Cirrus芯片在礦用地震儀中的應(yīng)用

摘要針對煤礦井下地震儀器的特點(diǎn)，選用Cirrus Logic公司的地震勘探芯片組作為采集系統(tǒng)的核心部件。文中介紹了Cirrus Logic芯片的主要特點(diǎn)、構(gòu)成、工作原理，并將其應(yīng)用于礦用地震儀器中，設(shè)計(jì)了其硬件電路、并編寫了控制軟件，進(jìn)行了試驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的儀器達(dá)到了煤礦井下防爆、微型化、低功耗、高速、高精度和便攜性等要求。
關(guān)鍵詞防爆；地震儀；Cirrus Logic；嵌入式技術(shù)

目前，地面地震勘探儀器發(fā)展迅速，其帶道能力已經(jīng)達(dá)到上萬道甚至10萬道；借助于現(xiàn)代電子、通訊技術(shù)、微電子學(xué)及軟件技術(shù)，基于24位△-∑技術(shù)的地震采集站，其動態(tài)范圍已經(jīng)超過120 dB；采集站和主機(jī)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力強(qiáng)大，成千上萬道的地震數(shù)據(jù)能在放炮激發(fā)后的短暫時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)街鳈C(jī)。使得在地面開展地震勘探工作變得更加高效和便捷。但是，隨著地震儀器的道數(shù)越來越多，電纜的管理和維護(hù)成本增加，專家預(yù)測無纜存儲式地震采集站將是下一步地震勘探儀器的發(fā)展方向。
在地震儀器的設(shè)計(jì)中，研發(fā)人員對于地震信號的采集性能要求越來越高，為能獲得高分辨率的地震信號，要求采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍足夠大，這對地震儀器的采集系統(tǒng)提出了較高的要求。傳統(tǒng)地震儀均采用24位AD芯片，配合放大電路以及數(shù)字濾波電路來實(shí)現(xiàn)采樣電路。隨著集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，Cirrus Logic公司提供的地震勘探系列芯片大幅簡化了地震儀器采集電路的設(shè)計(jì)。
針對以上情況，結(jié)合煤礦井下儀器的特點(diǎn)，本文采用Cirrus Logic公司提供的地球物理測量系列芯片CS3301A、CS5373A和CS5378設(shè)計(jì)了一種高精度、低噪聲、低功耗的礦用防爆地震儀。該儀器徹底擺脫了大線的困擾，實(shí)現(xiàn)了分布式采集、獨(dú)立存儲、集中回收，適用于在煤礦井下開展槽波探測、地震勘探等工作。

1 Cirrus Logic芯片概述
Cirrus Logic公司為地震系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供高精度地震傳感器地震采集、地球物理儀器以及地球物理應(yīng)用解決方案。其地震勘探系列芯片CS3301A、CS5373A、CS5378為地震儀器的設(shè)計(jì)提供了方便，它們具有精度高、噪聲低、配置靈活等特點(diǎn)。CS3301A是一個(gè)適用于檢波器的信號放大器，具有1～64的可編程增益配置、CS5373A具有24位ADC和DAC；CS5378是數(shù)字濾波芯片，具有Sine、FIR、IIR多級濾波器，可根據(jù)要求設(shè)置，采樣率1～4 000 sample·s-1任意可選。
CS5373A上集成了用于地震檢測的24位4級Delta Sigma調(diào)節(jié)器，應(yīng)用于地震檢測的DAC功能，使精巧單通道地震采集節(jié)點(diǎn)應(yīng)用成為可能。C S5373A是Cirrus Logic公司第四代地震產(chǎn)品開發(fā)的新產(chǎn)品。CS5373A與CS3301差分放大器及CS5378數(shù)字放大器共同組成了Cirrus Logic公司的Single—S芯片組。它適用于單傳感器路上及海上地震檢測產(chǎn)品應(yīng)用，占板面積小、低功耗。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用32位ARM芯片、結(jié)合24位A／D、SD卡海量存儲技術(shù)等構(gòu)建嵌入式硬件平臺，利用開源嵌入式Linux操作系統(tǒng)，完成系統(tǒng)功能配置、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)回收等功能。該儀器可實(shí)現(xiàn)單站3通道信號采集，各儀器之間利用GPS信號以及高精度時(shí)鐘芯片實(shí)現(xiàn)時(shí)間的精確同步。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

系統(tǒng)具有以下功能：
(1)電源模塊。實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)中各個(gè)模塊的供電管理，提供數(shù)字3．3 V、5 V，模擬2．5 V，-2．5 V的供電。該部分實(shí)現(xiàn)鎳氫電池到各部分電壓輸出的轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)本安電源。
(2)中央控制單元。本文采用三星S3c2440A核心控制板，該芯片是基于ARM920T核心，嵌入式技術(shù)的32位ARM處理器，其工作頻率高達(dá)400 MHz，處理速度更快、能耗更低。
(3)采集模塊。采用Cirrus Logic公司提供的CS3301A+CS5373A+CS5378組成的單通道采集芯片，構(gòu)成三通道采集模塊，可實(shí)現(xiàn)三分量地震信號的采集功能。系統(tǒng)最高采樣率達(dá)4 000 sample·s-1。
(4)對時(shí)模塊。采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，利用GPS授時(shí)器可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的準(zhǔn)確對時(shí)。另外系統(tǒng)利用中央控制單元進(jìn)行儀器的工作時(shí)間調(diào)度。
(5)存儲模塊。系統(tǒng)采用大容量工業(yè)SD卡實(shí)現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲。
(6)網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)儀器工作參數(shù)的配置以及數(shù)據(jù)的回傳功能。

3 硬件設(shè)計(jì)
礦用地震儀的硬件電路設(shè)計(jì)主要由電源電路、采集電路、控制電路、對時(shí)電路等組成。其中采集電路和控制電路是系統(tǒng)的關(guān)鍵。
電源電路部分就是要將電池輸出變換成模擬和數(shù)字5路不同的工作電壓，且要實(shí)現(xiàn)對各路電源的管理，以適應(yīng)整個(gè)系統(tǒng)的低功耗要求。