基于ARM和FPGA的便携人工地震数据采集系统设计

近年来，随着可编程逻辑器件（CPLD/FPGA）的迅猛发展，可编程逻辑器件在数据采集、逻辑接口设计、电平接口转换和高性能数字信号处理等领域取得越来越广泛的应用。CPLD/FPGAD不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且开发周期短、投入少，同时不断下降的芯片价格极大推动了CPLD/FPGA器件在广泛应用领域的使用。本文介绍一种ARM微处理器+FPGA的硬件设计，融合嵌入式Linux技术，实现一种小型化、移动性强、网络耦合度高的便携式人工地震数据采集系统。该系统以满足人工地震观测的需要、减小仪器尺寸和重量、降低功耗、降低野外工作强度和提高数据采集工作效率为目标。
1 系统硬件设计
    采集系统由CPU核心板、A/D数据采集板和电源板组成，系统原理如图1所示。CPU板以Atmel  AT91SAM9G20微处理器为核心，通过总线和GPIO分别与64 MB SDRAM、16 MB Norflas和FPGA A3P250接口。板上大容量CF卡安装有FAT文件系统，用于地震波形数据的本地存储。网络接口提供远程登录、数据传输及系统控制功能，包括实时数据流传输。LCD屏显示系统工作参数，如温度、经纬度、高程、系统网络IP地址等信息。串口用于输出调试信息，也被SAM-BA软件用来下载烧写引导加载程序U-boot和嵌入式Linux操作系统内核映像文件。A/D采集板上有三路模数转换数据采集通道，标定信号发生器和检波器控制信号调理电路。高效的电源转换电路是实现系统低功耗的基础。电源板主要提供CPU等数字电路+3.3 V/+1.8 V电源，地震计反馈电路供电±12 V、±4 V，参考电压±2.5 V，标定电路和检波器控制电路供电。GPS系统提供时间服务和地理位置信息。

    AT91SAM9G20是Atmel公司推出的一款基于ARM926EJ-S核的低功耗SoC。ARM核工作频率高达400 MHz，具有DSP指令扩展，支持Java硬件加速，具备全功能的MMU。内部集成2个容量为16 KB的高速SRAM，具有丰富的片上I/O设备，包括以太网MAC、USB主机和设备接口、通用同/异步发送接收器USART、SPI接口、同步串行接口SSC、多媒体存储接口等。电源管理控制器(PMC)提供了CPU动态调频的硬件支持。
1.1 FPGA逻辑设计
    FPGA芯片的功能主要包括：(1)采集三个通道的A/D数据。当三路数据准备就绪，nDRDY1、nDRDY2、nDRDY3信号全部拉低，启动由FPGA实现的SPI数据传输状态机，地震波形数据被缓冲到FPGA内部的16 bit宽的FIFO_2k_ADC_DATA中。当FIFO_2k_ADC_DATA中数据达到一个阈值时，向ARM微处理器触发AD_INT中断。在中断处理程序ad_irq_rx()中，通过系统数据总线把FIFO中数据转移到内存缓冲区ad_data_buff[]中。之后，调用schedule_work(&tasklet)把诸如数字信号滤波等耗时任务放到中断下半部中进行处理。(2)根据标定数据文件，控制DAC生成模拟标定波形输出。标定波形类型有正弦波、方波等。(3)检波器控制电路驱动地震计调零电机动作。(4)IRIG读码。生成IRIG-B数据帧，通过PPS_interrupt触发CPU中断，pps_irq_handle()中断处理程序负责把IRIG码存储到内存变量irig_frame中，等待解码以提取时间、经纬度、高程等信息。下面是spi实体的Top-level行为级VHDL语言描述。[page]

ENTITY spi IS
    PORT (    CLK        ：in  STD_LOGIC；--4.096 MHz
            CLK40    ：in  STD_LOGIC；--40 MHz
            SYNC    ：out STD_LOGIC；--PINMODE模式下，
使用复位信号同步数据采集信号
            DOUT1    ：in STD_LOGIC；
            SCLK1    ：out STD_LOGIC；--第一通道的
ADS1281模数转换器的SPI时钟
            nDRDY1，nDRDY2，nDRDY3：in STD_LOGIC;
--ADS1281数据就绪等待采集信号
            spi_clk    ：out STD_LOGIC；--扩展SPI时钟
            spi_mosi    ：out STD_LOGIC；--扩展SPI主机
发送从机接收数据信号线
            spi_cs1    ：out  STD_LOGIC；--扩展SPI片选
信号
            EINT1，EINT2：out STD_LOGIC；--FIFO半满数
据采集中断信号AD_INT，
和DAC数据请求中断信号INT
            ENABLE1，A2，A3，A4，A5：in STD_LOGIC；
            DATA：inout STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0)；
--ARM处理器数据总线
             led_drv：out STD_LOGIC；--LED状态指示
            PPS_interrupt：out  STD_LOGIC；--1 Hz，
GPS秒脉冲
            nRESET：in STD_LOGIC；
            GPS_IRIGL：in STD_LOGIC；--IRIG码读写
            nRD：in STD_LOGIC；--ARM读
            nWR：in STD_LOGIC；--ARM写
            nCS：in STD_LOGIC)；--ARM片选
END spi；
1.2 A/D数据采集通道
    A/D转换器采用TI公司的ADS1281。该A/D转换器具有高分辨率、高精度特性，内置4阶稳定的ΔΣ调制器，可配置SINC、FIR和IIR滤波器，数据率250 S/s～4 KS/s，特别适合地震数据观测环境。在本设计中，模拟地动波形信号经差分放大后输入到AD1281的AINP和AINN端。SCLK由FPGA分频产生的1.024 MHz的时钟驱动，用于串行输出A/D数据到FPGA FIFO。当A/D完成数据转化后，CH1_DRDY拉低向FPGA表示数据准备就绪，等待读取。CH1_ DOUT连接至FPGA的DOUT1端口，用于数据到FPGA FIFO的串行传输。AD_CLK由4.096 MHz时钟驱动，是A/D的工作时钟。A/D转换原理电路如图2所示。

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2 系统软件设计概要
    Linux因其源代码开放性特点，成为嵌入式系统中应用最为广泛的操作系统之一。本系统采用嵌入式操作系统Linux-2.6.30内核，交叉编译工具使用arm-none-linux-gnueabi-gcc，底层硬件驱动和数字信号FIR/IIR滤波程序使用C语言，部分代码使用嵌入式汇编语言，上层应用程序开发则使用C、C++。本系统的软件设计主要任务包括操作系统的移植、驱动程序开发(包括数据采集驱动、系统控制及标定驱动程序等模块)以及嵌入式应用软件和上位PC机应用软件开发。
2.1 嵌入式操作系统Linux-2.6.30的裁剪
    下载解压缩内核源文件。修改顶层目录下的Makefile文件，设定目标硬件ARCH=arm，指定交叉编译环境路径CROSS_COMPILE=/usr/locaL/arm-2007q1/bin/arm-none-linux- gnueabi-。使用图形界面或文本行界面进行内核配置，根据硬件电路和软件系统功能对内核模块进行剪裁，完成操作系统镜像的定制、编译与调试，并在此环境上进行应用软件和驱动程序的开发。在ARM中植入嵌入式linux平台，首先根据目标设备的硬件配置及需要，对linux-2.6.30内核进行基本定制，开发并安装驱动程序，增加CPU动态调频特性，生成镜像文件。JTAG将U-boot写入Flash后，通过网卡将镜像文件下载到目标设备中进行调试，最终把U-boot、linux-2.6.30内核及文件系统映像文件等烧写入Flash存储器。
2.2 A/D数据采集驱动
    设备驱动程序是操作系统内核与硬件之间的接口，属于内核的一部分。根据功能划分，设备驱动程序代码有以下几个部分：(1)驱动程序的注册与注销；(2)设备的打开与释放；(3)设备的读／写操作；(4)设备的控制操作；(5)数据采集中断处理程序和PPS_INTERRUPT中断处理程序。AD驱动程序最终实现一个字符设备驱动，为了使该驱动程序能够被上层的应用程序方便地调用，需要实现以下的接口函数：
    (1)open调用：打开数据采集通道，需要注意的是open调用不应该自动启动AD采样，而应该由ioctl调用提供显式的控制接口。
    (2)read调用：读取采样数据，阻塞式读取，以字节数返回读取到的数据量。
    (3)release调用：关闭数据采集通道，释放系统资源。
    (4)ioctl调用：提供以下一些设置命令。DS—ADC—START：启动AD采样，每次开始都会清空上次未读走的数据。DS—ADC—ST0P：停止AD采样。DS—ADC—SET—SAMPIE_RATE：设定采样率。DS—AdC—GET—COUNT：获取内存环行缓冲区中已存储的采样数据。
2.3 应用软件设计
    应用软件包括嵌入式应用软件和PC机应用软件。嵌入式应用软件运行在采集器ARM处理器上，具体实现为一个命令解析服务器，通过Socket接口连接到上位PC机，并接收PC机端发送来的控制命令，执行相应的操作。PC机应用软件由主线程和数据通信线程组成。主线程为文档—视图结构，实现参数查询与设置操作、实时波形显示与波形存储等功能；数据通信线程与硬件通信，接收波形数据。主要功能包括，(1)实时接收、存储波形数据；(2)实时浏览波形；(3)查询、设置系统工作参数；(4)查询GPS信息；(5)查询、设置标定参数、启动停止标定；(6)查询、设置触发参数；(7)设置数据采集器通信参数。
3 动态电源管理
    在本设计中，从微处理器和A/D等芯片的选型到电源系统设计都充分考虑低功耗设计，为了进一步降低系统功耗，设计中引入了CPU动态调频技术。位于系统内核的负载监控器Load Monitor负责统计核算负载信息，并根据系统负载轻重，驱动电源管理控制器Power Controller对CUP工作频率和相关设备能效状态做出调整。该模型对应用层程序完全透明，但应用程序也可通过proc接口显式调整系统状态。在开发板的初步实验中,在测试程序为while死循环情况下，测得系统在三个频率点上的总功率为169 mA×12 V@400 MHz,133 mA×12 V@
200 MHz，112 mA×12 V@99 MHz，系统存在可观的降耗空间。值得注意的是，动态调频对系统稳定性造成很大挑战，调频代码需进一步完善。
    本文主要讨论了基于低功耗微处理器AT91SAM9G20和可编程逻辑门阵列器件（FPGA）的地震数据采集系统的硬件设计和嵌入式Linux软件开发思路。值得一提的是，在系统中引入动态调频技术，为进一步降低系统动态功耗以至总体功耗做了有益探索。本设计是在对当前地震测量技术发展研究的基础上，提出的一种功耗低、体积小、野外使用安装便捷的实现方案，对降低数据采集成本、延长系统有效工作时间、提高野外工作效率有着积极意义。
参考文献
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