片上可编程系统在地震数据采集中的应用

2011-07-28罗兰兵陈儒军

网络安全与数据管理 2011年24期

颜良，罗兰兵，陈儒军，韦佳

(1.英洛瓦（天津）物探装备有限责任公司中国研发部,河北涿州,072750；2.中南大学地球科学与信息物理学院,湖南长沙,410083)

目前在地震仪器中主要采用以ARM架构为核心的低功耗系统，也有以FPGA为核心的系统。基于本文介绍的SoPC可编程片上系统,是近几年才在这个领域应用。

基于FPGA形式的SOPC系统[1]，虽然技术上没有ARM成熟，但是发展迅速，成功应用的案例很多。其包含了硬件逻辑和软件部分，具有设计灵活的特点。其内部嵌入了CPU软核（或硬核），集成度高、功耗低，因此很多功能可以通过C程序等软件来实现，而不必都采用硬件逻辑实现。因此在系统复杂情况下可大大节省资源，一方面利于性能的提高，另一方面由于是基于FPGA，其实现上比较灵活，可根据需要反复修改，提高了研发效率。本设计中的核心技术如数据传输以及采集控制等，就得益于其不可替代的优点。

在本设计中，采用了Altera公司Cyclone II 2C35芯片，其为百万门的FPGA，应用于野外站体的主控芯片设计，包括采集站（DAU）、电源站（PMU）以及交叉站(LMU)部分，由于其主控系统部分的相似性，这里只对采集站一种做介绍。

1 SoPC在地震数据采集中的硬件设计方案

采集站总体结构图如图1所示。

上述采集站结构图中的基于FPGA的SoPC系统的设计的方案如图2所示。

由图2可知，系统各部分通过avlaon总线与CPU以及各模块之间进行通信，avalon为Altera公司自定义的总线规范[2]，与其他总线规范如 wishbone、AMBA一样具有通用性。正是基于此，使得各种IP核可以重复利用和移植。

1.1 最小系统

CPU选择其免费提供的软核Nios II，为32 bit标准型（Altera公司的软件也提供多CPU支持，且类型可根据需要来定制，这里采用的是单个CPU形式），其性能相当于ARM构架的CPU。

Flash接口采用QuartusII软件提供的控制接口，Flash为16 MB。对于SRAM接口，由于软件没有提供相应的IP code,所以需要定制接口,后面会有相应的讨论,其大小为 4 MB。

1.2 采集接口

为了控制和处理采集来的数据，需要采集接口完成采集芯片和CPU之间的通信，采集接口在数据流中的位置如图3所示。

图3 采集接口的系统位置

地震数据采集时要进行参数设置，如采样率、增益、滤波系数、采集长度等，都需要由主机系统下发到采集站，然后由采集站的CPU通过采集接口对采集芯片进行设置，以完成采集前的施工参数设置。

1.3 RS485传输及控制部分

数据传输部分为野外站体系统设计中的核心部分，其主要任务为完成地震数据的完整性传输，采用点对点方式，图4为其2个传输节点间的连接图。

图4 两节点传输结构图

根据需要,在FPGA中设计了物理层的数据时钟恢复模块，用于信道平衡的编码，以及RS纠错检错模块，通过这些技术，以及通道的预加重和均衡电路，可以让采集的数据以极低的误码率传输到主机处理系统。本设计通过这些技术上的处理,使传输距离为220 m，单通道可以传输 20 MHz的速度,而实测误码率优于10-9指标。

1.4 串口模块

串口模块用于与电源管理芯片之间的通信，以使下行命令可以让CPU控制电源部分电路便于执行；另外一个用处为方便调试测试用，在研发阶段有很大的用处。

1.5 其他接口

这里主要指的是自定制的接口模块，由于软件提供的IP核的有限性，需要自定制一些接口，以满足设计要求，如SRAM接口、I2C接口及与外部数据流交互的接口等。这些接口需要做两方面的工作：一方面是需要自己用硬件描述语言以产生硬件逻辑模块部分，此部分模块的接口信号一端为与Avalon总线规范一致的信号，另一端为与外部交互的信号，中间根据需要可以设置必要的寄存器以及控制信号，以便用于底层驱动的编写。

Avalon交互式总线是由Altera开发的一种专用的内部连线技术，Avalon交互式总线由SoPC Builder自动生成，是一种理想的用于系统处理器和外设之间的内联总线，其定义的内联线策略使得任何一个Avalon总线上的主外设都可以与任何一个从外设沟通。Avalon接口定义Avalon外设与Avalon交互结构之间的连接，是一个灵活的接口，可以只使用系统所需的几个信号进行数据传输[3]。Avalon总线为用户提供了非常友好的接口,使系统搭建过程中的一些细节问题得到屏蔽，大大减轻系统搭建的工作量。此外，Avalon总线的“从外设仲裁”机制，消除了带宽瓶颈，实现了超大系统吞吐量。

另一方面的工作就是为此接口编写底层驱动函数，以便让上层应用软件调用,与一般CPU的底层驱动编码原理一致。

2 地震采集系统的软件设计

本设计为基于NiosII的SoPC，在其嵌入的32位CPU内可运行站体的控制软件，包括命令接收处理、对采集数据的控制，以及对上传和转发的数据的控制等。

系统采用前台/后台系统形式，无操作系统，单线程[4]。它以及时的方式处理异步事件的ISR组成的前台；而使用所有剩余的CPU周期来执行时间上不太关键的动作的一个无限循环，即后台。图5为其主程序流程图。

其中命令采用中断触发方式。即每个命令到来时会给CPU一个中断，CPU能及时地响应，然后进行命令解析和执行。空闲时进入一个无限循环状态。

3 测试结果

系统进行以下两方面的测试[5]：

(1)数据传输的稳定性和可靠性，包括数据通道和命令通道；

图5 主控软件流程图

(2)站体主控软件对每项命令功能的响应以及完成情况。

测试结果表明，各项指标达到了预期要求。

以上为室内环境测试，此外还要进行野外实际工作试验。一般来说，地震数据采集时，不论是何种仪器，如sercel 408、系统4等地震仪器，在野外工作时一般布置为三维或二维的排列。对此，在系统集成后，以此对新型地震仪器进行了野外大道数试验，其三维实验布局如图6所示。

试验地为中石油东方地球物理公司华北经理部管辖区内的雄县，选择的地震队为2 311队，共布设了两种测试排列，即三维和二维排列（三维实际测试时布设了5条测线），震源分别选择了炸药和可控震源两种。一共顺利采集了1 400多炮；同时与国外的ARIES仪器进行现场采集，以便试验后对采集回来的数据进行效果对比。

后经处理中心和采集技术支持两部门的分析和处理，一致认为新型地震仪器与ARIES仪器对测区采集的数据基本一致，对处理后的测区剖面图表现一致，甚至在某些细节方面表现更好，而在其他方面则各有自己的特点。