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摘 要：针对矿山钻孔深度的测量，提出了一种用测量钻杆长度间接测量钻孔深度硬件方案，在Android平台上设计了采集处理软件，重点讨论了前后时窗比法采集技术及钻杆反射波形信号的自动拾取等，软件具有信号采集、采集波形和测量结果的可视化显示及文件管理等功能；软件操作简单，测量结果可靠。
关键词：Android平台；钻杆；长度测量；软件设计
在矿山的开采中，对地质异常的探测最直接的方法就是对目标位置或层位进行钻孔，钻孔的深度是决定异常探测准确性的一个重要因素。在煤矿中钻孔质量是瓦斯抽放和疏放水的关键环节。为了达到预期设计要求，必须保证钻孔达到设计深度。目前，测量钻孔深度的主要方法数钻杆数量，但这一工作费时费力，且难以满足大量钻孔验收工作。因此，研究开发能高效测量钻杆长度的技术已成为矿山中亟待解决的问题。目前市场上测量钻孔深度的仪器较少，且测量误差较大，无法精确测量钻杆长度。本文基于Android平台开发设计一款钻杆长度测量软件，成功研制出一台钻杆长度测量仪。
1 硬件设计
钻杆长度测量仪采用基于ARM9嵌入式开发板，运行Android4.4操作系统，采集模块采用Cirrus Logic公司生产的震动专用测量系列芯片，该套芯片是一套高精度、低噪声、低功耗的单通道数据采集芯片，采集模块的主要性能指标如下：1）高达24位Δ-∑模数转换器；2）双通道同步采样，采样率1K-450K，可软件编程设置；3）SPI总线传输；4）IEPE驱动单元，24V驱动电压，4mA横流输出，10uF隔直电容，可直接连接IEPE压电式加速度传感器；5）量程：±10V/PGA；6）工作温度：0℃～70℃。
为满足数据处理要求，仪器采用基于ARM9平板平台，运行数据采集软件，软件通过专门为采集板开发的驱动程序来实现对数据采集模块的控制。如图1所示，ARM9通过SPI总线连接数据采集模块，当程序启动采集时，振动传感器的信号经放大滤波电路到数据采集模块输入端口，采集模块开始采集信号；外界产生有效锤击信号，采集软件判断是否为有效信号，一旦信号有效，信号被保存，停止单次采集工作。
2 软件设计
数据采集软件主要是对数据采集模块的控制，实现双通道的同步采集。在采集的过程中要对采集参数进行设置，如放大倍数、采样率等；数据采集结束，还需要显示采集的波形和结果；并对采集的数据进行保存。因此，本采集软件主要包括三大功能模块：参数设置模块、图形可视化模块和文件管理模块。
2.1 参数设置模块
参数设置模块主要包括硬件采集参数设置、波形显示设置、波形处理设置、钻杆长度计算设置等，结合实际情况，设置相应的参数，会获得更精确的结果。
2.2 图形可视化模块
图形可视化模块主要是对采集的波形数据的显示及交互操作，一方面可以检查采集数据的质量，另一方面，可以根据波形显示交互操作计算钻杆长度。
2.3 文件管理模块
文件管理模块主要包括文件保存及历史数据的回放。
3 主要技术
3.1 前后时窗比法触发采集技术
数据采集模块本身不支持硬件触发，所以只能采用软件触发方式。通过处理器将触发判决条件和触发信号相比较，如果为有效的触发信号，触发并存储数据[ 1 ]。高性能的处理器和大容量高速缓存是数据采集系统中不可缺少的部分。本系统运行在Android系统平台下，具有高性能的数据处理能力，满足软件触发条件。
由于采集的信号为振动信号，有效信号为振动波形，通过实验分析，触发判决条件为信号前后时窗能量比。假设仪器采集的信号为[xn]，对时间轴上的第i个采样点周围，以第i个样点为中心取一时窗，时窗内样点长度为2M。则后时窗和前时窗的能量比值可表示为[ 2 ]：
当仪器触发成功，采集到锤击信号，触发时刻信号采样点处后时窗和前时窗的能量比R达到最大值。
当前后时窗能量比满足给定的触发阈值，认为触发成功，仪器开始存储有效信号。前后时窗能量比法能够有效地判断有效信号，而不依赖于信号与噪音的能量，时间误差小。
4 结论
本文基于VC++编写的图形可视化界面应用程序实现了钻孔深度测量的双通道超声信号的数据采集功能；软件利用前后时窗比法触发采集技术、多线程技术、反射信号自动检测等关键技术， 构建了煤矿瓦斯抽放钻孔深度测量系统。经过井下、地面的试验测试，仪器性能稳定，结果计算可靠。借助于VC++开发平台，凭借其强大的图形处理功能，仪器软件开发周期短，升级维护方便，图形交互功能强大，交互性好，具有较强的可扩展性。
参考文献：
[1] 宋永霞，张瑶，刘跃峰.波形仪器的触发与采集系统设计[J].长春工业大学学报自然科学版，2010，31（3）：340-344.
[2] 张唤兰，朱光明，王云宏.基于时窗能量比和AIC的两步法微震初至自动拾取[J].2013，37（2）：269-273.
[3] 王正蕾.基于小波变换的微地震信号检测方法研究[J].勘探地球物理进展，2009，32（3）：182-185.
[4] 陈晓楠，索继东，空域相关滤波在突变检测中的应用[J]，大连海事大学学报，2007，3（S2）：139-141.
作者简介：张庆庆（1982-），男，山西霍州人，工程师，硕士研究生，研究方向：矿井地球物理勘探技术与装备。
关键词：Android平台；钻杆；长度测量；软件设计
在矿山的开采中，对地质异常的探测最直接的方法就是对目标位置或层位进行钻孔，钻孔的深度是决定异常探测准确性的一个重要因素。在煤矿中钻孔质量是瓦斯抽放和疏放水的关键环节。为了达到预期设计要求，必须保证钻孔达到设计深度。目前，测量钻孔深度的主要方法数钻杆数量，但这一工作费时费力，且难以满足大量钻孔验收工作。因此，研究开发能高效测量钻杆长度的技术已成为矿山中亟待解决的问题。目前市场上测量钻孔深度的仪器较少，且测量误差较大，无法精确测量钻杆长度。本文基于Android平台开发设计一款钻杆长度测量软件，成功研制出一台钻杆长度测量仪。
1 硬件设计
钻杆长度测量仪采用基于ARM9嵌入式开发板，运行Android4.4操作系统，采集模块采用Cirrus Logic公司生产的震动专用测量系列芯片，该套芯片是一套高精度、低噪声、低功耗的单通道数据采集芯片，采集模块的主要性能指标如下：1）高达24位Δ-∑模数转换器；2）双通道同步采样，采样率1K-450K，可软件编程设置；3）SPI总线传输；4）IEPE驱动单元，24V驱动电压，4mA横流输出，10uF隔直电容，可直接连接IEPE压电式加速度传感器；5）量程：±10V/PGA；6）工作温度：0℃～70℃。
为满足数据处理要求，仪器采用基于ARM9平板平台，运行数据采集软件，软件通过专门为采集板开发的驱动程序来实现对数据采集模块的控制。如图1所示，ARM9通过SPI总线连接数据采集模块，当程序启动采集时，振动传感器的信号经放大滤波电路到数据采集模块输入端口，采集模块开始采集信号；外界产生有效锤击信号，采集软件判断是否为有效信号，一旦信号有效，信号被保存，停止单次采集工作。
2 软件设计
数据采集软件主要是对数据采集模块的控制，实现双通道的同步采集。在采集的过程中要对采集参数进行设置，如放大倍数、采样率等；数据采集结束，还需要显示采集的波形和结果；并对采集的数据进行保存。因此，本采集软件主要包括三大功能模块：参数设置模块、图形可视化模块和文件管理模块。
2.1 参数设置模块
参数设置模块主要包括硬件采集参数设置、波形显示设置、波形处理设置、钻杆长度计算设置等，结合实际情况，设置相应的参数，会获得更精确的结果。
2.2 图形可视化模块
图形可视化模块主要是对采集的波形数据的显示及交互操作，一方面可以检查采集数据的质量，另一方面，可以根据波形显示交互操作计算钻杆长度。
2.3 文件管理模块
文件管理模块主要包括文件保存及历史数据的回放。
3 主要技术
3.1 前后时窗比法触发采集技术
数据采集模块本身不支持硬件触发，所以只能采用软件触发方式。通过处理器将触发判决条件和触发信号相比较，如果为有效的触发信号，触发并存储数据[ 1 ]。高性能的处理器和大容量高速缓存是数据采集系统中不可缺少的部分。本系统运行在Android系统平台下，具有高性能的数据处理能力，满足软件触发条件。
由于采集的信号为振动信号，有效信号为振动波形，通过实验分析，触发判决条件为信号前后时窗能量比。假设仪器采集的信号为[xn]，对时间轴上的第i个采样点周围，以第i个样点为中心取一时窗，时窗内样点长度为2M。则后时窗和前时窗的能量比值可表示为[ 2 ]：
当仪器触发成功，采集到锤击信号，触发时刻信号采样点处后时窗和前时窗的能量比R达到最大值。
当前后时窗能量比满足给定的触发阈值，认为触发成功，仪器开始存储有效信号。前后时窗能量比法能够有效地判断有效信号，而不依赖于信号与噪音的能量，时间误差小。
4 结论
本文基于VC++编写的图形可视化界面应用程序实现了钻孔深度测量的双通道超声信号的数据采集功能；软件利用前后时窗比法触发采集技术、多线程技术、反射信号自动检测等关键技术， 构建了煤矿瓦斯抽放钻孔深度测量系统。经过井下、地面的试验测试，仪器性能稳定，结果计算可靠。借助于VC++开发平台，凭借其强大的图形处理功能，仪器软件开发周期短，升级维护方便，图形交互功能强大，交互性好，具有较强的可扩展性。
参考文献：
[1] 宋永霞，张瑶，刘跃峰.波形仪器的触发与采集系统设计[J].长春工业大学学报自然科学版，2010，31（3）：340-344.
[2] 张唤兰，朱光明，王云宏.基于时窗能量比和AIC的两步法微震初至自动拾取[J].2013，37（2）：269-273.
[3] 王正蕾.基于小波变换的微地震信号检测方法研究[J].勘探地球物理进展，2009，32（3）：182-185.
[4] 陈晓楠，索继东，空域相关滤波在突变检测中的应用[J]，大连海事大学学报，2007，3（S2）：139-141.
作者简介：张庆庆（1982-），男，山西霍州人，工程师，硕士研究生，研究方向：矿井地球物理勘探技术与装备。