近年來，隨著可編程邏輯器件（CPLD/FPGA）的迅猛發展，可編程邏輯器件在數據采集、邏輯接口設計、電平接口轉換和高性能數字信號處理等領域取得越來越廣泛的應用。CPLD/FPGAD不僅可以解決電子系統小型化、低功耗、高可靠性等問題，而且開發周期短、投入少，同時不斷下降的芯片價格極大推動了CPLD/FPGA器件在廣泛應用領域的使用。本文介紹一種ARM微處理器+FPGA的硬件設計，融合嵌入式Linux技術，實現一種小型化、移動性強、網絡耦合度高的便攜式人工地震數據采集系統。該系統以滿足人工地震觀測的需要、減小儀器尺寸和重量、降低功耗、降低野外工作強度和提高數據采集工作效率為目標。
1 系統硬件設計
    采集系統由CPU核心板、A/D數據采集板和電源板組成，系統原理如圖1所示。CPU板以Atmel  AT91SAM9G20微處理器為核心，通過總線和GPIO分別與64 MB SDRAM、16 MB Norflas和FPGA A3P250接口。板上大容量CF卡安裝有FAT文件系統，用于地震波形數據的本地存儲。網絡接口提供遠程登錄、數據傳輸及系統控制功能，包括實時數據流傳輸。LCD屏顯示系統工作參數，如溫度、經緯度、高程、系統網絡IP地址等信息。串口用于輸出調試信息，也被SAM-BA軟件用來下載燒寫引導加載程序U-boot和嵌入式Linux操作系統內核映像文件。A/D采集板上有三路模數轉換數據采集通道，標定信號發生器和檢波器控制信號調理電路。高效的電源轉換電路是實現系統低功耗的基礎。電源板主要提供CPU等數字電路+3.3 V/+1.8 V電源，地震計反饋電路供電±12 V、±4 V，參考電壓±2.5 V，標定電路和檢波器控制電路供電。GPS系統提供時間服務和地理位置信息。

    AT91SAM9G20是Atmel公司推出的一款基于ARM926EJ-S核的低功耗SoC。ARM核工作頻率高達400 MHz，具有DSP指令擴展，支持Java硬件加速，具備全功能的MMU。內部集成2個容量為16 KB的高速SRAM，具有豐富的片上I/O設備，包括以太網MAC、USB主機和設備接口、通用同/異步發送接收器USART、SPI接口、同步串行接口SSC、多媒體存儲接口等。電源管理控制器(PMC)提供了CPU動態調頻的硬件支持。
1.1 FPGA邏輯設計
    FPGA芯片的功能主要包括：(1)采集三個通道的A/D數據。當三路數據準備就緒，nDRDY1、nDRDY2、nDRDY3信號全部拉低，啟動由FPGA實現的SPI數據傳輸狀態機，地震波形數據被緩沖到FPGA內部的16 bit寬的FIFO_2k_ADC_DATA中。當FIFO_2k_ADC_DATA中數據達到一個閾值時，向ARM微處理器觸發AD_INT中斷。在中斷處理程序ad_irq_rx()中，通過系統數據總線把FIFO中數據轉移到內存緩沖區ad_data_buff[]中。之后，調用schedule_work(&tasklet)把諸如數字信號濾波等耗時任務放到中斷下半部中進行處理。(2)根據標定數據文件，控制DAC生成模擬標定波形輸出。標定波形類型有正弦波、方波等。(3)檢波器控制電路驅動地震計調零電機動作。(4)IRIG讀碼。生成IRIG-B數據幀，通過PPS_interrupt觸發CPU中斷，pps_irq_handle()中斷處理程序負責把IRIG碼存儲到內存變量irig_frame中，等待解碼以提取時間、經緯度、高程等信息。下面是spi實體的Top-level行為級VHDL語言描述。
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，
使用復位信號同步數據采集信號
            DOUT1    ：in STD_LOGIC；
            SCLK1    ：out STD_LOGIC；--第一通道的
ADS1281模數轉換器的SPI時鐘
            nDRDY1，nDRDY2，nDRDY3：in STD_LOGIC;
--ADS1281數據就緒等待采集信號
            spi_clk    ：out STD_LOGIC；--擴展SPI時鐘
            spi_mosi    ：out STD_LOGIC；--擴展SPI主機
發送從機接收數據信號線
            spi_cs1    ：out  STD_LOGIC；--擴展SPI片選
信號
            EINT1，EINT2：out STD_LOGIC；--FIFO半滿數
據采集中斷信號AD_INT，
和DAC數據請求中斷信號INT
            ENABLE1，A2，A3，A4，A5：in STD_LOGIC；
            DATA：inout STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0)；
--ARM處理器數據總線
            led_drv：out STD_LOGIC；--LED狀態指示
            PPS_interrupt：out  STD_LOGIC；--1 Hz，
GPS秒脈沖
            nRESET：in STD_LOGIC；
            GPS_IRIGL：in STD_LOGIC；--IRIG碼讀寫
            nRD：in STD_LOGIC；--ARM讀
            nWR：in STD_LOGIC；--ARM寫
            nCS：in STD_LOGIC)；--ARM片選
END spi；
1.2 A/D數據采集通道
    A/D轉換器采用TI公司的ADS1281。該A/D轉換器具有高分辨率、高精度特性，內置4階穩定的ΔΣ調制器，可配置SINC、FIR和IIR濾波器，數據率250 S/s～4 KS/s，特別適合地震數據觀測環境。在本設計中，模擬地動波形信號經差分放大后輸入到AD1281的AINP和AINN端。SCLK由FPGA分頻產生的1.024 MHz的時鐘驅動，用于串行輸出A/D數據到FPGA FIFO。當A/D完成數據轉化后，CH1_DRDY拉低向FPGA表示數據準備就緒，等待讀取。CH1_ DOUT連接至FPGA的DOUT1端口，用于數據到FPGA FIFO的串行傳輸。AD_CLK由4.096 MHz時鐘驅動，是A/D的工作時鐘。A/D轉換原理電路如圖2所示。

2 系統軟件設計概要
    Linux因其源代碼開放性特點，成為嵌入式系統中應用最為廣泛的操作系統之一。本系統采用嵌入式操作系統Linux-2.6.30內核，交叉編譯工具使用arm-none-linux-gnueabi-gcc，底層硬件驅動和數字信號FIR/IIR濾波程序使用C語言，部分代碼使用嵌入式匯編語言，上層應用程序開發則使用C、C++。本系統的軟件設計主要任務包括操作系統的移植、驅動程序開發(包括數據采集驅動、系統控制及標定驅動程序等模塊)以及嵌入式應用軟件和上位PC機應用軟件開發。
2.1 嵌入式操作系統Linux-2.6.30的裁剪
    下載解壓縮內核源文件。修改頂層目錄下的Makefile文件，設定目標硬件ARCH=arm，指定交叉編譯環境路徑CROSS_COMPILE=/usr/locaL/arm-2007q1/bin/arm-none-linux- gnueabi-。使用圖形界面或文本行界面進行內核配置，根據硬件電路和軟件系統功能對內核模塊進行剪裁，完成操作系統鏡像的定制、編譯與調試，并在此環境上進行應用軟件和驅動程序的開發。在ARM中植入嵌入式linux平臺，首先根據目標設備的硬件配置及需要，對linux-2.6.30內核進行基本定制，開發并安裝驅動程序，增加CPU動態調頻特性，生成鏡像文件。JTAG將U-boot寫入Flash后，通過網卡將鏡像文件下載到目標設備中進行調試，最終把U-boot、linux-2.6.30內核及文件系統映像文件等燒寫入Flash存儲器。
2.2 A/D數據采集驅動
    設備驅動程序是操作系統內核與硬件之間的接口，屬于內核的一部分。根據功能劃分，設備驅動程序代碼有以下幾個部分：(1)驅動程序的注冊與注銷；(2)設備的打開與釋放；(3)設備的讀／寫操作；(4)設備的控制操作；(5)數據采集中斷處理程序和PPS_INTERRUPT中斷處理程序。AD驅動程序最終實現一個字符設備驅動，為了使該驅動程序能夠被上層的應用程序方便地調用，需要實現以下的接口函數：
    (1)open調用：打開數據采集通道，需要注意的是open調用不應該自動啟動AD采樣，而應該由ioctl調用提供顯式的控制接口。
    (2)read調用：讀取采樣數據，阻塞式讀取，以字節數返回讀取到的數據量。
    (3)release調用：關閉數據采集通道，釋放系統資源。
    (4)ioctl調用：提供以下一些設置命令。DS—ADC—START：啟動AD采樣，每次開始都會清空上次未讀走的數據。DS—ADC—ST0P：停止AD采樣。DS—ADC—SET—SAMPIE_RATE：設定采樣率。DS—AdC—GET—COUNT：獲取內存環行緩沖區中已存儲的采樣數據。
2.3 應用軟件設計
    應用軟件包括嵌入式應用軟件和PC機應用軟件。嵌入式應用軟件運行在采集器ARM處理器上，具體實現為一個命令解析服務器，通過Socket接口連接到上位PC機，并接收PC機端發送來的控制命令，執行相應的操作。PC機應用軟件由主線程和數據通信線程組成。主線程為文檔—視圖結構，實現參數查詢與設置操作、實時波形顯示與波形存儲等功能；數據通信線程與硬件通信，接收波形數據。主要功能包括，(1)實時接收、存儲波形數據；(2)實時瀏覽波形；(3)查詢、設置系統工作參數；(4)查詢GPS信息；(5)查詢、設置標定參數、啟動停止標定；(6)查詢、設置觸發參數；(7)設置數據采集器通信參數。
3 動態電源管理
    在本設計中，從微處理器和A/D等芯片的選型到電源系統設計都充分考慮低功耗設計，為了進一步降低系統功耗，設計中引入了CPU動態調頻技術。位于系統內核的負載監控器Load Monitor負責統計核算負載信息，并根據系統負載輕重，驅動電源管理控制器Power Controller對CUP工作頻率和相關設備能效狀態做出調整。該模型對應用層程序完全透明，但應用程序也可通過proc接口顯式調整系統狀態。在開發板的初步實驗中,在測試程序為while死循環情況下，測得系統在三個頻率點上的總功率為169 mA×12 V@400 MHz,133 mA×12 V@
200 MHz，112 mA×12 V@99 MHz，系統存在可觀的降耗空間。值得注意的是，動態調頻對系統穩定性造成很大挑戰，調頻代碼需進一步完善。
    本文主要討論了基于低功耗微處理器AT91SAM9G20和可編程邏輯門陣列器件（FPGA）的地震數據采集系統的硬件設計和嵌入式Linux軟件開發思路。值得一提的是，在系統中引入動態調頻技術，為進一步降低系統動態功耗以至總體功耗做了有益探索。本設計是在對當前地震測量技術發展研究的基礎上，提出的一種功耗低、體積小、野外使用安裝便捷的實現方案，對降低數據采集成本、延長系統有效工作時間、提高野外工作效率有著積極意義。
參考文獻
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