设备状态

（2）记录状态

实现设备各个通道的采样率、增益查询、各个时间段的采样信息显示。如图3所示。

图3 记录状态

（3）记录设置

设置设备通道X、通道Y、通道Z的增益，采样率设置，并按时间段设置设备的采样时刻及记录长度等信息，如图4所示。

图4 记录设置

（4）网络设置

网络设置实现设备IP地址配置以及子网掩码设置，并选择是否启动DHCP，如图5所示。

图5 网络设置

（5）其他设置

其他设置实现设备的设备名称、设备分组、时间信息设置，并实现该软件的登陆密码更改，如果6所示。

图6 其他设置

4 软件实现

采用嵌入式c语言和html脚本语言在Linux环境下进行软件开发。在矿用节点式地震仪硬件平台上移植嵌入式Linux系统，将编译好的可执行代码下载到ARM控制芯片中，实现软件的自动运行。为了实现仪器参数的智能化配置和管理，软件实现中使用了一些特殊的数据格式，采用结构体方式定义数据结构。

（1）数据结构设计

软件中使用的重要数据结构定义如下所示：

typedef struct

{ unsigned int dev_id;

char dev_name[256];

char dev_group[256];

char password[256];

char http_path[256];

char http_cgi_path[256];

int http_port;

bool lan_use_dhcp[1];

ipaddr lan_ip[1];

ipaddr lan_mask[1];

char mac_addr[6];

unsigned int serial_number; } CONFIGS;

（2）模块设计

软件中使用的一些重要功能模块定义如下所示：

void config_file_read(void);

void config_file_write(char *filename);

int recorder_init(void);

unsigned int recorder_get_max_record_cnt(void);

int recorder_get_record_data_start(void);

void recorder_get_record_data_end(int fd);

5 结语

矿用节点式地震仪为煤矿井下槽波探测提供了一套轻便、施工简单、道数可扩展的智能化采集装备，近年来在槽波技术推广中得到了很好的应用。为了实现仪器的智能化控制和管理，开发的基于嵌入式Linux的控制软件，实现了仪器采样率、增益、采样时间等参数的智能配置及采集数据的回收管理。采用该软件的矿用节点式地震仪已实现上百台多年的连续使用，从现场应用来看，该软件运行稳定、可靠，满足了我们的设计要求。