片上可編程系統(tǒng)在地震數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

顏 良 ，羅蘭兵 ，陳儒軍 ，韋 佳

(1.英洛瓦（天津）物探裝備有限責(zé)任公司中國研發(fā)部,河北 涿州,072750；2.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院,湖南 長沙,410083)

目前在地震儀器中主要采用以ARM架構(gòu)為核心的低功耗系統(tǒng)，也有以FPGA為核心的系統(tǒng)。基于本文介紹的SoPC可編程片上系統(tǒng),是近幾年才在這個領(lǐng)域應(yīng)用。

基于FPGA形式的SOPC系統(tǒng)[1]，雖然技術(shù)上沒有ARM成熟，但是發(fā)展迅速，成功應(yīng)用的案例很多。其包含了硬件邏輯和軟件部分，具有設(shè)計靈活的特點。其內(nèi)部嵌入了CPU軟核（或硬核），集成度高、功耗低，因此很多功能可以通過C程序等軟件來實現(xiàn)，而不必都采用硬件邏輯實現(xiàn)。因此在系統(tǒng)復(fù)雜情況下可大大節(jié)省資源，一方面利于性能的提高，另一方面由于是基于FPGA，其實現(xiàn)上比較靈活，可根據(jù)需要反復(fù)修改，提高了研發(fā)效率。本設(shè)計中的核心技術(shù)如數(shù)據(jù)傳輸以及采集控制等，就得益于其不可替代的優(yōu)點。

在本設(shè)計中，采用了Altera公司Cyclone II 2C35芯片，其為百萬門的FPGA，應(yīng)用于野外站體的主控芯片設(shè)計，包括采集站（DAU）、電源站（PMU）以及交叉站(LMU)部分，由于其主控系統(tǒng)部分的相似性，這里只對采集站一種做介紹。

1 SoPC在地震數(shù)據(jù)采集中的硬件設(shè)計方案

采集站總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

上述采集站結(jié)構(gòu)圖中的基于FPGA的SoPC系統(tǒng)的設(shè)計的方案如圖2所示。

由圖2可知，系統(tǒng)各部分通過avlaon總線與CPU以及各模塊之間進行通信，avalon為Altera公司自定義的總線規(guī)范[2]，與其他總線規(guī)范如 wishbone、AMBA一樣具有通用性。正是基于此，使得各種IP核可以重復(fù)利用和移植。

1.1 最小系統(tǒng)

CPU選擇其免費提供的軟核Nios II，為32 bit標(biāo)準(zhǔn)型（Altera公司的軟件也提供多CPU支持，且類型可根據(jù)需要來定制，這里采用的是單個CPU形式），其性能相當(dāng)于ARM構(gòu)架的CPU。

Flash接口采用QuartusII軟件提供的控制接口，F(xiàn)lash為16 MB。對于SRAM接口，由于軟件沒有提供相應(yīng)的IP code,所以需要定制接口,后面會有相應(yīng)的討論,其大小為 4 MB。

1.2 采集接口

為了控制和處理采集來的數(shù)據(jù)，需要采集接口完成采集芯片和CPU之間的通信，采集接口在數(shù)據(jù)流中的位置如圖3所示。

圖3 采集接口的系統(tǒng)位置

地震數(shù)據(jù)采集時要進行參數(shù)設(shè)置，如采樣率、增益、濾波系數(shù)、采集長度等，都需要由主機系統(tǒng)下發(fā)到采集站，然后由采集站的CPU通過采集接口對采集芯片進行設(shè)置，以完成采集前的施工參數(shù)設(shè)置。

1.3 RS485傳輸及控制部分

數(shù)據(jù)傳輸部分為野外站體系統(tǒng)設(shè)計中的核心部分，其主要任務(wù)為完成地震數(shù)據(jù)的完整性傳輸，采用點對點方式，圖4為其2個傳輸節(jié)點間的連接圖。

圖4 兩節(jié)點傳輸結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)需要,在FPGA中設(shè)計了物理層的數(shù)據(jù)時鐘恢復(fù)模塊，用于信道平衡的編碼，以及RS糾錯檢錯模塊，通過這些技術(shù)，以及通道的預(yù)加重和均衡電路，可以讓采集的數(shù)據(jù)以極低的誤碼率傳輸?shù)街鳈C處理系統(tǒng)。本設(shè)計通過這些技術(shù)上的處理,使傳輸距離為220 m，單通道可以傳輸 20 MHz的速度,而實測誤碼率優(yōu)于10-9指標(biāo)。

1.4 串口模塊

串口模塊用于與電源管理芯片之間的通信，以使下行命令可以讓CPU控制電源部分電路便于執(zhí)行；另外一個用處為方便調(diào)試測試用，在研發(fā)階段有很大的用處。

1.5 其他接口

這里主要指的是自定制的接口模塊，由于軟件提供的IP核的有限性，需要自定制一些接口，以滿足設(shè)計要求，如SRAM接口、I2C接口及與外部數(shù)據(jù)流交互的接口等。這些接口需要做兩方面的工作：一方面是需要自己用硬件描述語言以產(chǎn)生硬件邏輯模塊部分，此部分模塊的接口信號一端為與Avalon總線規(guī)范一致的信號，另一端為與外部交互的信號，中間根據(jù)需要可以設(shè)置必要的寄存器以及控制信號，以便用于底層驅(qū)動的編寫。

Avalon交互式總線是由Altera開發(fā)的一種專用的內(nèi)部連線技術(shù)，Avalon交互式總線由SoPC Builder自動生成，是一種理想的用于系統(tǒng)處理器和外設(shè)之間的內(nèi)聯(lián)總線，其定義的內(nèi)聯(lián)線策略使得任何一個Avalon總線上的主外設(shè)都可以與任何一個從外設(shè)溝通。Avalon接口定義Avalon外設(shè)與Avalon交互結(jié)構(gòu)之間的連接，是一個靈活的接口，可以只使用系統(tǒng)所需的幾個信號進行數(shù)據(jù)傳輸[3]。Avalon總線為用戶提供了非常友好的接口,使系統(tǒng)搭建過程中的一些細(xì)節(jié)問題得到屏蔽，大大減輕系統(tǒng)搭建的工作量。此外，Avalon總線的“從外設(shè)仲裁”機制，消除了帶寬瓶頸，實現(xiàn)了超大系統(tǒng)吞吐量。

另一方面的工作就是為此接口編寫底層驅(qū)動函數(shù)，以便讓上層應(yīng)用軟件調(diào)用,與一般CPU的底層驅(qū)動編碼原理一致。

2 地震采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本設(shè)計為基于NiosII的SoPC，在其嵌入的32位CPU內(nèi)可運行站體的控制軟件，包括命令接收處理、對采集數(shù)據(jù)的控制，以及對上傳和轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)的控制等。

系統(tǒng)采用前臺/后臺系統(tǒng)形式，無操作系統(tǒng)，單線程[4]。它以及時的方式處理異步事件的ISR組成的前臺；而使用所有剩余的CPU周期來執(zhí)行時間上不太關(guān)鍵的動作的一個無限循環(huán)，即后臺。圖5為其主程序流程圖。

其中命令采用中斷觸發(fā)方式。即每個命令到來時會給CPU一個中斷，CPU能及時地響應(yīng)，然后進行命令解析和執(zhí)行?？臻e時進入一個無限循環(huán)狀態(tài)。

3 測試結(jié)果

系統(tǒng)進行以下兩方面的測試[5]：

(1)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，包括數(shù)據(jù)通道和命令通道；

圖5 主控軟件流程圖

(2)站體主控軟件對每項命令功能的響應(yīng)以及完成情況。

測試結(jié)果表明，各項指標(biāo)達到了預(yù)期要求。

以上為室內(nèi)環(huán)境測試，此外還要進行野外實際工作試驗。一般來說，地震數(shù)據(jù)采集時，不論是何種儀器，如sercel 408、系統(tǒng)4等地震儀器，在野外工作時一般布置為三維或二維的排列。對此，在系統(tǒng)集成后，以此對新型地震儀器進行了野外大道數(shù)試驗，其三維實驗布局如圖6所示。

試驗地為中石油東方地球物理公司華北經(jīng)理部管轄區(qū)內(nèi)的雄縣，選擇的地震隊為2 311隊，共布設(shè)了兩種測試排列，即三維和二維排列（三維實際測試時布設(shè)了5條測線），震源分別選擇了炸藥和可控震源兩種。一共順利采集了1 400多炮；同時與國外的ARIES儀器進行現(xiàn)場采集，以便試驗后對采集回來的數(shù)據(jù)進行效果對比。

后經(jīng)處理中心和采集技術(shù)支持兩部門的分析和處理，一致認(rèn)為新型地震儀器與ARIES儀器對測區(qū)采集的數(shù)據(jù)基本一致，對處理后的測區(qū)剖面圖表現(xiàn)一致，甚至在某些細(xì)節(jié)方面表現(xiàn)更好，而在其他方面則各有自己的特點。

[1]潘松，黃繼業(yè).SoPC技術(shù)實用教材[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]Altera Corporation.Nios II Software Developer's Handbook,2011.

[3]彭澄廉.挑戰(zhàn)SoC——基于Nios的SoPC設(shè)計與實現(xiàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[4]李蘭英.Nios II嵌入式軟核SoPC設(shè)計原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[5]易碧金,姜耕.地震數(shù)據(jù)采集站原理與測試[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.