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系统数据波形基于ARM和FPGA的便携人工地震数据采集系统设计

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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。

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。

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