片上可編程系統在地震數據采集中的應用

顏 良 ，羅蘭兵 ，陳儒軍 ，韋 佳

(1.英洛瓦（天津）物探裝備有限責任公司中國研發部,河北 涿州,072750；2.中南大學 地球科學與信息物理學院,湖南 長沙,410083)

目前在地震儀器中主要采用以ARM架構為核心的低功耗系統，也有以FPGA為核心的系統。基于本文介紹的SoPC可編程片上系統,是近幾年才在這個領域應用。

基于FPGA形式的SOPC系統[1]，雖然技術上沒有ARM成熟，但是發展迅速，成功應用的案例很多。其包含了硬件邏輯和軟件部分，具有設計靈活的特點。其內部嵌入了CPU軟核（或硬核），集成度高、功耗低，因此很多功能可以通過C程序等軟件來實現，而不必都采用硬件邏輯實現。因此在系統復雜情況下可大大節省資源，一方面利于性能的提高，另一方面由于是基于FPGA，其實現上比較靈活，可根據需要反復修改，提高了研發效率。本設計中的核心技術如數據傳輸以及采集控制等，就得益于其不可替代的優點。

在本設計中，采用了Altera公司Cyclone II 2C35芯片，其為百萬門的FPGA，應用于野外站體的主控芯片設計，包括采集站（DAU）、電源站（PMU）以及交叉站(LMU)部分，由于其主控系統部分的相似性，這里只對采集站一種做介紹。

1 SoPC在地震數據采集中的硬件設計方案

采集站總體結構圖如圖1所示。

上述采集站結構圖中的基于FPGA的SoPC系統的設計的方案如圖2所示。

由圖2可知，系統各部分通過avlaon總線與CPU以及各模塊之間進行通信，avalon為Altera公司自定義的總線規范[2]，與其他總線規范如 wishbone、AMBA一樣具有通用性。正是基于此，使得各種IP核可以重復利用和移植。

1.1 最小系統

CPU選擇其免費提供的軟核Nios II，為32 bit標準型（Altera公司的軟件也提供多CPU支持，且類型可根據需要來定制，這里采用的是單個CPU形式），其性能相當于ARM構架的CPU。

Flash接口采用QuartusII軟件提供的控制接口，Flash為16 MB。對于SRAM接口，由于軟件沒有提供相應的IP code,所以需要定制接口,后面會有相應的討論,其大小為 4 MB。

1.2 采集接口

為了控制和處理采集來的數據，需要采集接口完成采集芯片和CPU之間的通信，采集接口在數據流中的位置如圖3所示。

圖3 采集接口的系統位置

地震數據采集時要進行參數設置，如采樣率、增益、濾波系數、采集長度等，都需要由主機系統下發到采集站，然后由采集站的CPU通過采集接口對采集芯片進行設置，以完成采集前的施工參數設置。

1.3 RS485傳輸及控制部分

數據傳輸部分為野外站體系統設計中的核心部分，其主要任務為完成地震數據的完整性傳輸，采用點對點方式，圖4為其2個傳輸節點間的連接圖。

圖4 兩節點傳輸結構圖

根據需要,在FPGA中設計了物理層的數據時鐘恢復模塊，用于信道平衡的編碼，以及RS糾錯檢錯模塊，通過這些技術，以及通道的預加重和均衡電路，可以讓采集的數據以極低的誤碼率傳輸到主機處理系統。本設計通過這些技術上的處理,使傳輸距離為220 m，單通道可以傳輸 20 MHz的速度,而實測誤碼率優于10-9指標。

1.4 串口模塊

串口模塊用于與電源管理芯片之間的通信，以使下行命令可以讓CPU控制電源部分電路便于執行；另外一個用處為方便調試測試用，在研發階段有很大的用處。

1.5 其他接口

這里主要指的是自定制的接口模塊，由于軟件提供的IP核的有限性，需要自定制一些接口，以滿足設計要求，如SRAM接口、I2C接口及與外部數據流交互的接口等。這些接口需要做兩方面的工作：一方面是需要自己用硬件描述語言以產生硬件邏輯模塊部分，此部分模塊的接口信號一端為與Avalon總線規范一致的信號，另一端為與外部交互的信號，中間根據需要可以設置必要的寄存器以及控制信號，以便用于底層驅動的編寫。

Avalon交互式總線是由Altera開發的一種專用的內部連線技術，Avalon交互式總線由SoPC Builder自動生成，是一種理想的用于系統處理器和外設之間的內聯總線，其定義的內聯線策略使得任何一個Avalon總線上的主外設都可以與任何一個從外設溝通。Avalon接口定義Avalon外設與Avalon交互結構之間的連接，是一個靈活的接口，可以只使用系統所需的幾個信號進行數據傳輸[3]。Avalon總線為用戶提供了非常友好的接口,使系統搭建過程中的一些細節問題得到屏蔽，大大減輕系統搭建的工作量。此外，Avalon總線的“從外設仲裁”機制，消除了帶寬瓶頸，實現了超大系統吞吐量。

另一方面的工作就是為此接口編寫底層驅動函數，以便讓上層應用軟件調用,與一般CPU的底層驅動編碼原理一致。

2 地震采集系統的軟件設計

本設計為基于NiosII的SoPC，在其嵌入的32位CPU內可運行站體的控制軟件，包括命令接收處理、對采集數據的控制，以及對上傳和轉發的數據的控制等。

系統采用前臺/后臺系統形式，無操作系統，單線程[4]。它以及時的方式處理異步事件的ISR組成的前臺；而使用所有剩余的CPU周期來執行時間上不太關鍵的動作的一個無限循環，即后臺。圖5為其主程序流程圖。

其中命令采用中斷觸發方式。即每個命令到來時會給CPU一個中斷，CPU能及時地響應，然后進行命令解析和執行。空閑時進入一個無限循環狀態。

3 測試結果

系統進行以下兩方面的測試[5]：

(1)數據傳輸的穩定性和可靠性，包括數據通道和命令通道；

圖5 主控軟件流程圖

(2)站體主控軟件對每項命令功能的響應以及完成情況。

測試結果表明，各項指標達到了預期要求。

以上為室內環境測試，此外還要進行野外實際工作試驗。一般來說，地震數據采集時，不論是何種儀器，如sercel 408、系統4等地震儀器，在野外工作時一般布置為三維或二維的排列。對此，在系統集成后，以此對新型地震儀器進行了野外大道數試驗，其三維實驗布局如圖6所示。

試驗地為中石油東方地球物理公司華北經理部管轄區內的雄縣，選擇的地震隊為2 311隊，共布設了兩種測試排列，即三維和二維排列（三維實際測試時布設了5條測線），震源分別選擇了炸藥和可控震源兩種。一共順利采集了1 400多炮；同時與國外的ARIES儀器進行現場采集，以便試驗后對采集回來的數據進行效果對比。

后經處理中心和采集技術支持兩部門的分析和處理，一致認為新型地震儀器與ARIES儀器對測區采集的數據基本一致，對處理后的測區剖面圖表現一致，甚至在某些細節方面表現更好，而在其他方面則各有自己的特點。

[1]潘松，黃繼業.SoPC技術實用教材[M].北京：清華大學出版社，2005.

[2]Altera Corporation.Nios II Software Developer's Handbook,2011.

[3]彭澄廉.挑戰SoC——基于Nios的SoPC設計與實現[M].北京：清華大學出版社，2004.

[4]李蘭英.Nios II嵌入式軟核SoPC設計原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[5]易碧金,姜耕.地震數據采集站原理與測試[M].北京：電子工業出版社，2010.