基于MPC8360交叉站硬件設計與測試

張帥帥,林 君,張林行,王東鶴,徐立安

（吉林大學儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春 130061）

基于MPC8360交叉站硬件設計與測試

張帥帥,林 君,張林行,王東鶴,徐立安

（吉林大學儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春 130061）

針對當前二維有線遙測地震儀采集道數少、勘探范圍小的問題，以MPC8360作為交叉站核心處理器，提出基于MPC8360的交叉站系統解決方案，完成交叉站系統處理器模塊、網絡模塊和FPGA采集模塊設計，實現交叉站對測線的管理和數據的轉發，從而為三維地震勘探奠定基礎。測試結果表明：網絡模塊能夠滿足三維勘探對地震數據交換的要求，FPGA采集模塊在正弦波采集過程中獲得理想效果。最后進行三維地震勘探野外實驗，反演的三維空間地層模型與現場的地下空區基本吻合，從而驗證了交叉站能夠滿足三維地震勘探的需求。

有線遙測地震儀；交叉站；三維地震勘探；地層模型

0 引 言

地震勘探作為一種常用的地球物理勘探方法與其他物探方法相比，具有精確度高、分辨率高、勘探深度大等優點。國內的大型遙測地震勘探儀器絕大多數依賴于進口，嚴重制約著我國地震勘探事業的發展[1]。吉林大學儀器科學與電氣工程學院地震儀器研究室在20世紀90年代成功研制出適用于二維勘探的有線遙測地震儀，通過野外檢驗能實現單條測線數據的網絡化傳輸。基于單線的二維有線遙測地震儀的數據采集不能真實展現地下地質形態的構造，地震儀器研究室成功研制了基于MPC8360處理器的交叉站，完成多條測線的數據采集和回收，從而把二維勘探擴展到三維勘探中，形成一套大型的遙測地震勘探系統。本文通過分析交叉站的功能需求，設

計了交叉站的硬件電路，在PowerPC+Linux交叉編譯環境下完成FPGA采集模塊驅動程序的設計。

1 交叉站總體設計

1.1 交叉站的方案設計

為了滿足有線遙測地震儀在三維勘探中對多條測線的數據交換和回收需要，設計了一款能夠對多條測線上的數據進行快速轉發和回收功能的交叉站。同時設計的交叉站兼有數據采集的功能，負責輔助道的數據采集和觸發管理，FPGA采集模塊采集的參考道數據在后期地震數據的相關和疊加處理中起到關鍵性作用[2]，所以交叉站在數據交換和回收的功能基礎上增加了特色功能-FPGA數據采集，進而可以代替已有的二維遙測地震儀的觸發站，實現系統微型化和低功耗，其系統功能框圖如圖1所示。

基于實驗室已有的單條測線網絡化采集的二維遙測地震儀，研制具有多條測線管理和數據快速轉發回收功能的交叉站。交叉站作為數據中轉單元，有5個網絡接口，網絡接口A和B分別連接測線上的左右采集站，然后交叉站通過大線以多跳的方式連接兩側采集站；網絡接口C和D分別連接上下測線的交叉站，主控機通過交叉線以多跳方式連接交叉站[3]，構成了基于多條測線的大型遙測地震勘探系統，從而為三維勘探奠定了硬件基礎。

1.2 交叉站基于Linux軟件開發環境的構建

構建基于PowerPC的嵌入式開發環境包括4個部分：U-BOOT的移植、Dts移植和編寫、Linux內核移植、根文件系統的制作[4]。Linux系統的內核在移植之前需要構建PowerPC的嵌入式交叉編譯環境，交叉編譯環境主要包括軟件和硬件的設計。本設計的交叉編譯環境為構建了目標機（MPC8360）的交叉編譯環境即PowerPC-Linux-gcc環境。

2 交叉站硬件電路的設計

交叉站硬件系統包括處理器模塊、電源模塊、網絡模塊、FPGA采集模塊4個部分。整個系統是以MPC8360處理器為核心；處理器模塊與中央處理器構成最小系統，其中SDRAM作為內存空間，用于運行Linux系統和相關軟件，NOR Flash負責存儲bootloader、內核、DTS、根文件系統以及與其相關軟件；電源模塊主要給系統供電；網絡模塊實現對節點的控制和數據的回傳；FPGA采集模塊完成地震數據的采集[5]。

2.1 處理器模塊

存儲電路由SDRAM和NOR FLASH組成，分別使用相應的總線模式實現接口的連接，其中SDRAM作為內存空間，用于運行Linux系統和相關軟件，NOR Flash負責存儲bootloader、內核、DTS、根文件系統以及與其相關軟件；調試電路由UART接口和JTAG接口組成，實現系統的調試功能。

2.2 網絡模塊

MPC8360可以支持8個網絡接口，本設計中實現了5個網絡接口，每個網絡接口都可以獨立地工作，并且這5個網絡接口均配置成MII接口。MII的主要作用是連接MAC子層與物理層的標準以太網接口，負責MAC和以太網PHY之間的通信。MII包括數據接口和管理接口，數據接口主要實現2條獨立通道的發送和接收；管理接口包括時鐘信號MDC和數據信號MDIO，通過該接口達到上層監視和控制PHY的目的。

2.3 FPGA采集模塊

FPGA采集模塊的設計以FPGA為核心，設計了雙通道的采集模式。一個完整的FPGA采集通道包括：濾波網絡，模擬開關，前置放大電路，24位A/D，測試信號生成電路和FPGA。模擬開關主要實現數據采集電路狀態的切換，FPGA模塊主要完成對24位A/D初始化、串行和并行數據的轉換、向MPC8360提供地震數據的讀取接口。FPGA采集模塊硬件組成如圖2所示。

2.3.1 FPGA內部寄存器

FPGA的PowerPC接口電路負責地址的產生[6]。其內部共定義8個寄存器，主要寄存器設置如表1所示。

2.3.2 采集模塊驅動程序數據流

基于FPGA的采集模塊驅動程序主要完成模擬開關控制、FIFO緩沖數據的讀取、測試信號生成等功能。驅動程序數據流如圖3所示。

數據流可按照方向分為兩條：一條將用戶空間的采集指令和測試指令傳遞至內核空間，并儲存在內存buf中，然后再把指令數據發送至FPGA，由FPGA控制A/D和D/A的工作；另一條數據流傳送地震數據和狀態信息，數據由A/D寫入FPGA的fifo，內核從fifo中拷貝數據到內存buf，kfifo連續從buf中讀取數據，最后把數據傳輸到用戶空間，完成地震數據的采集。在整個驅動程序設計中用到的內核資源有buf、kfifo和中斷資源。FPGA采集模塊的驅動程序設計主要包括設備注冊和注銷、設備打開和釋放、設備讀寫、設備操作控制、設備中斷處理。

3 測試與結果

3.1 Linux系統的啟動與運行

3.1.1 U-Boot環境變量設置

在啟動超級終端進行實驗結果的測試時，要進行環境變量的設置，這些設置主要包括選擇linux的啟動方式，以及選擇串口端口的波特率的設置和網絡端口的設置。

環境變量設置主機和基于MPC8360目標板的IP地址和tftpboot命令，這樣可以在調試的過程中從目標板上啟動tftp命令。

3.1.2 系統啟動時的測試

環境變量設置完畢后，可以對整個系統進行測試。啟動基于MPC8360的目標板，觀察超級終端里面的啟動信息。所要觀察的信息有加載鏡像的信息檢查和加載基于FPGA采集模塊的驅動程序。

系統分別從內存地址fe200000、fe400000處加載內核Linux-2.6.30.5和根文件系統rootfs.8360[7]。內核Linux-2.6.30.5Linux主要負責管理系統的進程、內存、設備驅動程序、文件和網絡系統；根文件系統rootfs.8360支持Linux系統正常運行的基本內容，包括系統使用的軟件和庫，根文件系統是內核掛載啟動的第一個文件，即內核代碼鏡像文件保存在根據目標板配置的根文件系統rootfs.8360[8]中。

3.2 網絡模塊測試

網絡功能測試通過拓撲結構實現，由兩臺PC機測試交叉站的數據交換和回收能力。首先對eth_A、eth_B、eth1和eth2的IP地址、子網掩碼和網關進行相應的設置；然后在兩臺PC機上構建FTP服務器，并且開啟交叉站的IP轉發功能；最后PC_B通過get命令從PC_A上下載文件，通過put命令向PC_A上傳文件，文件的大小均為30Mb。實驗過程中使用Wireshark軟件對網絡傳輸數據進行分析，實驗數據分析如表2所示。通過測試交叉站的數據交換能力在包長1079.609B時，轉包率達到6156.267p/s。通過與國內高性能數據交換的路由器轉包率相比，交叉站的數據交換能力足以滿足對三維勘探數據回收和交換的需求；Sercel公司的 428XL的交叉站LAUX帶道能力可以達到萬道，10個LAUX串聯連接到中央處理單元可帶道10萬道，本文研制的交叉站在相同包長下的轉包率可以達到LAUX的轉包能力，從而交叉站可以實現對多條測線的多道數據轉發和交換，由此說明網絡模塊滿足了交叉站在三維勘探時數據交換的能力。

3.3 FPGA采集模塊測試

FPGA采集模塊主要實現參考道數據的采集，為測試FPGA采集模塊軟硬件的配置，編寫了基于FPGA采集模塊的驅動程序FPGA，以及采集模塊的應用測試程序FPGA_test。基于FPGA的采集模塊驅動程序主要完成模擬開關控制、FIFO緩沖數據的讀取、測試信號生成等功能。實驗條件：室內；12V直流電源供電；一條采集通道加入200Hz-0.5V正弦波，

另一條采集通道短接。加載FPGA采集驅動模塊dap_mpc8360.ko，運行采集應用程序FPGA_test。交叉站采集的參考道數據通過ftp方式上傳至主控機，短接之后交叉站采集到的短路噪聲曲線如圖4所示，當通道加入200 Hz-0.5 V正弦波時，由交叉站采集回來的數據波形和頻譜曲線如圖5所示。

通過以上對FPGA采集的驅動程序和應用程序測試，兩個采集通道均可以正常工作，并完成驅動設定的相應功能，驗證了基于FPGA采集模塊和驅動程序的正確性。

3.4 三維勘探測試實驗

2013年8月2日攜帶研制的三維地震勘探系統在九臺市羊草溝煤礦進行了三維采空區測試實驗，交叉站通過匯總每條測線的數據至主控單元，然后對數據進行處理和反演得到當地的三維空間反演地層模型如圖6所示。從圖6中可以看出，橫波速度在地下280m處有明顯的衰減，根據現場的地下條件可知，試驗點地下280 m處有煤炭開采所遺留經過封堵處理的地下巷道，推斷巷道內部大部分為空區，僅有少量積水。反演所得結果與現場地下空區情況基本相符。

4 結束語

綜上所述，網絡模塊能夠實現三維勘探對地震數據交換的要求，FPGA采集模塊在正弦波采集過程中獲得理想效果。從而驗證了交叉站能夠實現數據的交換和回傳功能以及FPGA采集模塊數據采集的準確性，這樣為三維地震勘探奠定了硬件基礎。此外對交叉站組成的三維地震勘探系統在九臺市羊草溝煤礦進行了采空區測試實驗，通過對實驗數據的處理得到當地的反演地層模型，反演所得結果與現場地下空區情況基本相符，也驗證了交叉站可以滿足三維地震勘探的需求。

[1]韓曉泉.地震勘探儀器的現狀及發展趨勢[J].物探裝備，2008（1）：43-52.

[2]楊泓淵.復雜山地自定位無纜地震儀的研究與實現[D].長春：吉林大學儀器科學與電器工程學院，2009.

[3]張林行.基于接力式以太網的可控震源地震勘探數據傳輸技術研究[D].長春：吉林大學儀器科學與電器工程學院，2007.

[4]邱文華，邱珍珍.基于扁平設備樹的Linux內核啟動方式[J].現代計算機，2009（3）：33-45.

[5]戴波.有線遙測地震儀交叉站設計與實現[D].長春：吉林大學儀器科學與電器工程學院，2011.

[6]劉邦運.PowerPC數據通信系統軟件實現[D].北京：北京郵電大學，2010.

[7]宋國軍，張侃諭，林學龍.嵌入式系統中U-Boot基本特點及其移植方法[J].單片機與嵌入式系統應用，2004（10）：78-81.

[8]張林.基于MPC8260的嵌入式Linux移植[J].商洛學院學報，2008（4）：59-63.

Hardware design and test of cross-station based on MPC8360

ZHANG Shuai-shuai，LIN Jun，ZHANG Lin-hang，WANG Dong-he，XU Li-an
（College of Instrumentation and Electrical Engineering，Jilin University，Changchun 130061，China）

The currently existing 2D cable seismic acquisition system had the problems that the number of acquisition channel was less.Based on MPC8360，the authors developed a new scheme for the cross-station system.MPC8360 was used as the cross-station’s core processor as well.This system completed the design of a module of cross-station system，including the processor module，network module，FPGA acquisition module and realized the management of measuring line and data forwarding by cross-station，which lays the foundation of 3D seismic exploration.Test result shows that the network module can meet the requirements of data exchange in the 3D seismic exploration and FPGA acquisition module achieves the desired effect in the process of the sine wave acquisition.Finally，the authors conducted the experiment of the 3D seismic exploration in the field and inverse the 3D Stratigraphic model which consistentwith the empty area in the exploration site，which proves that the cross-station meet the need of 3D seismic exploration.

cable telemetry seismic instrument；cross-station；3D seismic exploration；stratigraphic model

TP274；TH762.2；P315.01；TM930.12

：A

：1674-5124（2014）04-0107-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.027

2013-11-17；

：2014-01-05

國家深部探測專項（201011081）

張帥帥（1988-），男，山東濟寧市人，碩士研究生，專業方向為分布式地震儀研究。