基于精密时钟同步技术的微震监测分站

安 赛

（1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院），北京100013）

微震监测技术通过识别矿山动力灾害活动规律实现危险性评价和预警，是防治煤矿冲击地压的重要方法，已经被《防治煤矿冲击地压细则》和GB T 25217.4—2019 冲击地压测定、监测与防治方法等规范收录与推荐[1-3]。

目前，国外进口的微震监测系统具有较高的市场占有率，如：波兰EMAG 的ARAMIS 微震监测系统、波兰矿山研究总院的SOS 微震监测仪、南非ISSI 公司的ISS 高精度微震采集系统、加拿大工程微震集团公司的ESG 微震监测系统等。这些微震监测系统优点是精度高，但缺点是价格昂贵，且为了实现高精度的时钟同步需单独铺设同步线，系统部署及后期维护成本高[4]。现阶段国内相关企业、高校和科研单位也在研究开发微震监测系统，如北京科技大学的BMS 微地震监测系统等[5]。相关学者也发表了相关的文献[6-9]。但是现有的微震系统采集站不能很好地满足于煤矿现场的要求，如分站采用工业采集卡，考虑到安全性能一般采用隔爆设计，设备笨重；采用NTP 授时或者本地时钟授时各分站同步精度低；分站采集底噪大，易造成事件异常多且波形无法拾取起跳点等问题。为此，设计了基于ARM 微控制器为核心、采用PTP（精密时钟协议）时钟同步技术的低噪声的矿井微震监测分站。根据设计方案井下布置多个微震采集分站，地面部署PTP 主时钟服务器，分站与地面数据采集服务器、PTP 授时服务器通过煤矿现有的环网进行通讯与授时。

1 分站整体方案

基于精密时钟同步技术的微震监测分站整体框架如图1。

图1 微震监测分站整体框架Fig.1 The overall framework of the microseismic monitoring substation

分站以STM32F4 为控制核心，由阻抗匹配电路、模拟低通滤波器电路、PGA204 放大电路、ADS1278 同步采样电路、DP83848 网络传输电路等组成。其中同步采集电路可同时采集8 路拾震传感器的震动信号。拾震传感器型号为GPD-5 动圈式传感器，灵敏度为100 V/m/s，频率响应为0.5～200 Hz。采集到的信号通常比较微弱，需要进行滤波、放大、A/D 转换后传输至STM32F4 主控芯片缓存中，地面PTP 授时服务器通过环网实时同步各分站时钟。主控芯片将缓存的数据加上64 位同步时间戳后通过环网发送至地面数据服务器。

2 分站硬件

2.1 前级预处理电路

拾震传感器电路类似有较高内阻的电压源电路，为了准确采集并保护后续电路，需要对拾震传感器的输出信号进行预处理，主要包括阻抗匹配电路，模拟低通滤波电路、PGA204 放大电路。为了适应现场监测环境的多样性及获得最大的动态范围，在数据采集任务前调整放大电路的放大倍数。PGA204是一款性能出色的可编程仪表放大器，根据控制引脚可实现×1，×10，×100，×1 000 V/V 4 种放大倍数，等效噪声低，总谐波失真小，适用于微弱信号监测。前级预处理电路如图2。

图2 前级预处理电路Fig.2 Pre-processing circuit

接口处设计TVS 电路及限压电路，抑制通过传输线耦合进来的浪涌，保护放大电路及后端的AD采集电路。E2和E3为线缆EMI 滤波器，抑制线路高频噪声。R3、R8、C8组成抗混叠低通滤波器。可编程增益由PGA1_A0、PGA1_A1 控制实现不同倍数放大。

2.2 AD 采集电路

拾震传感器输出信号经过前级预处理电路后，调制为可供AD 采集的高动态范围模拟信号。为了实现高精度、多通道测量，选用ADS1278 芯片。ADS1278具有高动态范围、低功耗等优点。可实现最大8 路24 位同步采样。在高精度模式下的信噪比为111 dB，总谐波失真为-108 dB。AD 转换电路如图3。

图3 AD 转换电路Fig.3 AD conversion circuit

由图3 可知，AD 运行在高精度模式下。采用SPI 总线与主控芯片进行数据传输。芯片的总时钟为18 MHz，由主控芯片的TIM1 提供。

3 分站软件

3.1 PTP 协议及实现

PTP（Precision Time Protocol）即IEEE1588 标准是一种高精度时间同步协议。其主要原理是通过1个同步信号周期性地对网络中所有节点的时钟进行校正同步，最终使基于以太网的分布式系统各时钟达到严格同步。分站（从时钟）使用端对端的两步模式下的PTP 同步协议原理如图4[10-11]。

1）根据定义的时钟间隔（默认为2 s），PTP 服务器（主时钟节点）会周期性地给分站（从时钟）发送同步报文，并且记录同步报文的发送时刻为t1，随后将时间戳t1与跟随报文打包发送给分站。分站收到PTP 服务器发送的同步报文后，记录下收到报文的时刻为t2。

图4 PTP 时钟同步协议原理Fig.4 Principle of PTP clock synchronization protocol

2）分站收到跟随报文后，解析并记录报文中所携带的t1时间戳，随后向PTP 服务器发送延时请求报文，并记录报文的发出时刻为t3，PTP 服务器收到延时请求报文并记录收到时刻为t4，然后将t4打包通过延时请求应答报文发送给分站。

3）到此分站已经获取了硬件时间戳t1、t2、t3、t4。

4）记时间偏差为Toffset，传输延迟为Tdelay。

则有Tdelay＝t2-t1-Toffset＝t4-t3+Toffset

进一步计算得：Tdelay=（t2-t1+t4-t3）/2；Toffset=（t2-t1+t3-t4）/2。

3.2 分站嵌入式软件

基于精密时钟同步技术的微震监测分站软件架构如图5。

图5 微震监测分站软件架构Fig.5 Software architecture of the microseismic monitoring substation

硬件层（HW）使用STM32F4 控制器为软件层提供硬件服务，操作系统层（RTOS）使用RTX-V4.73实现实时多任务的调度处理，网络协议栈使用LWIP-1.4.1 提供网络协议处理，精密时钟同步协议使用ptpd-2.0.0 实现分站与PTP 服务器之间的精密时钟同步协议。其中STM32F4 硬件支持符合IEEE 1588-2002 定义的以太网时间戳，在运行PTP 协议后，算法即可根据Tdelay与Toffset自动调整其64 位时钟寄存器。由于有多个分站在系统内运行，需要调整ptpd.c 文件下PTP 版本、同步间隔、通告间隔、延时机制等参数严格相等。

4 分站性能测试

1）等效噪声测试。等效输入噪声是指微震分站的输入端连接到标准电阻时的输出。在测试中，使用1 kΩ 的0.1%精密电阻接入信号输入端。设置ADS1278 的采样率为1 024 SPS（每秒采样数），并且分别收集对应于前置放大器PGA204 增益×1、增益×10、增益×100、增益×1 000 的数据。收集8 192 个采样点并对数据进行处理和分析。分站等效输入噪声测试见表1。

表1 分站等效输入噪声测试Table 1 Equivalent input noise test of substation

2）同步性测试。为了测试各分站间的同步性能，需要开启STM32F4 单片机PB5 引脚的秒脉冲模式。分别使用IP 为192.168.0.10 与20 的2 台分站作为从时钟节点，通过交换机接入PTP 时钟服务器，2 台分站的PB5（#1-PPS、#2-PPS）和授时服务器（PTPPPS）分别接入示波器，示波器的时基设置为1 μs。示波器通道A 为PTP-PPS（授时服务器）秒脉冲波形，示波器通道B 为#2-PPS（分站2）秒脉冲波形，示波器通道C 为#1-PPS（分站1）秒脉冲波形，从示波器观察可知分站2-PPS 信号与PTP-PPS 相差320 ns；#2-PPS 与#1-PPS 相差120 ns。验证了微震分站间的精密时钟同步。

3）定位精度测试。为了测试分站的性能及定位精度，以该分站为核心的KJ768 微震监测系统取得安标证书后，分别在晋煤集团寺河煤矿、神东公司石圪台煤矿开展井下定点爆破测试。从测试可知，基于该分站的KJ76 微震监测监测系统在x 方向平均误差为3.55 m；y 方向定位误差平均值为7.625 m；z方向定位误差平均值为2.855 m。3 个方向定位误差均小于10 m。

5 结 语

介绍了基于精密时钟同步技术的微震监测分站，微震监测分站以STM32F4 为控制核心，由阻抗匹配电路、模拟低通滤波器电路、PGA204 放大电路、ADS1278 同步采样电路、DP83848 网络传输电路等组成，研发成本低、采集精度高、设备便携；同时使用PTP 技术实现了各分站时间的精密同步。分站测试结果表明数据采集准确、噪声小、系统同步误差低，基于该分站的KJ768 微震监测系统井下定点爆破试验定位误差小于10 m，定位精度满足对冲击地压矿井监测的需要。