基于ARM的地震數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

摘要：介紹了以ARM內(nèi)核S3C2440為處理器，24位自帶模擬開(kāi)關(guān)的ADS1256芯片為A/D轉(zhuǎn)換和信號(hào)輸入通道選擇，利用其特性、工作原理來(lái)設(shè)計(jì)具有高精度、多通道、實(shí)時(shí)操作性強(qiáng)的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路。數(shù)據(jù)通過(guò)橋式低通濾波輸入，有效地抑制了長(zhǎng)導(dǎo)線共模信號(hào)，并且大大提高了整個(gè)電路抗電磁干擾能力，從而可以實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高精度、高質(zhì)量、低功耗和便攜式等特點(diǎn)。

0 引言

隨著石油勘探技術(shù)的快速發(fā)展，特別是高分辨率勘探技術(shù)的深入，越來(lái)越要求地震數(shù)據(jù)采集應(yīng)具有高精度、高質(zhì)量等特點(diǎn)，也就是說(shuō)采集數(shù)據(jù)要具有寬頻、高保真、高信噪比、高動(dòng)態(tài)，這樣才能更好地識(shí)別巖性、流體、裂縫油藏，以及改進(jìn)油藏定位、儲(chǔ)集特征、油藏連通性的描述和提高采收率等。如何提高地震勘探儀器技術(shù)指標(biāo)、采集速率及數(shù)據(jù)預(yù)處理能力，已成為現(xiàn)代地震勘探儀器發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，其中數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)尤為重要。本文針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行討論與研究，提出了關(guān)于多通道高速地震數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)應(yīng)用嵌入式ARM內(nèi)核處理器和24位高速ADS1256模/數(shù)轉(zhuǎn)換器作為本系統(tǒng)核心控制，充分利用ARM內(nèi)核芯片的電氣特性和ADS1256自集成多功能模塊，從而大大的增強(qiáng)了儀器的實(shí)時(shí)可操作性、降低了儀器本身體積及功耗、提高了數(shù)據(jù)采集速率及數(shù)據(jù)精度，并且能通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行靈活的通道選擇。

1 總體電路結(jié)構(gòu)組成

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

電路總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用三星公司生產(chǎn)的ARM9系列S2C2440微處理器作為核心控制芯片，由地震檢波器輸出微弱、復(fù)雜的地震信號(hào)首先經(jīng)模擬信號(hào)調(diào)理電路的放大、跟隨以及濾波等處理后，再通過(guò)控制模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇通道，然后再應(yīng)用ADS1256進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，采集到的數(shù)據(jù)是通過(guò)SPI總線的方式送入海量存儲(chǔ)器中，以便以后查閱和分析。

1.2 模擬信號(hào)調(diào)理電路

模擬信號(hào)調(diào)理電路主要包括地震微弱信號(hào)的濾波、放大等。地震信號(hào)首先通過(guò)橋式低通濾波構(gòu)成的輸入電路，然后再通過(guò)前置放大電路。

輸入電路主要是起到RC阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的作用，壓制長(zhǎng)導(dǎo)線傳輸中的共模信號(hào)，阻止高頻信號(hào)，提高抗干擾能力，另外也對(duì)接收進(jìn)來(lái)的妨礙有效波記錄的干擾波進(jìn)行壓制，電路原理如圖2所示。

前置放大電路主要由兩級(jí)組成，兩級(jí)采用直接耦合的方式連接，第一級(jí)把雙端輸入地震信號(hào)放大，然后單級(jí)輸出，再通過(guò)第二級(jí)差分線性放大器，轉(zhuǎn)換輸出方式，為A/D轉(zhuǎn)換提供雙端輸入差分信號(hào)，也進(jìn)一步的消除了輸入電路的共模信號(hào)，電路原理如圖3所示。為保證輸入端保持平衡狀態(tài)，第一級(jí)兩個(gè)輸入端對(duì)地的電阻值應(yīng)相等，為了降低共模電壓放大倍數(shù)，一般使R7=R8，R9=R10。

1.3 模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路

采用ARM處理器控制ADS1256作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，ADS1256只能工作在SPI通信模式下。設(shè)計(jì)采用ARM處理器的通用I/O口來(lái)控制ADS1256片上寄存器，也可以通過(guò)串口讀/寫這些寄存器，通過(guò)控制ADS1256的CS端信號(hào)來(lái)選擇是否開(kāi)始轉(zhuǎn)換。通過(guò)讀取DRDY引腳的電平來(lái)表示轉(zhuǎn)換是否已經(jīng)完成，低電平時(shí)表明數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成，高電平時(shí)表示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換未完成。從DOUT引腳讀取最新轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，控制內(nèi)部模擬開(kāi)關(guān)寄存器來(lái)配置四通道差分輸入，將AINO～AIN7作為輸入端，AINCOM不用，一般接地就可以，其中PSEN3～PSEN0為差分信號(hào)的正輸入端選擇位，NSEL3～NSEL0為差分信號(hào)的負(fù)輸入端選擇位。用ADCON寄存器來(lái)配置輸出時(shí)鐘、傳感器檢測(cè)選擇、程控放大倍數(shù)選擇，CLK1，CLK0為輸出時(shí)鐘選擇位。其中：00表示輸出時(shí)鐘關(guān)閉;01表示輸出fCLKIN;10表示輸出fCLKIN/2;11表示輸出fCLKIN/4，主時(shí)鐘由外部晶振提供，晶振選取7.68 MHz，PGA2～PGA0為程控增益放大器的放大倍數(shù)選擇位：000=1，001=2，010=4，011=8，100=16，101=32，110=64，111=128，可以根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)來(lái)配置寄存器。DIR7～DIR0為數(shù)據(jù)速率選擇位，11110000=30 kS/s為默認(rèn)值。這樣可以通過(guò)軟件編程控制各個(gè)寄存器來(lái)靈活的配置所需要的時(shí)鐘輸出、傳感器檢測(cè)選擇、程控放大倍數(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率等。其控制電路連接如圖4所示。

在PCB板布線時(shí)晶振必須靠近ADS1256，為保證起振并得到一個(gè)穩(wěn)定的頻率，須外接小于0.1μF的陶瓷電容，本系統(tǒng)取18 pF。

1.4 外圍接口電路

其主要接口電路包括觸摸顯示電路、存儲(chǔ)電路和上位機(jī)通信電路等，基本與開(kāi)發(fā)板上的接口電路相似，這里只作簡(jiǎn)單的文字?jǐn)⑹?。電路主要采用擴(kuò)展FLASH和SDRAM，用于系統(tǒng)的啟動(dòng)和運(yùn)行程序的加載，其中FLASH用來(lái)保存用戶的程序代碼，SDRAM用來(lái)存儲(chǔ)程序運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)和少量數(shù)據(jù)。顯示部分采用平板型結(jié)構(gòu)的液晶顯示器件，它具有顯示信息量大、低壓、低功耗、長(zhǎng)壽命、無(wú)輻射、無(wú)污染的優(yōu)良特性，其在顯示領(lǐng)域占據(jù)了重要地位。一般使用間接訪問(wèn)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)控制器芯片與液晶顯示模塊間的電路連接，液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)通常需要并行輸入，這里需要應(yīng)用串轉(zhuǎn)并器件來(lái)串/并轉(zhuǎn)換，為液晶顯示提供并行輸入，模塊的讀、寫、片選、復(fù)位等控制信號(hào)由S3C2440的通用I/O引腳控制。選擇高速USB總線傳輸技術(shù)的方式與上位機(jī)進(jìn)行通信。這種實(shí)現(xiàn)必須要在S3C2440和專用USB通信驅(qū)動(dòng)芯片及外圍電路共同完成，為了方便USB接口的硬件調(diào)試，還須增加一個(gè)RS 232接口。

2 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代儀器發(fā)展的要求，應(yīng)用現(xiàn)代嵌入式ARM內(nèi)核和24位高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片共同完成對(duì)微弱而又復(fù)雜的地震信號(hào)進(jìn)行采集電路設(shè)計(jì)，從而提高了采集效率、降低了設(shè)備功耗及縮減了體積和重量，為儀器的便攜式要求提供了有利的條件。在數(shù)據(jù)采集模塊采用橋式低通濾波雙端輸入電路，有效地抑制了整個(gè)數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)長(zhǎng)導(dǎo)線共模信號(hào)，選擇差分信號(hào)作為A/D輸入信號(hào)，有利于擴(kuò)大地震信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，能夠識(shí)別小信號(hào)并且大大的提高了系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。