在詳細介紹96路前端微震信號處理單元、PCI數據采集卡DAQ2208和LabVIEW平臺下軟件設計的基礎上，提出了一種基于虛擬儀器微震實時檢測的設計方案。

　　系統通過軟、硬件技術結合，實現了對多路模擬量的微震信號采集及其先進的小波變換處理算法，充分發揮了虛擬儀器的優勢，很好地完成了對微震的實時監測及分析。

　　隨著社會與科學技術的發展，能源問題成了世界關注的焦點，而時常發生的煤礦礦難，使得礦區的安全問題成為了企業與政府關注的重點。這些事故的發生一般與開采后應力的重新分布引起的覆巖破裂有關系，巖石破裂會伴隨產生強度較弱的地震波，稱為“微震”。

　　微震安全監測系統是通過監測巖體破裂產生的震動或其他物體的震動，對監測對象的破壞狀況、安全狀況等做出評價，從而為預報和控制災害提供依據。微震檢測系統可廣泛應用于礦山巖體破裂的定位監測，是預報礦山壓力、礦井突水、煤與瓦斯突出、沖擊地壓的有效工具，也可根據監測到的巖體破裂的范圍和程度，確定導水裂隙帶高度、開采上限、巷道布置的合理位置等。因此，設計開發出一套安全有效的微震安全監測系統，成為當務之急。

　　目前，有的微震監測系統是基于DSP［1］或其他單片機的，其資源的有限性很難達到理想的采集效果，也難以完成先進算法的實現。本文設計的微震安全監測系統在工控機的基礎上，通過96路PCI采集卡進行微震信號數據采集，同時利用LabVIEW軟件強大的圖形化編程能力以及靈活多樣的數據處理功能，結合先進的小波變換等數字信號處理技術，完成微震信號的采集與濾波處理、記錄分析等，從而可確定裂隙帶的高度和空間位置，以反演出破裂源的空間位置和破裂時刻破裂源的性質，為礦山的地下安全檢測提供可能。

　　1 系統組成

　　從地下深、淺層界面反射的微地震信號，其能量相差很大，由此系統設計了不同位置的96路采集點以保證把深、淺層反射的微地震信號都記錄下來，以便確定震源位置，充分分析地質結構，將采集到的96路信號送給PC工控機進行數據處理與分析，如圖1所示。

　　1.1 硬件總體設計

　　微震信號是一種低頻微弱信號，它的主頻率約為100Hz，本系統是基于LabVIEW平臺下的微震信號采集與處理系統，它主要由微震檢波器、前置放大器、低通濾波器、PCI數據采集卡、工控機組成。系統硬件組成原理如圖2所示。

　　1.2 前置信號處理單元

　　系統的前置信號處理單元包括放大電路和濾波電路。

　　（1）放大電路

　　在一般信號放大的應用中，通常只要透過差動放大電路即可滿足需求，然而基本的差動放大電路精密度較差，且差動放大電路中變更放大增益時，必須調整兩個電阻，影響整個信號放大精確度的原因就更加復雜。儀表放大電路則無上述缺點。本文采用AD620儀表放大IC進行前端信號的放大處理。AD620能確保高增益精密放大所需的低失調電壓、低失調電壓漂移和低噪聲等性能指標;具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低功耗等優點，并且放大倍數只需要調節一個電阻就可設定，如圖3所示。

　　（2）濾波電路

　　微震信號是低頻信號，它的有效頻率范圍大約在 20Hz～300Hz之間，針對采集信號的特點，本文采用6階巴特沃斯低通濾波器，如圖4所示。考慮實際情況，調整電路中的電阻電容參數，將該濾波電路的截止頻率設置為500Hz。

　　1.3 發爆器

　　地震發爆器是一種專用雷管引爆器，它不僅是要觸發雷管，而且必須在觸發雷管的同時發出一個爆炸信號傳遞到微震監測儀。爆炸信號標準電壓一般為±5V。

　　本系統采用MFB-100防爆型煤礦專用發爆器。但是，該發爆器只能引發雷管，作為地震發爆器使用需要進行改造。圖5是發爆器的改造原理圖，其主要目的是從雷管觸發電壓輸出端并聯引出一路標準爆炸信號，作為系統開始微震信號采集的外部觸發信號。

　　本文采用電阻分壓法引出爆炸信號，優點是電路簡單，計時比較準確。圖5中R2為大功率限流電阻，R3為分壓輸出電阻，用以調節輸出爆炸信號電壓。

　　1.4 PCI采集卡DAQ2208

　　PCI 總 線是一種高性能32/64位地址數據線復用的局部總線，可以支持多種外圍設備，其設計獨立于微處理器，為CPU及高速外圍設備的通信提供了一座橋梁，提高了數據傳輸率。此外，PCI總線采用線性突發的數據傳輸模式，確保總線不斷滿載數據，完全兼容現有PC機軟硬件能力。因此在CPU與高速緩沖存儲器（Cache）、高速圖像處理及高速數據采集等需要高速傳輸信息的場合得到了廣泛應用。

　　在本系統中，為了實現96路模擬信號的輸入，采用了AD-LINK公司生產的DAQ-2208系列PCI板卡進行設計與研究，完成數據采集。DAQ-2208具有96路模擬量輸入接口，同步采樣率達3MSps， A/D分辨率為12位，板卡上載有1K采樣點A/D FIFO。另外該板卡附帶有與LabVIEW接口的驅動程序，可以方便地在LabVIEW平臺下實現對信號的實時采集與處理。

　　2 系統軟件設計

　　LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering）是一種圖形化的編程語言。它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，被視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能，還內置了便于應用TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數，是一個功能強大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。本文應用美國NI 公司LabVIEW 系統開發平臺并結合PCI數據采集卡（DAQ），對微震信號進行實時采集和波形的再現和分析。由于LabVIEW 強大的數據處理能力、豐富的數據表達方式和高效率，有力地支持和加快了系統的研制速度。

　　監測系統的主要功能包括：

　　（1）通過PCI采集卡經由工控機實時監測微震信號隨時間變化的過程，并將波形在PC機上顯示。

　　（2）對采集信號進行數字處理。本系統采用小波變換的分析方法，將微震信號中帶入的噪聲濾除。

　　（3）顯示和打印采集到的微震信號和分析獲得的數據、圖形，并存儲歸檔。

　　系統的軟件設計框圖如圖6所示。

　　根據上述虛擬儀器功能的需要，本系統程序包含以下模塊：

　　（1）數據采集模塊

　　信號的采集部分在整個程序中至關重要。其參數設置正確與否，直接影響到后面的分析、處理、顯示等功能能否實現。LabVIEW本身提供了大量的控制對象，包含有專門用于設計數據采集程序和控制程序的功能庫和開發工具庫。其中，LabVIEW的數據采集程序庫包括了許多NI公司數據采集卡的驅動控制程序，本文采用的就是NI公司的LabVIEW PnP 1.24驅動程序。

　　數據采集部分的參數設置主要包括：

　　①Device：用來控制PCI2208數據采集板在計算機內的初始化信息;

　　②Channels：用來設置所有定義的數據采集通道的工作情況;

　　③Scan Rate：用來控制系統的采樣頻率;

　　④Buffer Size：用來控制數據緩存區的大小;

　　⑤Trigger：用來控制采集卡開始采集的觸發方式。

　　數據采集程序框圖如圖7所示。

　　（2）波形顯示模塊

　　該部分可選擇時域信號顯示或頻域信號顯示，可選擇原始采集信號和消噪后的信號顯示，還可根據需要進行線性或對數顯示。

　　（3）數據存儲讀取模塊

　　將通過PCI采集卡96路AI口采集來的信號存儲到工控PC機上，本系統采用的是EXCEL文件存儲，可以方便地將多路微震信號同時記錄或保存到一個文件中，便于以后的波形再現和分析，也可以接打印機直接將數據或再現的波形打印出來，供將來對數據進行嚴密的后期分析。

　　圖8是微震信號的波形數據存儲和讀取部分程序框圖。

　　4）數據分析模塊

　　這部分主要是針對采集的信號中帶入的高頻噪聲的去除與原始信號的還原來進行的，本系統采用的是小波變換的分析方法。在基于LabVIEW平臺下的小波去噪系統采用了以下三種消噪處理方法：

　　①強制消噪處理：將采集到的微震信號數據進行小波分解，把分解結構中的高頻系數全部變為0，即把高頻部分全部濾除掉，然后對信號進行重構處理。

　　②默認閾值消噪處理：對微震信號利用Matlab中默認閾值確定函數產生信號的默認值，對信號進行消噪處理，由系統產生的默認參數有：軟硬閾值的選取、閾值的確定、信號低頻部分的處理方式。

　　③自定義自動消噪處理：由默認產生的參數進行信號消噪有時不如根據經驗獲得參數消噪具有可信度，本文同時設計了利用Matlab中自動消噪函數來自定義確定消噪的參數，如：閾值選取規則、軟硬閾值的選取、閾值的調整形式等。信號消噪的前面板的設計如圖9所示。

　　本系統在LabVIEW平臺下實現的小波算法是采用與Matlab接口的編程技術，通過在Matlab模塊中編寫消噪程序并發布COM組件，再通過LabVIEW引用其生成的COM對象，從而使開發復雜的先進算法的周期大大縮短，并且采用這種方法有效地保證了系統的信號分析的準確及可靠性。

　　本文設計的基于虛擬儀器的微震檢測系統，信號處理功能強大，信息表達豐富、多樣，人機界面友好，同時實時性好，準確性高，在實際應用中取得了很好的效果，在礦區的安全事業上有著廣闊的應用前景。另外，系統的軟件部分在LabVIEW上有很好的可擴展性，為系統的完善開發與設計提供了一個良好的平臺。