专利名称：基于PSoC3的煤岩声发射监测系统模拟信号源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于PSoC3的煤岩声发射监测系统模拟信号源，具体地说是涉及一种利用基于PSoC3的虚拟信号发生器和基于LabVIEW的PC软件，模拟了经空间传播后到达4个不同方位声音传感器的4路煤岩破裂声信号，能够满足不同声源位置、不同阵列形式、不同传播介质的煤岩声发射监测系统要求的装置，属于虚拟仪器领域。
背景技术：
频繁的煤矿事故致使煤矿安全开采成为现在煤炭行业研究的重大课题。声发射技术是研究煤岩破裂微观机理的重要手段，对煤岩失稳的监测和煤矿灾难的预报具有重要现实意义。在煤岩声发射监测系统研究和验证阶段，通常需要对煤岩破裂时发出的声音和声音传播空间进行模拟。而传统的模拟手段通常是在实际物理空间中利用其他物体爆炸来实现的，如在模拟矿井实验室燃放雷管。这种手段需要特殊的实验场所、大量的财力物力和较多的实验时间，不能满足煤岩声发射监测系统研制初期进行大量试验的需求，同时也无法验证煤岩声发射监测系统在不同矿井环境下的通用性。传统信号发生器通常为函数信号发生器，只能输出一路(正弦、三角或矩形)波形信号，通道数较少，所产生的信号也不符合煤岩破裂声的复杂特性。近几年也出现了许多能够产生任意波形的虚拟信号发生器，但在声发射监测系统中往往还要求产生的多路模拟信号，能够替代多个不同位置的声音传感器采集同一声源得到的多路信号，而且这些信号之间具有一定相关性。但常见虚拟信号发生器并非针对声发射系统进行设计，各输出信号无任何关联，不能满足煤岩声发射监测系统对信号源的特殊性需求。

发明内容
本发明的目的为了降低传统模拟煤岩破裂声源手段的复杂度，以及克服当前信号发生器在声发射监测系统应用上的不足，本发明提供了一种基于PSoC3的煤岩声发射监测系统模拟信号源，该信号源能够产生4路模拟煤岩破裂的声信号，即煤岩破裂声音经空间传播后，到达4个不同方位声音传感器的信号。本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下—种基于PSoC3的煤岩声发射监测系统模拟信号源，由虚拟仪器卡和配套PC软件两部分组成，两者采用USB2. O接口进行通信。虚拟仪器卡以CYPRESS公司PSoC3可编程混合信号微控制器CY8C3866AXI-040ES3 为核心，由微控制器、DAC、USB控制器、模拟信号输出通道和电源模块组成；所述的微控制器由PSoC3片内集成的I个主频高达67MHz增强型8051内核来实现，王要用于流程控制、DAC启停控制、USB传输控制、DMA启停控制、状态指不；所述的DAC由PSoC3片内集成的4个分辨率为8_bit、采样率为IMsps的DAC来实现，主要用于把4路数字信号转化为4路模拟信号；所述的USB控制器由PSoC3片内集成的USB 2. O全速控制器来实现，负责所述的虚拟仪器卡与PC软件之间的通信；所述的模拟信号输出通道由一个缓冲电路，一个平滑滤波器和一个极性变换电路组成；所述的缓冲电路选取双运算放大器LF353D其中一个运放构成，其目的是为了降低输出通道阻抗；所述的平滑滤波器为2个高速运算放大器0P37G构建的四阶巴特沃斯平滑滤波器，其信号增益放大倍数为5倍，截止频率为200kHz，主要用于消除输出通道的高频噪声干扰，其5倍增益放大是为将信号输出幅值范围由OV IV放大到OV 5V，以满足本发明输出幅值范围的需要；所述的极性变换电路与所述的缓冲电路共用同一个双运算放大器LF353D，它利用 LF353D上的另一个运放构建，其基本结构为一个减法器电路，经过滤波器后的输出信号与 +2. 5V基准电压相减，将PSoC3芯片I/O输出的单极性信号(0V 5V)转换为双极性信号 (-2. 5V +2. 5V)所述的+2. 5V基准电压选取超精度低噪声电压基准芯片ADR421来提供；所述的电源模块中+5V供电来自USB总线或外接+5V电源输入端口，两种供电方式可通过仪器面板上的电源开关进行切换；所述的外接+5V电源输入端口主要是在USB供电功率不足等情况下使用；所述的电源模块中-5V供电采用输出电流高达200mA的电荷泵反转器芯片 MAX889TESA 提供。配套PC软件采用图形化的开发环境LabVIEW设计，由声源位置设定、传感器阵列设定、声音信号衰减系数设置、声源波形生成、声源波形回放、声源与传感器阵列空间位置显示、波形显示和USB设备管理模块组成；所述的声源位置设定模块采用手动自由设定的方法，在配套PC软件界面的声源位置设定群组框内输入空间直角坐标系视图O-XYZ上的一个点的坐标，此点即为所假定的声源的空间位置，坐标单位为米；所述的传感器阵列设定模块采用手动自由设定的方法，在配套PC软件界面的传感器阵列设定群组框内按顺序依次输入空间直角坐标系视图O-XYZ上的四个点的坐标，这四个点即为所假定的第1、2、3、4个声音传感器的空间位置，坐标单位为米；所述的声音信号衰减参数设置模块采用手动设定的方法，在配套PC软件界面的声音信号衰减系数设置群组框内分别输入4路通道的衰减系数，即为模拟声源信号在经过四条所假定的不同传播途径后声音信号幅度衰减情况；所述的声源波形生成模块特征在于，可产生不同类型、不同频率、不同幅值的声音信号来模拟不同情况下煤岩破裂声音；所述的声源波形回放模块特征在于，可对预先录制的煤岩破裂声音进行回放，从而达到再现原始声源的目的；所述的声源与传感器阵列空间位置显示特征在于，采用三维空间图显示各空间位置并标识出声音传播路径；所述的波形显示模块特征在于，可分别显示模拟声源信号波形和4路输出声信号波形；
所述的USB设备管理模块特征在于，若计算机上连接虚拟仪器卡时，在配套PC软件界面的USB设备管理群组框内，用户可查看已连接的虚拟仪器卡的详细信息。本发明的有益效果是I、本发明可以替代煤岩声发射监测系统实验过程中所需要的声源和各种声音传感器阵列形式，大大降低了搭建实验平台所需要的空间和时间花费；2、本发明可以模拟多种煤岩声发射监测系统实验环境，能够有效验证煤岩声发射监测系统在不同矿井环境下的通用性；3、本发明充分发挥了 PSoC3集微控制器、数字电路、模拟电路、数模混合电路为一体的高集成度优势，具有轻巧便携的优点，可随时改变煤岩声发射监测系统实验平台的布局;4、本发明配套PC软件界面直观，操作流畅，可广泛应用于其它声发射监测系统的测试和验证平台。


下面结合附图对本发明进一步说明。
图I是本发明的整体结构框图2是本发明虚拟仪器卡的纵剖面结构图3是本发明虚拟仪器卡中PSoC3系统电路原理图4是本发明虚拟仪器卡中一路输出通道电路原理图5是本发明虚拟仪器卡中USB接口电路原理图6是本发明虚拟仪器卡中电源电路原理图7是本发明虚拟仪器卡中PSoC3固件流程图8是本发明配套PC软件流程图9是本发明配套PC软件操作界面图。
图I中I.计算机，2. USB通信接口电缆，3.虚拟仪器卡，4.PSoC3芯片。
图2中l.PSoC3核心板，2.虚拟仪器卡基板，3.铝合金屏蔽外壳，4.模拟信号输出接口，5. USB 接口。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明进一步说明。—种基于PSoC3的煤岩声发射监测系统模拟信号源,整体结构如图I所不。本发明包括计算机I和在其上运行的操作系统软件(Windows 2000/XP/Vista/7)、配套PC软件、 USB接口设备驱动程序，连接计算机与虚拟仪器卡的USB通信接口电缆2，虚拟仪器卡3 ;虚拟仪器卡3由微控制器、DAC、USB控制器、模拟信号输出通道和电源模块组成，其中微控制器、DAC、USB控制器模块完全在一片PSoC3芯片4上实现；配套PC软件根据用户设定的声源位置、声音传感器阵列位置、声音信号衰减系数计算出经空间传播后到达4个不同方位声音传感器的4路煤岩破裂声信号波形数据，通过USB通信接口电缆2传输到虚拟仪器卡 3 ;虚拟仪器卡3中的微控制器模块将接收到的USB数据分别发送到4个DAC ;DAC利用这些数据产生4路模拟信号，之后4路模拟信号分别经过4路模拟信号输出通道电路后作为本发明的输出，其中模拟信号输出通道的作用主要是完成对输出波形的平滑滤波、增益放大、 极性变换(将PSoC3芯片I/O输出的单极性信号转换为双极性信号)和降低输出通道阻抗的功能。图2是本发明虚拟仪器卡的纵剖面结构图，主要由PSoC3核心板I、虚拟仪器卡基板2、铝合金屏蔽外壳3组成；PSoC3核心板I主要是是构成CY8C3866AXI-040ES3能够正常工作的最小系统；虚拟仪器卡基板2主要是搭载4路模拟信号输出接口 4、USB接口 5、模拟信号输出通道电路和电源电路JfPSoC3核心板I插到虚拟仪器卡基板2的对应插座上，然后再加装铝合金外壳3，即完成了本发明的成品组装；分离式设计思想为本发明开发过程中的调试工作和后续使用中的维护工作带来了极大的便利。参见图3，是本发明虚拟仪器卡中PSoC3系统电路原理图，PSoC3芯片Ul的管脚 10、12、13、14、40、41、57、58、59、60、61、62、64、66、87 接地；管脚 3 接电容 C16、电阻 R7 后分别接地；管脚35、36分别串联电阻R4、R6后接USB接口电路DP、DM端；管脚63、86分别串联电容C6、C5后接地；管脚39、86相连；管脚26、37、50、65、75、88、100接+5V电平，+5V电源串联O. IuF滤波电容后接地；管脚15、20、21、23、24分别与JTAG接口 J19的管脚10、2、4、
6、8相连；PSoC3芯片Ul的管脚55、56分别接32KHz晶体振荡器Yl两端，为芯片内部RTC 提供时钟基准，同时管脚55、56分别串联电容08、07后接+5V电平，+5V电源串联O. IuF滤波电容后接地JTAG接口 J19的管脚1、2、6分别串联上拉电阻R1、R2、R3后接+5V电平。参见图4，是本发明虚拟仪器卡中一路输出通道电路原理图，其他三路与之完全相同；PSoC3片内DAC产生的波形经过缓冲电路后，进入一个增益放大倍数为5倍、截止频率为200kHz的四阶巴特沃斯平滑滤波器，随后再经过极性变换电路后输出。所述的缓冲电路由双运算放大器芯片其中一个运放UlA构建，其管脚1、2相连，管脚3与PSoC3芯片的管脚45相连，管脚4、8分别接-5V、+5V电平，-5V和+5V电源分别串联滤波电容Cl、C13接地，其中双运算放大器芯片选用LF353D。所述的平滑滤波器由两个高速运算放大器U9、UlO构建，运算放大器U9的管脚3 串联电容C2接地，同时管脚3相继串联电阻R2、Rl后与运算放大器UlA的管脚I相连；电容C3 —端与电阻R2、Rl相连，另一端与运算放大器U9的管脚6相连；运算放大器U9的管脚2串联电阻R3后接地，管脚4、7分别接-5V、+5V电平，-5V和+5V电源分别串联滤波电容C4、C18接地；电阻R4两端分别与运算放大器U9的管脚2、6相连；运算放大器UlO的管脚3串联电容C5接地，同时管脚3相继串联电阻R6、R5后与运算放大器U9的管脚6相连； 电容C6 —端与电阻R6、R5相连,另一端与运算放大器UlO的管脚6相连；运算放大器UlO 的管脚2串联电阻R31后接地，管脚4、7分别接-5V、+5V电平，-5V和+5V电源分别串联滤波电容C25、C26接地；电阻R7两端分别与运算放大器UlO的管脚2、6相连。平滑滤波器中 5倍增益放大是为将输出电压范围由0V-1V放大到0V-5V，以满足该仪器输出电压范围的需要。所述的极性变换电路与所述的缓冲电路使用同一个双运算放大器芯片，由该运算放大器芯片另外一个运放UlB构建，运算放大器UlB的管脚5串联电阻R8接地，同时管脚 5串联电阻R9后与运算放大器UlO的管脚6相连；运算放大器UlB的管脚6串联RlO接 +2. 5V基准电压，+2. 5V基准电压串联滤波电容C27接地；电阻Rll两端分别与运算放大器 UlB的管脚6、7相连；运算放大器UlB的管脚7与模拟输出通道接口端子Jl相连，作为虚拟仪器卡的模拟输出端。极性变换电路的功能是将PSoC3芯片I/O输出的单极性信号转换为双极性信号(与+2. 5V基准电压相减)。参见图5，是本发明虚拟仪器卡中USB接口电路原理图，USB接口 J3的管脚I为 VBUS电源线，是USB总线供电方式的电源来源；管脚5接地，管脚6、7、8、9接大地，地与大地之间利用电阻R24、电容C12隔开；通用串行总线端口瞬态抑制器U12选用单路通用串行总线端口瞬态抑制器SN65220，对通用串行总线USB全速接口提供暂态保护，其管脚1、6接 USB接口 J3的管脚2作为USB接口电路DM端，管脚3、4接USB接口 J3的管脚3作为USB 接口电路DP端，管脚2、5接地。参见图6，是本发明虚拟仪器卡中电源电路原理图，外接+5V电源输入端口 J7的管脚2、3接地，管脚I串联肖特基整流二极管Dl后接电源切换开关S9的管脚I ;电源切换开关S9的管脚I接滤波电容C38、C40，管脚3接USB端口的VBUS电源线，同时管脚3接滤波电容C36、瞬变电压抑制二极管TVSl，管脚2为+5V电源输出端；电源切换开关S9的作用是选择+5V供电来自USB总线或外接+5V电源输入端口 ；电荷泵反转器芯片U17选用输出电流高达200mA的MAX889TESA，为整个系统提供-5V电源，其管脚1、6接+5V电平，+5V电源串联滤波电容C41接地，管脚3、8接地，管脚5为-5V电源输出端并串联滤波电容C46接地，管脚7串联电阻R54接+5V电平、串联电阻R55接-5V电平，管脚2串联电容C42接管脚4 ；电压基准芯片U16选用超精度低噪声电压基准芯片ADR421，为模拟信号输出通道的极性变换电路提供+2. 5V基准电压，其管脚2接+5V电平，+5V电源接滤波电容C35、C37后接地，管脚4接地，管脚5串联滤波电容C39接地，管脚6为+2. 5V基准电压输出端并接滤波电容C43、C44后接地；电阻R52两端分别与管脚5和电位器R53的管脚2相连；电位器R53 的管脚1、3分别与电压基准芯片U16的管脚6和地相连。参见图7，是本发明虚拟仪器卡中PSoC3固件流程图，虚拟仪器卡接收到计算机发出的配置信息和生成命令后，对相应的DAC进行设置并启动；然后MCU通过USB接收配套PC 软件依据用户设定的声源位置、声音传感器阵列位置、声音信号衰减系数计算出4路输出声信号波形数据，并存入USB缓冲区；DMA将这些数据按字节依次送入DAC产生信号；随后判断缓冲区数据是否发送完毕，若无则继续发送，若完毕则判断计算机有无发出停止生成命令；若存在停止命令则虚拟仪器卡停止生成信号并重新等待计算机命令，若无则MCU继续接收波形数据，DMA随后将其送入DAC，如此循环。所述的PSoC3固件在CYPRESS公司的整合式开发环境PSoC Creator下设计。参见图8，是本发明配套PC软件流程图，配套PC软件启动后检测存在哪些USB设备，并提示用户选择设备，然后等待用户操作；用户可在空间直角坐标系视图O-XYZ上自由设定声源位置和声音传感器位置；随后用户选择是生成声源信号还是回放声源波形文件， 若回放则询问用户波形文件存放的位置，随后读取波形文件数据，如果用户请求信号生成， 则配套PC软件根据用户设定的声源波形类型、幅值、频率产生声源波形；再根据用户设定的声源位置、声音传感器阵列位置、声音信号衰减系数计算出4路输出声信号波形数据，并通过USB输出端点发送到虚拟仪器卡完成信号生成，随后判断波形数据是否发送完毕，若无则继续发送，若完毕则判断用户有无停止生成操作；若存在停止操作则PC软件停止发送并继续监视用户操作，若无则继续发送波形数据，如此循环。参见图9，是本发明配套PC软件操作界面图，由声源位置设定、传感器阵列设定、声音信号衰减系数设置、声源波形生成、声源波形回放、声源与传感器阵列空间位置显示、 波形显示和USB设备管理模块组成，在图形化开发环境LabVIEW中运用了多线程编程技术， 加快了软件执行效率设计；声源与传感器阵列空间位置显示基于ActiveX三维曲线图形控件开发，声源波形以及各输出通道波形基于波形图表控件开发，USB驱动程序利用NI公司提供的NI-VISA工具开发，避开了以往开发USB驱动程序的复杂性。本发明所涉及的基于PSoC3的煤岩声发射监测系统模拟信号源，充分发挥了 PSoC3集微控制器、数字电路、模拟电路、数模混合电路为一体的高集成度优势，具有功能强大、体积轻巧的显著优点，有助于推动虚拟仪器在煤岩声发射监测系统研究工作中的应用。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明表述的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于PSoC3的煤岩声发射监测系统模拟信号源，由虚拟仪器卡和配套PC软件两部分组成，其特征在于所述的虚拟仪器卡由微控制器、DAC、USB控制器、模拟信号输出通道和电源模块组成；所述的配套PC软件由声源位置设定、传感器阵列设定、声音信号衰减系数设置、声源波形生成、声源波形回放、声源与传感器阵列空间位置显示、波形显示和USB 设备管理模块组成；两者采用USB2. O接口进行通信。
2.根据权利要求I所述的一种基于PSoC3的煤岩声发射监测系统模拟信号源，其特征在于所述的虚拟仪器卡中的微控制器、DAC> USB控制器模块完全在一片PSoC3芯片上实现，PSoC3 芯片型号为 CY8C3866AXI-040ES3。
3.根据权利要求I所述的一种基于PSoC3的煤岩声发射监测系统模拟信号源，其特征在于所述的虚拟仪器卡中的模拟信号输出通道模块由一个缓冲电路，一个平滑滤波器和一个极性变换电路组成，其中缓冲电路与极性变换电路共用同一个双运算放大器构建，平滑滤波器为2个高速运算放大器构建、信号增益放大倍数为5倍、截止频率为200kHz四阶巴特沃斯平滑滤波器，双运算放大器型号为LF353D，高速运算放大器型号为0P37G。
4.根据权利要求I所述的一种基于PSoC3的煤岩声发射监测系统模拟信号源，其特征在于所述的虚拟仪器卡中电源模块的+5V供电来自USB总线或外接+5V电源输入端口，两种供电方式可通过仪器面板上的电源开关进行切换，-5V供电采用电荷泵反转器芯片提供， 用于输出通道极性变换的+2. 5V电压基准由2. 5V电压基准芯片提供，电荷泵反转器芯片型号为MAX889TESA，电压基准芯片型号为ADR421。
5.根据权利要求I所述的一种基于PSoC3的煤岩声发射监测系统模拟信号源，其特征在于所述的配套PC软件在图形化开发环境LabVIEW下利用NI公司提供的NI-VISA工具和多线程编程技术进行开发。
全文摘要
本发明公开了一种基于PSoC3的煤岩声发射监测系统模拟信号源，包括虚拟仪器卡和配套PC软件两部分组成，两者采用USB2.0接口通信。虚拟仪器卡主要完成信号产生任务，由微控制器、DAC、USB、模拟信号输出和电源模块组成，其中微控制器、DAC、USB核心模块完全在一片PSoC3芯片上实现。配套PC软件在图形化开发环境LabVIEW下设计，由声源位置设定、传感器阵列设定、声音信号衰减系数设置、声源波形生成、声源波形回放、声源与传感器阵列空间位置显示、波形显示和USB设备管理模块组成。本发明可以替代煤岩声发射监测系统实验过程中所需要的声源、各种声音传感器阵列形式以及不同实验环境，能够有效验证煤岩声发射监测系统在不同矿井环境下的准确性、快速性、通用性，满足了煤岩声发射监测系统研制初期进行大量试验的需求。
文档编号G01N29/34GK102590357SQ20121002117
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者冯国金, 孙柯, 徐磊, 王亚南, 田莹莹, 赵洪亮, 马进 申请人:山东科技大学