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(zhǎng)沙 410083；2.湖南強(qiáng)軍科技有限公司，長(zhǎng)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(jì)與實(shí)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(zhǎng)沙 410083；2.湖南強(qiáng)軍科技有限公司，長(zhǎng)沙 410082）

針對(duì)分布式電法勘探的特點(diǎn)，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(jì)方案，系統(tǒng)包括128MB的DDR2 SDRAM內(nèi)存系統(tǒng)、256MB Nand Flash存儲(chǔ)塊以及CF Card接口，同時(shí)支持ZigBee模塊、WiFi模塊和藍(lán)牙模塊用于無(wú)線控制和數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)移植內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)程序，并由SSC接口成功地接收到來(lái)自DSP的采集數(shù)據(jù)，進(jìn)而驗(yàn)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(jì)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(duì)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(gè)采集單元都能控制各自的目標(biāo)和運(yùn)行方式，相互協(xié)作，共同完成某項(xiàng)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(duì)在電法和電磁法儀器中設(shè)計(jì)與應(yīng)用了基于AT91RM9200嵌入式控制系統(tǒng)。基于上述嵌入式系統(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(chǔ)器設(shè)計(jì)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(diǎn)

對(duì)比傳統(tǒng)的單臺(tái)電法儀器，分布式采集的主要特點(diǎn)有：

1）較高的通道容量。分布式采集一次能夠同時(shí)布置多個(gè)采集站點(diǎn)，每個(gè)采集站點(diǎn)能夠包含多個(gè)接收通道，一次布設(shè)就能完成整條測(cè)線的測(cè)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(guò)一次測(cè)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(cè)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(cè)量和大地電流測(cè)量等多種功能，通過(guò)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(guò)GPS授時(shí)同步校準(zhǔn)恒溫晶振，能夠保證每個(gè)采集站點(diǎn)都能嚴(yán)格同步開(kāi)始采集，壓制隨機(jī)干擾，減少信號(hào)失真，同時(shí)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(hào)，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(wú)線技術(shù)的使用。將WiFi、藍(lán)牙、ZigBee等無(wú)線技術(shù)運(yùn)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(shì)的復(fù)雜給布局布線帶來(lái)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(guò)與五個(gè)不極化電極相連來(lái)測(cè)量四通道的電場(chǎng)信號(hào)。同時(shí)相鄰的兩個(gè)采集站之間首尾相連共用一個(gè)電極以保證測(cè)量數(shù)據(jù)能覆蓋整條測(cè)線。上位機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)ZigBee無(wú)線技術(shù)與采集站進(jìn)行通訊，以設(shè)置啟動(dòng)采集時(shí)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(dòng)采集時(shí)間時(shí)，所有的采集站便會(huì)嚴(yán)格同步觸發(fā)開(kāi)始采集。采集完成之后通過(guò)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(jì)

地球物理勘探儀器的設(shè)計(jì)，需要用到傳感器技術(shù)、電子計(jì)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(jì)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(kāi)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(jì)提供了設(shè)計(jì)思路。

2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

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(zhǎng)時(shí)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(guò)豐富的外設(shè)擴(kuò)展，使得采集站能夠支持ZigBee無(wú)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(duì)外界環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控；同時(shí)Nand Flash加CF卡的存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)也能滿足長(zhǎng)時(shí)間采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(duì)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(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)系統(tǒng)用來(lái)保存和執(zhí)行操作系統(tǒng)內(nèi)核、可執(zhí)行代碼及運(yùn)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(jì)中采用兩片的8位寬DDR2SDRAM來(lái)組成系統(tǒng)16位寬的“運(yùn)行內(nèi)存”，以Nand Flash作“硬盤(pán)”存儲(chǔ)操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，以Data Flash來(lái)保存內(nèi)核鏡像，用于系統(tǒng)崩潰時(shí)恢復(fù)系統(tǒng)，同時(shí)CF卡可作外接存儲(chǔ)體，擴(kuò)展控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。

DDR2SDRAM是第二代雙倍數(shù)據(jù)速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器的簡(jiǎn)稱，相比前代產(chǎn)品具有更高的運(yùn)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(xiě)周期，能夠滿足主芯片對(duì)內(nèi)存高速讀寫(xiě)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(guò)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(guò)讀寫(xiě)控制信號(hào)選擇具體操作的芯片，為內(nèi)核和程序的運(yùn)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(xiě)數(shù)度快的非易失性存儲(chǔ)器，已取代EPROM、EERPOM被廣泛用于嵌入式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，同時(shí)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(wú)需電路的改動(dòng)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(chǔ)芯片MT29F2G08用來(lái)做啟動(dòng)代碼的優(yōu)先尋址對(duì)象存放uboot、內(nèi)核、文件系統(tǒng)等文件，同時(shí)，作為控制系統(tǒng)的“硬盤(pán)”，應(yīng)用程序和采集數(shù)據(jù)也被存儲(chǔ)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(jì)

對(duì)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(tái)裝置的采樣難以實(shí)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(shí)鐘，因此將GPS作為各采集站的共同時(shí)間基準(zhǔn)，可實(shí)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(hào)與GPS輸出的秒脈沖進(jìn)行對(duì)比同步，保證振蕩器輸出的脈沖信號(hào)的前沿與GPS時(shí)間同步，同時(shí)通過(guò)時(shí)間測(cè)量模塊測(cè)量二者之間的時(shí)間間隔，即能得到恒溫晶振輸出頻率相對(duì)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(shí)，恒溫晶振也能在一定時(shí)間內(nèi)提供高精度的同步時(shí)鐘信號(hào)［10－11］。

GPS同步示意圖見(jiàn)圖5?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)UART口獲取GPS模塊的串碼數(shù)據(jù)，通過(guò)串碼數(shù)據(jù)得到GPS的時(shí)間信息以及同步狀態(tài)，待GPS鎖定之后，即可設(shè)置啟動(dòng)采集的時(shí)間，當(dāng)采集時(shí)刻到來(lái)之時(shí)，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(wú)線通訊模塊接口設(shè)計(jì)

在野外的勘探中，使用無(wú)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(wú)線通訊技術(shù)的傳輸速度、傳輸距離、功耗以及開(kāi)發(fā)成本的不同，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了ZigBee模塊、WiFi模塊和藍(lán)牙模塊這三種無(wú)線通信形式。

1）ZigBee是一種新型的無(wú)線通訊技術(shù)，適用于短距離、低功耗、低速率的傳輸場(chǎng)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(yùn)用于無(wú)線測(cè)控、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。系統(tǒng)通過(guò)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(guò)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(lái)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(kāi)發(fā)成本低、信號(hào)強(qiáng)度高、傳輸速率快等特點(diǎn)。系統(tǒng)通過(guò)USB接口與150M的無(wú)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(jí)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(wú)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(wèn)題［12］。系統(tǒng)采用德州儀器的CC2540來(lái)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(guò)UART口實(shí)現(xiàn)與ARM芯片的通訊，同時(shí)能提供多達(dá)21路GPIO口，作為控制信號(hào)使用。藍(lán)牙模塊主要用于近距離通過(guò)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(jì)

高精度的數(shù)據(jù)采集卡也是分布式電法采集站的一個(gè)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(lái)完成對(duì)采集卡的控制［13－14］，這主要包括：①通過(guò)UART口讀取GPS模塊的時(shí)間、坐標(biāo)信息，同步各采集站的時(shí)間并為采集站提供高精度的秒脈沖和開(kāi)始采集的觸發(fā)信號(hào)；②通過(guò)SPI口完成對(duì)抽取濾波芯片CS5376A的放大倍數(shù)、采樣頻率、濾波器啟停控制和增益校準(zhǔn)參數(shù)的寫(xiě)入和讀??；③通過(guò)帶時(shí)鐘的USART接口完成DSP程序的上傳和DSP控制命令的寫(xiě)入，控制DSP的工作狀態(tài)；④通過(guò)SSC同步串行控制器來(lái)讀取DSP的采集數(shù)據(jù)等。

3 測(cè)試程序設(shè)計(jì)及系統(tǒng)測(cè)試

嵌入式操作系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)程序的移植，是控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一個(gè)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(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行，本系統(tǒng)的開(kāi)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(jiàn)圖6，與GPS模塊、采集卡等通訊時(shí)所需要使用的USART、SPI口的驅(qū)動(dòng)程序，都可以由2.6.30內(nèi)核中所自帶的驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序設(shè)計(jì)，是在AT91系列芯片基于IIS的音頻驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)之上修改得來(lái)的，通過(guò)開(kāi)啟外設(shè)DMA控制器PDC的方式來(lái)實(shí)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(guò)SSC口接收到來(lái)自DSP的采集數(shù)據(jù)，是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心問(wèn)題。作者先通過(guò)USART2口以57600的波特率上傳DSP采集程序，然后通過(guò)SPI1口配置A／D的放大倍數(shù)、采樣率等參數(shù)，最后通過(guò)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(cè)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(jiǎn)易的激電數(shù)據(jù)采集站，同時(shí)利用湖南強(qiáng)軍科技有限公司開(kāi)發(fā)的激電采集站桌面控制中心來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合測(cè)試。測(cè)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(dòng)的命令之后，控制系統(tǒng)便會(huì)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(dòng)完成之后便會(huì)自動(dòng)開(kāi)始DSP程序上傳，此時(shí)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(guò)取樣電阻供以1Hz、500mV的正弦波信號(hào)，將第二和第三通道短接以測(cè)試白噪聲；同時(shí)通過(guò)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(hào)到來(lái)之后系統(tǒng)便開(kāi)始數(shù)據(jù)采集，采集結(jié)果如圖9所示。

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

圖8 測(cè)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(hào)，第二通道與第三通道由于短接只能測(cè)到均方差為“0”的白噪聲波形，與實(shí)際的測(cè)試條件相符。自控制系統(tǒng)上電啟動(dòng)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(lái)設(shè)置采集卡的工作方式，再到后來(lái)接收到來(lái)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(gè)過(guò)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(yǔ)

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(wú)線智能控制方式，已經(jīng)越來(lái)越多地被運(yùn)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(jì)并實(shí)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(wú)線傳輸形式，同時(shí)通過(guò)測(cè)試程序來(lái)完成對(duì)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(yàn)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(cè)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?yàn)榈厍蛭锢韮x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(hào)處理研究，E－mail：chrujun12358＠gmail.com。