基于SOPC的8通道地震數據采集系統設計

孫富津，張林行，曹家銘，杜赫然

（吉林大學地球信息探測儀器教育部重點實驗室，國家地球物理探測儀器工程技術研究中心，吉林 長春 130061）

基于SOPC的8通道地震數據采集系統設計

孫富津，張林行，曹家銘，杜赫然

（吉林大學地球信息探測儀器教育部重點實驗室，國家地球物理探測儀器工程技術研究中心，吉林 長春 130061）

針對多通道地震儀在并行數據采集和降低功耗方面所面臨的問題，提出基于可編程片上系統（system on a programmable chip，SOPC）的多通道數據并行采集方案。該采集系統包括前端采集電路、以太網通信電路以及FPGA主控制系統，采集電路包括模擬開關、程控放大器、前端調理電路以及A/D、D/A轉換器。基于FPGA控制系統開發符合AMBA（advanced microcontroller bus architecture）總線標準的多通道并行采集控制器IP核。通過對采集系統進行測試，證明該采集系統能夠穩定可靠運行，可實現并行數據同步采集，有效降低地震儀功耗，整機功耗為2.38W。

可編程片上系統；低功耗；IP核；數據采集

0　引　言

地震勘探是一種常用的地球物理勘探方法，通常需要在多個地點進行數據的同步采集和傳輸，需要多條測線測量，一次地震勘探所涉及的數據采集范圍可達幾平方公里或數十平方公里，且工作環境惡劣。對于大型陸上地震勘探系統，功耗是一個重要問題，既直接決定整個勘探系統可連續工作時間，也會影響系統所需采取的供電方式。作為陸上地震勘探系統中數量最多的采集站，其功耗水平決定了整個地震勘探系統的功耗水平。相比于國外先進的地震數據采集系統，如法國Sercel公司的428系列陸上地震數據采集系統，我國國內研發的地震勘探儀器依然存在很大差距，特別是在功耗、體積方面難以滿足勘探的需求[1]。以吉林大學自主研制的有線遙測地震儀GEIST438系統為例，基于ARM（AT91RM9200）處理器，結合24位高精度A/D及FPGA可實現8通道地震數據同步采集，整機額定功耗達到4W，因此整套儀器需配備大容量電池，導致野外工作便攜性較差。

針對目前地震勘探儀器所面臨的功耗問題，本文提出基于SOPC技術實現地震數據的采集。SOPC采用FPGA作為SOC（system on a chip）實現載體，可實現單個硅片的復雜系統設計，內置處理器、存儲器、IO接口等系統所需模塊[2]。

1　系統總體設計

地震數據采集系統主要完成地震數據的采集、存儲和傳輸。本采集系統主要由模擬濾波網絡、模擬開關、信號調理電路、24位A/D轉換電路、測試信號發生電路、以太網通信電路以及FPGA主控系統等組成。主控系統基于半導體Microsemi公司低功耗FPGA芯片實現，內置高效運算處理能力的ARM Cortex-M3處理器，配有片內Flash、片內RAM及以太網MAC控制器IP核，同時可在SOPC嵌入式系統中開發同步數據采集模塊。整個采集系統工作流程為檢波器首先將地面震動信號轉換為微弱的電信號，經信號調理電路后送入24位高精度Δ-Σ A/D，FPGA主控系統接收采集來的數據，并進行數據的暫存及打包傳輸，FPGA主控系統還需驅動系統測試電路產生正弦信號，用于地震儀自檢，以及配置前端調理電路增益和完成對A/D的初始化、參數設置、狀態控制等。地震數據采集系統總體設計原理圖如圖1所示。

圖1　采集系統結構框圖

2　系統硬件結構設計

2.1數據采集模塊

模擬信號調理電路包括模擬濾波網絡及前置放大電路，模擬濾波網絡由輸入信號保護電路及RC低通濾波網絡組成，前置放大電路由程控放大器、低通濾波電路及運算放大器組成，電路結構如圖2所示。輸入信號保護電路使用瞬態抑制二極管（TVS），主要為了消除瞬時尖峰脈沖，具有響應時間短、漏電流小、瞬時功率大、體積小等優點。RC低通濾波網絡可壓制高頻共模干擾，RC阻抗匹配。程控放大器選用低噪聲可編程增益放大器PGA205，PGA205低頻端具有較低的噪聲水平以及較高的共模抑制能力，適用于差分輸入信號的檢測。FPGA主控系統可通過對PGA205兩個控制信號端的配置，實現1、2、4、8倍的增益[3-4]。為了進一步縮小帶寬，抑制通帶外噪聲，模擬信號經程控放大器輸出后低通濾波，并通過運算放大器AD712進一步放大后傳輸給A/D轉化電路。

圖2　模擬信號調理電路結構框圖

2.2測試信號發生電路

測試信號發生電路包括24位D/A轉換器、低通濾波電路及二階有源低通濾波電路。D/A采用CIRRUS LOGIC公司生產的24位高精度Δ-Σ數模轉換器CS4344，該轉換器具有105 dB動態范圍，總諧波失真+噪聲（TND+N）為-95dB，采樣頻率可達到192kHz自動檢測，體積小，成本低等特點。二階有源低通濾波電路由RC低通濾波電路和同相比例放大電路組成，輸入阻抗高，輸出阻抗低。

2.3網絡接口模塊

本設計網絡芯片采用 MICREL公司的KSZ8051MNL，該芯片具有通用處理器接口、1個10/100M PHY，功耗平均值為162 mW，是一款低功耗高性能的網絡控制器。該采集系統需配置兩個以太網通信接口，兩個接口采用相同設計，接口電路原理圖如圖3所示。

2.4SOPC設計

FPGA硬件設計基于Microsemi公司的SOPC開發軟件，Microsemi公司為SOPC設計提供眾多的IP核，可直接調用。FPGA芯片采用針對SOC設計的Smartfusion2系列FPGA M2S050，具有低功耗、高可靠性及高安全性，內嵌有166MHz ARM Cortex-M3硬核處理器和1314 Kb的RAM，邏輯資源數達到56340，I/O數多達377個，可以滿足本系統的設計需求。

圖3　KSZ8051MNL接口電路原理圖

2.4.1采集模塊控制器IP核設計

為實現多路24位A/D串行數據的讀出和緩存，需在SOPC系統中開發帶有AMBA總線接口的多道數據并行采集控制IP核，完成對采集電路和系統測試信號發生電路的驅動，數據讀出，緩存以及與處理器通信等[5]。IP核控制器采用VHDL硬件描述語言編寫，內部共分為7個功能模塊：時鐘模塊、系統控制、系統狀態、開關控制、A/D接口、D/A接口、AMBA總線接口。時鐘模塊負責產生A/D、D/A所需的時鐘以及系統時鐘（內部FIFO使用）。系統控制模塊負責產生A/D、D/A復位信號及FPGA內部中斷信號。系統狀態模塊負責讀取A/D、D/A接口模塊狀態信息，開關控制模塊用于生成模擬開關（ADG201)控制信號，決定工作于采集模式還是自檢模式。A/D接口模塊負責將4路A/D輸入的串行信號轉成并行信號，并緩存到IP核內部FIFO中。D/A接口模塊負責將內部FIFO中的并行數據轉換成串行輸出給D/A，用于采集系統自檢。SOPC系統內部采用ARM公司AMBA標準總線連接，因此IP核模塊需開發符合AMBA總線標準的總線接口，實現采集部分、外部存儲器、處理器間的數據傳輸及命令控制。采集控制器內部功能模塊組成及其外部接口如圖4、圖5所示。

圖4　采集控制器內部功能模塊組成

圖5　采集控制器外部接口

2.4.2SOPC系統硬件配置

SOPC系統結構包括：Cortex-M3處理器、采集模塊控制器、AMBA總線、以太網MAC、UART、片內SRAM、片外存儲控制器（MemCtrl）、中斷控制（Interrupt）及定時器（Timer）。在本系統中，Cortex-M3處理器作為實現控制的中央處理器，具有低成本、低功耗等特點。AMBA總線是連接片上處理器和其他IP模塊的總線協議，規定了主部件和從部件之間進行連接的端口和通信的時序，以構成片上可編程系統（SOPC）。AMBA總線定義了高級高性能總線AHB和高級外設總線APB，分別用于高性能、高時鐘頻率的系統模塊和低功耗外設模塊[6]。按照系統的硬件規劃，SOPC系統硬件結構示意圖如圖6所示。

圖6　SOPC系統硬件結構

3　系統軟件設計

軟件設計主要是利用Microsemi公司提供的SoftConsole IDE開發工具完成，采用uClinux嵌入式操作系統，使用標準的socket接口來實現 TCP/IP操作[7]。軟件主要由網絡建排、數據采集、網絡傳輸3個任務組成。網絡建排由主機以廣播方式發起，實現采集站網絡接口IP地址的分配，為方便野外施工，兩個網絡具有相同的功能，施工時可隨意排列。數據采集負責將A/D輸出數據通過PIO口采集到FPGA內部FIFO中。網絡傳輸任務負責將采集數據發送到上位機[8]。系統軟件主函數流程圖如圖7所示。

圖7　系統主函數流程圖

4　實驗結果及對比

降低采集系統功耗是研究的主要內容及實現目標，在正常工作情況下，對采集系統單通道模擬電路、測試信號發生電路、以太網通信電路、控制系統進行了功耗測試。每個通道由模擬開關、可變增益前置放大器、單端轉差分用放大器和ADC組成。測得單通道模擬電路總功耗約為115mW，8個通道總功耗為920mW。主控系統靜態功耗約為315mW，動態功耗約為195mW，總功耗為510mW。FPGA外圍電路包括片外存儲器總功耗約為450mW。整機功耗測試結果如表1所示。

表1　整機功耗測試

表2　國內外同類儀器功耗對比

相比于Sercel公司的428L采集系統，我國國內研發的地震勘探儀器依然存在很大差距，特別是在低功耗方面，與實驗室現有GEIST438有線遙測地震儀相比，整機功耗明顯降低，滿足設計要求，證明采用SOPC技術可有效降低采集系統功耗。表2為本采集系統同國內外同類儀器簡要參數對比。

5　結束語

為解決多通道遙測地震儀功耗高、體積大、野外施工不便等問題，本設計基于SOPC嵌入式系統，實現多通道地震數據并行采集和以太網傳輸，設計了低噪聲數據采集和調理電路、采集模塊組控制器IP核以及FPGA主控制系統。經過實驗驗證，本系統相比于傳統基于ARM和FPGA實現的采集控制系統，可有效減小儀器體積，降低系統功耗，整機總功耗低于3W，系統穩定性及實時性均滿足設計要求，同時具有設計靈活、擴展性好等特點，可方便系統后續完善及升級工作。

[1]QI S Z，MING D，JIAN G，et al.Development of a new seismic-data acquisition station based on systemon-a-programmable-chiptechnology[J].Annalsof Geophysics，2013，56（3）：1861-1867.

[2]黃建宇.高準確度低功耗分布式地震采集站的研制[D].北京：中國地質大學，2014.

[3]王銳，雷金奎.基于軟核Nios II的SOPC數據采集系統的設計[J].計算機測量與控制，2008（8）：1199-1201.

[4]馬駿，尉廣軍.基于SOPC的以太網遠程數據采集系統設計[J].電子設計工程，2012（4）：69-72.

[5]劉勇，庹先國，李懷良，等.基于SOPC的地震數據并行采集控制器設計[J].自動化與儀表，2012，27（5）：36-38.

[6]Microsemi Corporation.SmartFusion2 SoC FPGA Progra mming User’s Guide[EB/OL].（2014-9-21）[2015-06-17]. http：//www.microsemi.com/products/fpga-soc/soc-fpga/sf2docs# documents.

[7]QIUCF，LIUWZ，XU G H，et al.Design of Online Reconstructable SOPC System Based on TCP/IP[J]. International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation，2010（1）：1022-1025.

[8]楊銳.SoPC技術在工程地震儀中的應用研究[D].北京：中國地質大學，2012.

[9]SercelInc.428XLSpecifications[EB/OL].（2013-3-5）[2015-06-17].http：//www.sercel.com/products/Lists/Product Specification.

[10]李懷良.復雜山地多波寬頻帶地震數據采集關鍵技術研究[D].成都：成都理工大學，2013.

[11]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，2007.

（編輯：劉楊）

Design of eight-channel seismic data acquisition system based on SOPC

SUN Fujin，ZHANG Linhang，CAO Jiaming，DU Heran
（Key Lab of Geo-exploration Instrumentation，Ministry of Education，National Engineering Research Center of Geophysics Exploration Instruments，Changchun 130061，China）

A SOPC（System on a Programmable Chip）-based solution for multi-channel parallel data acquisition Is introduced to solve the problems in multi-channel parallel data acquisition of seismograph and to lower power consumption in this process.This acquisition system includes a front-end acquisition circuit，Ethernet communication circuit and a FPGA main control system. The acquisition circuit is composed of an analog switch，a programmable amplifier，front-end signal conditioning circuit，an A/D convertor，and a D/A convertor.Based on the main control systemofFPGA，anIPcoreisdesignedtoacquiredatainaccordancewiththeAMBA（AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture）standard.Experimentsdemonstratethatthis acquisition system can run stably and smoothly，collect parallel data synchronously，greatly reduce power consumption of seismographs to 2.38W as a whole.

SOPC；lower power consumption；IP core；data acquisition

A

1674-5124（2016）03-0073-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.03.017

2015-05-16；

2015-06-21

國土資源部公益性行業科研專項經費項目（201311195）

孫富津（1990-），男，黑龍江齊齊哈爾市人，碩士研究生，專業方向為有線遙測地震儀控制系統。

張林行（1977-），男，山東濰坊市人，副教授，碩士研究生導師，博士，主要從事地球物理探測儀器的研究與應用。