基于SOPC的8通道地震数据采集系统设计

孙富津，张林行，曹家铭，杜赫然

（吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室，国家地球物理探测仪器工程技术研究中心，吉林 长春 130061）

基于SOPC的8通道地震数据采集系统设计

孙富津，张林行，曹家铭，杜赫然

（吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室，国家地球物理探测仪器工程技术研究中心，吉林 长春 130061）

针对多通道地震仪在并行数据采集和降低功耗方面所面临的问题，提出基于可编程片上系统（system on a programmable chip，SOPC）的多通道数据并行采集方案。该采集系统包括前端采集电路、以太网通信电路以及FPGA主控制系统，采集电路包括模拟开关、程控放大器、前端调理电路以及A/D、D/A转换器。基于FPGA控制系统开发符合AMBA（advanced microcontroller bus architecture）总线标准的多通道并行采集控制器IP核。通过对采集系统进行测试，证明该采集系统能够稳定可靠运行，可实现并行数据同步采集，有效降低地震仪功耗，整机功耗为2.38W。

可编程片上系统；低功耗；IP核；数据采集

0　引　言

地震勘探是一种常用的地球物理勘探方法，通常需要在多个地点进行数据的同步采集和传输，需要多条测线测量，一次地震勘探所涉及的数据采集范围可达几平方公里或数十平方公里，且工作环境恶劣。对于大型陆上地震勘探系统，功耗是一个重要问题，既直接决定整个勘探系统可连续工作时间，也会影响系统所需采取的供电方式。作为陆上地震勘探系统中数量最多的采集站，其功耗水平决定了整个地震勘探系统的功耗水平。相比于国外先进的地震数据采集系统，如法国Sercel公司的428系列陆上地震数据采集系统，我国国内研发的地震勘探仪器依然存在很大差距，特别是在功耗、体积方面难以满足勘探的需求[1]。以吉林大学自主研制的有线遥测地震仪GEIST438系统为例，基于ARM（AT91RM9200）处理器，结合24位高精度A/D及FPGA可实现8通道地震数据同步采集，整机额定功耗达到4W，因此整套仪器需配备大容量电池，导致野外工作便携性较差。

针对目前地震勘探仪器所面临的功耗问题，本文提出基于SOPC技术实现地震数据的采集。SOPC采用FPGA作为SOC（system on a chip）实现载体，可实现单个硅片的复杂系统设计，内置处理器、存储器、IO接口等系统所需模块[2]。

1　系统总体设计

地震数据采集系统主要完成地震数据的采集、存储和传输。本采集系统主要由模拟滤波网络、模拟开关、信号调理电路、24位A/D转换电路、测试信号发生电路、以太网通信电路以及FPGA主控系统等组成。主控系统基于半导体Microsemi公司低功耗FPGA芯片实现，内置高效运算处理能力的ARM Cortex-M3处理器，配有片内Flash、片内RAM及以太网MAC控制器IP核，同时可在SOPC嵌入式系统中开发同步数据采集模块。整个采集系统工作流程为检波器首先将地面震动信号转换为微弱的电信号，经信号调理电路后送入24位高精度Δ-Σ A/D，FPGA主控系统接收采集来的数据，并进行数据的暂存及打包传输，FPGA主控系统还需驱动系统测试电路产生正弦信号，用于地震仪自检，以及配置前端调理电路增益和完成对A/D的初始化、参数设置、状态控制等。地震数据采集系统总体设计原理图如图1所示。

图1　采集系统结构框图

2　系统硬件结构设计

2.1数据采集模块

模拟信号调理电路包括模拟滤波网络及前置放大电路，模拟滤波网络由输入信号保护电路及RC低通滤波网络组成，前置放大电路由程控放大器、低通滤波电路及运算放大器组成，电路结构如图2所示。输入信号保护电路使用瞬态抑制二极管（TVS），主要为了消除瞬时尖峰脉冲，具有响应时间短、漏电流小、瞬时功率大、体积小等优点。RC低通滤波网络可压制高频共模干扰，RC阻抗匹配。程控放大器选用低噪声可编程增益放大器PGA205，PGA205低频端具有较低的噪声水平以及较高的共模抑制能力，适用于差分输入信号的检测。FPGA主控系统可通过对PGA205两个控制信号端的配置，实现1、2、4、8倍的增益[3-4]。为了进一步缩小带宽，抑制通带外噪声，模拟信号经程控放大器输出后低通滤波，并通过运算放大器AD712进一步放大后传输给A/D转化电路。

图2　模拟信号调理电路结构框图

2.2测试信号发生电路

测试信号发生电路包括24位D/A转换器、低通滤波电路及二阶有源低通滤波电路。D/A采用CIRRUS LOGIC公司生产的24位高精度Δ-Σ数模转换器CS4344，该转换器具有105 dB动态范围，总谐波失真+噪声（TND+N）为-95dB，采样频率可达到192kHz自动检测，体积小，成本低等特点。二阶有源低通滤波电路由RC低通滤波电路和同相比例放大电路组成，输入阻抗高，输出阻抗低。

2.3网络接口模块

本设计网络芯片采用 MICREL公司的KSZ8051MNL，该芯片具有通用处理器接口、1个10/100M PHY，功耗平均值为162 mW，是一款低功耗高性能的网络控制器。该采集系统需配置两个以太网通信接口，两个接口采用相同设计，接口电路原理图如图3所示。

2.4SOPC设计

FPGA硬件设计基于Microsemi公司的SOPC开发软件，Microsemi公司为SOPC设计提供众多的IP核，可直接调用。FPGA芯片采用针对SOC设计的Smartfusion2系列FPGA M2S050，具有低功耗、高可靠性及高安全性，内嵌有166MHz ARM Cortex-M3硬核处理器和1314 Kb的RAM，逻辑资源数达到56340，I/O数多达377个，可以满足本系统的设计需求。

图3　KSZ8051MNL接口电路原理图

2.4.1采集模块控制器IP核设计

为实现多路24位A/D串行数据的读出和缓存，需在SOPC系统中开发带有AMBA总线接口的多道数据并行采集控制IP核，完成对采集电路和系统测试信号发生电路的驱动，数据读出，缓存以及与处理器通信等[5]。IP核控制器采用VHDL硬件描述语言编写，内部共分为7个功能模块：时钟模块、系统控制、系统状态、开关控制、A/D接口、D/A接口、AMBA总线接口。时钟模块负责产生A/D、D/A所需的时钟以及系统时钟（内部FIFO使用）。系统控制模块负责产生A/D、D/A复位信号及FPGA内部中断信号。系统状态模块负责读取A/D、D/A接口模块状态信息，开关控制模块用于生成模拟开关（ADG201)控制信号，决定工作于采集模式还是自检模式。A/D接口模块负责将4路A/D输入的串行信号转成并行信号，并缓存到IP核内部FIFO中。D/A接口模块负责将内部FIFO中的并行数据转换成串行输出给D/A，用于采集系统自检。SOPC系统内部采用ARM公司AMBA标准总线连接，因此IP核模块需开发符合AMBA总线标准的总线接口，实现采集部分、外部存储器、处理器间的数据传输及命令控制。采集控制器内部功能模块组成及其外部接口如图4、图5所示。

图4　采集控制器内部功能模块组成

图5　采集控制器外部接口

2.4.2SOPC系统硬件配置

SOPC系统结构包括：Cortex-M3处理器、采集模块控制器、AMBA总线、以太网MAC、UART、片内SRAM、片外存储控制器（MemCtrl）、中断控制（Interrupt）及定时器（Timer）。在本系统中，Cortex-M3处理器作为实现控制的中央处理器，具有低成本、低功耗等特点。AMBA总线是连接片上处理器和其他IP模块的总线协议，规定了主部件和从部件之间进行连接的端口和通信的时序，以构成片上可编程系统（SOPC）。AMBA总线定义了高级高性能总线AHB和高级外设总线APB，分别用于高性能、高时钟频率的系统模块和低功耗外设模块[6]。按照系统的硬件规划，SOPC系统硬件结构示意图如图6所示。

图6　SOPC系统硬件结构

3　系统软件设计

软件设计主要是利用Microsemi公司提供的SoftConsole IDE开发工具完成，采用uClinux嵌入式操作系统，使用标准的socket接口来实现 TCP/IP操作[7]。软件主要由网络建排、数据采集、网络传输3个任务组成。网络建排由主机以广播方式发起，实现采集站网络接口IP地址的分配，为方便野外施工，两个网络具有相同的功能，施工时可随意排列。数据采集负责将A/D输出数据通过PIO口采集到FPGA内部FIFO中。网络传输任务负责将采集数据发送到上位机[8]。系统软件主函数流程图如图7所示。

图7　系统主函数流程图

4　实验结果及对比

降低采集系统功耗是研究的主要内容及实现目标，在正常工作情况下，对采集系统单通道模拟电路、测试信号发生电路、以太网通信电路、控制系统进行了功耗测试。每个通道由模拟开关、可变增益前置放大器、单端转差分用放大器和ADC组成。测得单通道模拟电路总功耗约为115mW，8个通道总功耗为920mW。主控系统静态功耗约为315mW，动态功耗约为195mW，总功耗为510mW。FPGA外围电路包括片外存储器总功耗约为450mW。整机功耗测试结果如表1所示。

表1　整机功耗测试

表2　国内外同类仪器功耗对比

相比于Sercel公司的428L采集系统，我国国内研发的地震勘探仪器依然存在很大差距，特别是在低功耗方面，与实验室现有GEIST438有线遥测地震仪相比，整机功耗明显降低，满足设计要求，证明采用SOPC技术可有效降低采集系统功耗。表2为本采集系统同国内外同类仪器简要参数对比。

5　结束语

为解决多通道遥测地震仪功耗高、体积大、野外施工不便等问题，本设计基于SOPC嵌入式系统，实现多通道地震数据并行采集和以太网传输，设计了低噪声数据采集和调理电路、采集模块组控制器IP核以及FPGA主控制系统。经过实验验证，本系统相比于传统基于ARM和FPGA实现的采集控制系统，可有效减小仪器体积，降低系统功耗，整机总功耗低于3W，系统稳定性及实时性均满足设计要求，同时具有设计灵活、扩展性好等特点，可方便系统后续完善及升级工作。

[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]黄建宇.高准确度低功耗分布式地震采集站的研制[D].北京：中国地质大学，2014.

[3]王锐，雷金奎.基于软核Nios II的SOPC数据采集系统的设计[J].计算机测量与控制，2008（8）：1199-1201.

[4]马骏，尉广军.基于SOPC的以太网远程数据采集系统设计[J].电子设计工程，2012（4）：69-72.

[5]刘勇，庹先国，李怀良，等.基于SOPC的地震数据并行采集控制器设计[J].自动化与仪表，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]杨锐.SoPC技术在工程地震仪中的应用研究[D].北京：中国地质大学，2012.

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

[10]李怀良.复杂山地多波宽频带地震数据采集关键技术研究[D].成都：成都理工大学，2013.

[11]张林行.基于接力式以太网的可控震源地震勘探数据传输技术研究[D].长春：吉林大学，2007.

（编辑：刘杨）

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

国土资源部公益性行业科研专项经费项目（201311195）

孙富津（1990-），男，黑龙江齐齐哈尔市人，硕士研究生，专业方向为有线遥测地震仪控制系统。

张林行（1977-），男，山东潍坊市人，副教授，硕士研究生导师，博士，主要从事地球物理探测仪器的研究与应用。