基于ADS1256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)。

關(guān)鍵詞： ARM； ADS1256； 模擬開關(guān)； 檢波器

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）24?0134?02

Seismic data acquisition circuit design

ZHANG Ming?cun， XIAO Zhong?xiang， YANG Yan

（College of Electronic Engineering， Xi’an Shiyou University， Xi’an 710065， China）

Abstract： The circuit， which has high accuracy， multi?channel and strong real?time operational performance， and takes ARM kernel S3C2440 as its processor， and 24?bit ADS1256 chip with the analog switch as its A/D conversion and signal input channel， was designed for a seismic data acquisition system. The bridge low?pass filtering input of data effectively inhibits the common mode signal through long wire and greatly improves the ability of the whole circuit resistance against electromagnetic interference， by which the characteristics of high precision， high quality， low consumption and portability were realized for the seismic data acquisition system.

Keywords： ARM； ADS1256； analog switch； radiodetector

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[1]。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，并且能通過模擬開關(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[2]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，再通過控制模擬開關(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SPI總線的方式送入海量存儲(chǔ)器中，以便以后查閱和分析。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

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)首先通過橋式低通濾波構(gòu)成的輸入電路，然后再通過前置放大電路。

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。

圖2 輸入電路

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。

圖3 前置放大電路

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，也可以通過串口讀/寫這些寄存器，通過控制ADS1256的CS端信號(hào)來(lái)選擇是否開始轉(zhuǎn)換。通過讀取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)部模擬開關(guān)寄存器來(lái)配置四通道差分輸入，將AIN0～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[fCLKIN2]；11表示輸出[fCLKIN4]，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。

圖4 ADS1256電路連接

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0.1 μF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，基本與開發(fā)板上的接口電路相似，這里只作簡(jiǎn)單的文字?jǐn)⑹觥ｋ娐分饕捎脭U(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。

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