宋 杰，陳儒軍，＊，仇潔婷，申瑞杰，何 馨

（1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長沙 410083；2.湖南強(qiáng)軍科技有限公司，長沙 410082）

SONG Jie1，CHEN Ru－jun1，2＊，QIU Jie－ting2，SHEN Rui－jie2，HE Xin1

（1.School of Geosciences and Info－Physics，Central South University，Changsha 410083，China；2.Champion Geophysical Technology Ltd，Changsha 410082，China）

分布式電法采集站控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

宋 杰1，陳儒軍1，2＊，仇潔婷2，申瑞杰2，何 馨1

（1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長沙 410083；2.湖南強(qiáng)軍科技有限公司，長沙 410082）

針對分布式電法勘探的特點，提出了一種以新一代高性能低功耗的ARM處理器AT91SAM9G45為核心的分布式電法采集站控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，系統(tǒng)包括128MB的DDR2 SDRAM內(nèi)存系統(tǒng)、256MB Nand Flash存儲塊以及CF Card接口，同時支持ZigBee模塊、WiFi模塊和藍(lán)牙模塊用于無線控制和數(shù)據(jù)傳輸。通過移植內(nèi)核和驅(qū)動程序，并由SSC接口成功地接收到來自DSP的采集數(shù)據(jù)，進(jìn)而驗證控制系統(tǒng)功能的可信性，從而為分布式電法采集站的控制系統(tǒng)，提供了一種可行的設(shè)計方案。

分布式采集；電法勘探；AT91SAM9G45；控制系統(tǒng)

0 引言

分布式采集和集中式采集是數(shù)據(jù)采集中兩種常用的方式，對比集中式采集，分布式采集擁有更小的子系統(tǒng)規(guī)模和更智能的控制核心，使得每個采集單元都能控制各自的目標(biāo)和運行方式，相互協(xié)作，共同完成某項數(shù)據(jù)采集任務(wù)，從而提升采集系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性［1］。

陳儒軍研究團(tuán)隊在電法和電磁法儀器中設(shè)計與應(yīng)用了基于AT91RM9200嵌入式控制系統(tǒng)?；谏鲜銮度胧较到y(tǒng)為核心的分布式頻譜激電儀已被批量應(yīng)用于野外生產(chǎn)之中，并已取得良好工作效果［2－4］?？紤]到AT91RM9200的出產(chǎn)年代較早，并且其性能、功耗和成本都不及同水平的新一代產(chǎn)品，為此作者以新一代的ARM處理器AT91SAM9G45為核心，配合低功耗的存儲器設(shè)計了新一代的分布式電法采集站控制系統(tǒng)。

1 分布式電法采集的特點

對比傳統(tǒng)的單臺電法儀器，分布式采集的主要特點有：

1）較高的通道容量。分布式采集一次能夠同時布置多個采集站點，每個采集站點能夠包含多個接收通道，一次布設(shè)就能完成整條測線的測量工作，從而達(dá)到減少勘探成本，提高勘探效率的目的。

2）多收發(fā)組合形式。分布式采集的各采集通道之間能夠根據(jù)收發(fā)距的不同自由組合成不同的接收形式，通過一次測量數(shù)據(jù)便能組合得到不同深度的地質(zhì)體信息，適合中深部找礦［5］。

3）多種勘測方法相互結(jié)合。分布式電法采集站都兼具直流電法勘探、激電勘探、接地電阻測量和大地電流測量等多種功能，通過多種方法相結(jié)合能夠獲取更多更全面的信息，有利于反演解釋和成圖成像。

4）采集站嚴(yán)格同步采集。通過GPS授時同步校準(zhǔn)恒溫晶振，能夠保證每個采集站點都能嚴(yán)格同步開始采集，壓制隨機(jī)干擾，減少信號失真，同時經(jīng)同步采集的數(shù)據(jù)能夠使用多次疊加的方法突出有用信號，削弱環(huán)境噪聲，提高信噪比，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量［6－7］。

5）無線技術(shù)的使用。將WiFi、藍(lán)牙、ZigBee等無線技術(shù)運用于分布式采集中的控制和數(shù)據(jù)傳輸，能夠減小因地形地勢的復(fù)雜給布局布線帶來的困難，提高野外施工的便利性［8］。

分布式電法采集站的野外布置如圖1所示，采集站通過與五個不極化電極相連來測量四通道的電場信號。同時相鄰的兩個采集站之間首尾相連共用一個電極以保證測量數(shù)據(jù)能覆蓋整條測線。上位機(jī)控制系統(tǒng)通過ZigBee無線技術(shù)與采集站進(jìn)行通訊，以設(shè)置啟動采集時間、放大增益參數(shù)、裝置參數(shù)等信息，待所有的采集站完成GPS同步之后，達(dá)到預(yù)先設(shè)定的啟動采集時間時，所有的采集站便會嚴(yán)格同步觸發(fā)開始采集。采集完成之后通過ZigBee將采集數(shù)據(jù)回傳給上位機(jī)。

圖1 分布式電法采集站野外布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of destributed electrical collection in the field

2 系統(tǒng)總體方案及硬件設(shè)計

地球物理勘探儀器的設(shè)計，需要用到傳感器技術(shù)、電子計算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸和通訊技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)。在控制系統(tǒng)的設(shè)計上以EH4、MTU－5A、V8、GPD32等為代表的知名電法儀器均采用了x86構(gòu)架處理器＋MS－DOS／Windows操作系統(tǒng)的控制模式［9］。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，ARM已成為業(yè)界領(lǐng)先的16／32位嵌入式RISC處理器技術(shù)提供商，并結(jié)合開源的Linux操作系統(tǒng)，能為高性能、低成本、低功耗的工業(yè)控制領(lǐng)域提供良好的解決方案，也為本文的高性能電法儀器控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了設(shè)計思路。

2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

控制系統(tǒng)的功能模塊框圖如圖2所示。考慮到地球物理野外采集所處的復(fù)雜條件以及長時間的數(shù)據(jù)采集要求，這里以嵌入式低功耗ARM處理器為核心，通過豐富的外設(shè)擴(kuò)展，使得采集站能夠支持ZigBee無線控制和數(shù)據(jù)傳輸、GPS高精度同步采集、BlueTooth藍(lán)牙近距離讀取采集站、工作站狀態(tài)以及溫度、濕度傳感器對外界環(huán)境的實時監(jiān)控；同時Nand Flash加CF卡的存儲體系結(jié)構(gòu)也能滿足長時間采集數(shù)據(jù)存儲的要求。

控制系統(tǒng)的核心采用ATMEL的新一代低功耗處理器AT91SAM9G45，該芯片擁有1V的核心工作電壓以及400MHz的工作主頻，能夠滿足電法儀器對功耗和性能的要求，能提供USART、TWI、SPI、SSC、USB等多種外設(shè)接口，為提高儀器的智能化程度、完善采集站的功能，提供了強(qiáng)有力的保障。

圖2 系統(tǒng)功能模塊框圖Fig.2 Diagram of the system function module

2.2 存儲系統(tǒng)的設(shè)計

存儲系統(tǒng)用來保存和執(zhí)行操作系統(tǒng)內(nèi)核、可執(zhí)行代碼及運算數(shù)據(jù)，是分布式電法控制系統(tǒng)中最重要的部分，其直接關(guān)系到控制系統(tǒng)的性能。設(shè)計中采用兩片的8位寬DDR2SDRAM來組成系統(tǒng)16位寬的“運行內(nèi)存”，以Nand Flash作“硬盤”存儲操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，以Data Flash來保存內(nèi)核鏡像，用于系統(tǒng)崩潰時恢復(fù)系統(tǒng)，同時CF卡可作外接存儲體，擴(kuò)展控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲能力。

DDR2SDRAM是第二代雙倍數(shù)據(jù)速率同步動態(tài)隨機(jī)存儲器的簡稱，相比前代產(chǎn)品具有更高的運行效能和更低的工作電壓。DDR2SDRAM電路示意圖如圖3所示，系統(tǒng)采用MICRON公司的MT47H64M8系列內(nèi)存顆粒，該芯片在1.8V的電壓下工作，3.0ns的讀寫周期，能夠滿足主芯片對內(nèi)存高速讀寫的要求。兩片8位寬64MB的DDR2 SDRAM組成控制系統(tǒng)的16位寬的內(nèi)存系統(tǒng)，通過與ARM外部總線接口EBI0直接相連，兩芯片共用相同的地址總線，通過讀寫控制信號選擇具體操作的芯片，為內(nèi)核和程序的運行提供足夠的內(nèi)存空間。

圖3 DDR2SDRAM電路示意圖ig.3 Circuit diagram of DDR2SDRAM

Nand Flash是一種容量大、改寫數(shù)度快的非易失性存儲器，已取代EPROM、EERPOM被廣泛用于嵌入式產(chǎn)品的設(shè)計，同時由于Nand Flash的數(shù)據(jù)、地址和命令由統(tǒng)一的8位或16位I／O口傳送，使得芯片的引腳數(shù)量固定，無需電路的改動就能進(jìn)行容量的擴(kuò)展。Nand Flash電路示意圖如圖4所示，系統(tǒng)采用了一片256MB的鎂光存儲芯片MT29F2G08用來做啟動代碼的優(yōu)先尋址對象存放uboot、內(nèi)核、文件系統(tǒng)等文件，同時，作為控制系統(tǒng)的“硬盤”，應(yīng)用程序和采集數(shù)據(jù)也被存儲在Nand Flash中。

圖4 Nand Flash電路示意圖Fig.4 Circuit diagram of Nand Flash

2.3 GPS同步模塊設(shè)計

對于分布式采集而言，由于各采集站內(nèi)部的晶振頻率有誤差，所以各臺裝置的采樣難以實現(xiàn)嚴(yán)格同步。GPS全球定位系統(tǒng)能夠提供誤差在1μs以內(nèi)的高精度時鐘，因此將GPS作為各采集站的共同時間基準(zhǔn)，可實現(xiàn)各采集站的高準(zhǔn)確度同步。

將恒溫晶振分頻后所得的100kHz的信號與GPS輸出的秒脈沖進(jìn)行對比同步，保證振蕩器輸出的脈沖信號的前沿與GPS時間同步，同時通過時間測量模塊測量二者之間的時間間隔，即能得到恒溫晶振輸出頻率相對于GPS秒脈沖的頻率偏差，最后將結(jié)果作為D／A轉(zhuǎn)換模塊的輸入得到恒溫晶振控制電壓的修正值。即便在GPS因野外施工環(huán)境、天氣等因素而中斷時，恒溫晶振也能在一定時間內(nèi)提供高精度的同步時鐘信號［10－11］。

GPS同步示意圖見圖5?？刂葡到y(tǒng)通過UART口獲取GPS模塊的串碼數(shù)據(jù)，通過串碼數(shù)據(jù)得到GPS的時間信息以及同步狀態(tài)，待GPS鎖定之后，即可設(shè)置啟動采集的時間，當(dāng)采集時刻到來之時，由GPS的秒脈沖觸發(fā)采集，如此便能保證各采集站的嚴(yán)格同步采集。

圖5 GPS同步模塊示意圖Fig.5 Schematic diagram of GPS synchronization module

2.4 無線通訊模塊接口設(shè)計

在野外的勘探中，使用無線代替有線是解決線纜笨重、復(fù)雜地形布線困難、提高施工效率的有效途徑。根據(jù)各種無線通訊技術(shù)的傳輸速度、傳輸距離、功耗以及開發(fā)成本的不同，系統(tǒng)設(shè)計了ZigBee模塊、WiFi模塊和藍(lán)牙模塊這三種無線通信形式。

1）ZigBee是一種新型的無線通訊技術(shù)，適用于短距離、低功耗、低速率的傳輸場合，工作在2.4GHz的ISM頻段上，傳輸距離可達(dá)數(shù)公里，已被廣泛運用于無線測控、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。系統(tǒng)通過USART1口與MaxStream公司的ZigBee收發(fā)器模塊直接相連，并使用ZigBee收發(fā)器所提供的I／O口完成控制系統(tǒng)的上電和斷電操作。在野外施工中其主要負(fù)責(zé)采集過程中的控制命令的傳輸以及采集數(shù)據(jù)的回傳和數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控。

2）WiFi是在有線局域網(wǎng)的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，工作在2.4GHz的ISM頻段和5GHz的非許可證頻段上，最大傳輸速率能達(dá)到2Mbit／s，具有開發(fā)成本低、信號強(qiáng)度高、傳輸速率快等特點。系統(tǒng)通過USB接口與150M的無線網(wǎng)卡相連，考慮到其功耗較高，因此主要用于室內(nèi)程序的升級和采集數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。

3）藍(lán)牙技術(shù)是一種用于短距離通信的無線電技術(shù)，通常用作代替線纜，解決設(shè)備之間“最后10m”的連接問題［12］。系統(tǒng)采用德州儀器的CC2540來作為藍(lán)牙的集成芯片，該芯片使用的是C8051控制內(nèi)核，通過UART口實現(xiàn)與ARM芯片的通訊，同時能提供多達(dá)21路GPIO口，作為控制信號使用。藍(lán)牙模塊主要用于近距離通過手持設(shè)備（如智能手機(jī)、PDA等）監(jiān)控采集站狀態(tài)，排除故障，保障采集站正常工作。

2.5 采集卡接口設(shè)計

高精度的數(shù)據(jù)采集卡也是分布式電法采集站的一個重要組成部分，因此控制系統(tǒng)也必須提供相應(yīng)的接口來完成對采集卡的控制［13－14］，這主要包括：①通過UART口讀取GPS模塊的時間、坐標(biāo)信息，同步各采集站的時間并為采集站提供高精度的秒脈沖和開始采集的觸發(fā)信號；②通過SPI口完成對抽取濾波芯片CS5376A的放大倍數(shù)、采樣頻率、濾波器啟?？刂坪驮鲆嫘?zhǔn)參數(shù)的寫入和讀取；③通過帶時鐘的USART接口完成DSP程序的上傳和DSP控制命令的寫入，控制DSP的工作狀態(tài)；④通過SSC同步串行控制器來讀取DSP的采集數(shù)據(jù)等。

3 測試程序設(shè)計及系統(tǒng)測試

嵌入式操作系統(tǒng)及驅(qū)動程序的移植，是控制系統(tǒng)開發(fā)的一個重要組成部分。其中uboot、內(nèi)核及根文件系統(tǒng)的編譯調(diào)試都必須在交叉開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行，本系統(tǒng)的開發(fā)所使用的編譯環(huán)境為arm－linuxgcc－4.2.0，uboot為1.3.4版，內(nèi)核為2.6.30版。

控制系統(tǒng)的整體視圖見圖6，與GPS模塊、采集卡等通訊時所需要使用的USART、SPI口的驅(qū)動程序，都可以由2.6.30內(nèi)核中所自帶的驅(qū)動程序直接支持，與DSP芯片通信以獲取采集數(shù)據(jù)的SSC同步串行控制器的驅(qū)動程序設(shè)計，是在AT91系列芯片基于IIS的音頻驅(qū)動程序的基礎(chǔ)之上修改得來的，通過開啟外設(shè)DMA控制器PDC的方式來實現(xiàn)DSP數(shù)據(jù)的高速傳輸。

圖6 控制系統(tǒng)整體視圖Fig.6 The overall view of control system

能否通過SSC口接收到來自DSP的采集數(shù)據(jù)，是控制系統(tǒng)設(shè)計中的核心問題。作者先通過USART2口以57600的波特率上傳DSP采集程序，然后通過SPI1口配置A／D的放大倍數(shù)、采樣率等參數(shù)，最后通過USART1配置DSP的工作狀態(tài)，將由DSP處理的數(shù)據(jù)由SSC同步串口輸出。由SSC口所讀取到的DSP二進(jìn)制采集數(shù)據(jù)如圖7所示。

為了近一步測試控制系統(tǒng)的性能，這里將控制系統(tǒng)與GPS同步模塊、四通道激電采集卡相連，組成簡易的激電數(shù)據(jù)采集站，同時利用湖南強(qiáng)軍科技有限公司開發(fā)的激電采集站桌面控制中心來對系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合測試。測試程序的工作流程如圖8所示。

激電采集控制中心在向系統(tǒng)發(fā)送上電啟動的命令之后，控制系統(tǒng)便會進(jìn)行一系列的硬件初始化工作并加載Linux操作系統(tǒng)，待系統(tǒng)啟動完成之后便會自動開始DSP程序上傳，此時采集站的采集環(huán)境也就準(zhǔn)備好了。在四通道數(shù)據(jù)采集卡的第一和第四通道通過取樣電阻供以1Hz、500mV的正弦波信號，將第二和第三通道短接以測試白噪聲；同時通過控制中心設(shè)置系統(tǒng)的采樣率為64Hz，放大倍數(shù)為“1”，待GPS的同步觸發(fā)信號到來之后系統(tǒng)便開始數(shù)據(jù)采集，采集結(jié)果如圖9所示。

圖7 通過SSC讀取DSP采集數(shù)據(jù)Fig.7 Reading DSP data from the SSC

圖8 測試程序工作流程Fig.8 The flow chart of the test program

由圖9可知，第一通道與第四通道都采集到了正弦波信號，第二通道與第三通道由于短接只能測到均方差為“0”的白噪聲波形，與實際的測試條件相符。自控制系統(tǒng)上電啟動之后，到正確接收控制中心的采集參數(shù)并根據(jù)采集參數(shù)來設(shè)置采集卡的工作方式，再到后來接收到來自DSP的采集數(shù)據(jù)后回傳至控制中心以顯示采集波形，控制系統(tǒng)在整個過程中都能很好的協(xié)調(diào)各任務(wù)的調(diào)度并根據(jù)所接收到的指令做出正確的操作，真正發(fā)揮了控制系統(tǒng)作為采集站“大腦”的作用。

4 結(jié)束語

分布式采集擁有靈活的裝置組合形式、嚴(yán)格同步觸發(fā)采集以及無線智能控制方式，已經(jīng)越來越多地被運用于電法勘探。作者以高性能低功耗處理器AT91SAM9G45為核心，設(shè)計并實現(xiàn)了分布式電法采集站的控制系統(tǒng)，使得系統(tǒng)能夠支持ZigBee、WiFi和藍(lán)牙三種無線傳輸形式，同時通過測試程序來完成對采集卡的控制，最后由SSC口成功接收到DSP的采集數(shù)據(jù)，從而驗證了控制系統(tǒng)功能的正確性。

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Design and implementation of control system for distributed data acquisition in electrical method

According to the characteristics of the distributed electrical prospecting，a solution of control system design is proposed based on high－performance low－power ARM9chip AT91SAM9G45in distributed electrical method in this paper.The system consists of 128MB of DDR2SDRAM memory system，256MB Nand Flash storage blocks，CF Card interface，and support the ZigBee module，WiFi module and Bluetooth module for wireless control and data transmission.By porting the kernel and drivers，successfully received the data from DSP by SSC interface so that it can verify the credibility of the control system，thereby provides a feasible designing scheme for control system in distributed acquisition system.

distributed acquisition；electrical prospecting；AT91SAM9G45；control system

圖9 激電控制中心的測試結(jié)果Fig.9 The test results of IP control center

SONG Jie1，CHEN Ru－jun1，2＊，QIU Jie－ting2，SHEN Rui－jie2，HE Xin1

（1.School of Geosciences and Info－Physics，Central South University，Changsha 410083，China；2.Champion Geophysical Technology Ltd，Changsha 410082，China）

P 631.3

：A

10.3969／j.issn.1001－1749.2015.06.05

1001－1749（2015）06－0699－06

2014－12－02改回日期：2015－04－10

中央地質(zhì)勘查基金（12120113095200）

宋杰（1990－），碩士，主要研究方向為地球物理儀器，E－mail：sjcsu＠sina.com。

＊通信作者：陳儒軍（1973－），男（土家族），副教授，從事地球物理儀器與信號處理研究，E－mail：chrujun12358＠gmail.com。