基于ADS1256的地震數據采集電路設計

摘 要： 介紹了以ARM內核S3C2440為處理器，24位自帶模擬開關的ADS1256芯片為A/D轉換和信號輸入通道選擇，利用其特性、工作原理來設計具有高精度、多通道、實時操作性強的地震數據采集系統電路。數據通過橋式低通濾波輸入，有效地抑制了長導線共模信號，并且大大提高了整個電路抗電磁干擾能力，從而可以實現地震數據采集系統的高精度、高質量、低功耗和便攜式等特點。

關鍵詞： ARM； ADS1256； 模擬開關； 檢波器

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

隨著石油勘探技術的快速發展，特別是高分辨率勘探技術的深入，越來越要求地震數據采集應具有高精度、高質量等特點，也就是說采集數據要具有寬頻、高保真、高信噪比、高動態，這樣才能更好地識別巖性、流體、裂縫油藏，以及改進油藏定位、儲集特征、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指標、采集速率及數據預處理能力，已成為現代地震勘探儀器發展的關鍵技術，其中數據采集電路設計尤為重要。本文針對上述技術問題進行討論與研究，提出了關于多通道高速地震數據采集電路設計方案，該系統應用嵌入式ARM內核處理器和24位高速ADS1256模/數轉換器作為本系統核心控制，充分利用ARM內核芯片的電氣特性和ADS1256自集成多功能模塊，從而大大的增強了儀器的實時可操作性、降低了儀器本身體積及功耗、提高了數據采集速率及數據精度，并且能通過模擬開關進行靈活的通道選擇。

1 總體電路結構組成

1.1 系統總體結構框圖

電路總體結構如圖1所示，采用三星公司生產的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、復雜的地震信號首先經模擬信號調理電路的放大、跟隨以及濾波等處理后，再通過控制模擬開關進行選擇通道，然后再應用ADS1256進行模/數轉換，采集到的數據是通過SPI總線的方式送入海量存儲器中，以便以后查閱和分析。

圖1 總體結構框圖

1.2 模擬信號調理電路

模擬信號調理電路主要包括地震微弱信號的濾波、放大等。地震信號首先通過橋式低通濾波構成的輸入電路，然后再通過前置放大電路。

輸入電路主要是起到RC 阻抗匹配網絡的作用，壓制長導線傳輸中的共模信號，阻止高頻信號，提高抗干擾能力，另外也對接收進來的妨礙有效波記錄的干擾波進行壓制，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組成，兩級采用直接耦合的方式連接，第一級把雙端輸入地震信號放大，然后單級輸出，再通過第二級差分線性放大器，轉換輸出方式，為A/D轉換提供雙端輸入差分信號，也進一步的消除了輸入電路的共模信號，電路原理如圖3所示。為保證輸入端保持平衡狀態，第一級兩個輸入端對地的電阻值應相等，為了降低共模電壓放大倍數，一般使R7=R8，R9=R10。

圖3 前置放大電路

1.3 模/數轉換電路

采用ARM處理器控制ADS1256作為模/數轉換電路，ADS1256只能工作在SPI通信模式下。設計采用ARM處理器的通用I/O口來控制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端信號來選擇是否開始轉換。通過讀取DRDY引腳的電平來表示轉換是否已經完成，低電平時表明數據轉換完成，高電平時表示數據轉換未完成。從DOUT引腳讀取最新轉換數據，控制內部模擬開關寄存器來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為差分信號的正輸入端選擇位，NSEL3～NSEL0為差分信號的負輸入端選擇位。用ADCON寄存器來配置輸出時鐘、傳感器檢測選擇、程控放大倍數選擇，CLK1，CLK0為輸出時鐘選擇位。其中：00表示輸出時鐘關閉；01表示輸出[fCLKIN]；10表示輸出[fCLKIN2]；11表示輸出[fCLKIN4]，主時鐘由外部晶振提供，晶振選取7.68 MHz，PGA2～PGA0為程控增益放大器的放大倍數選擇位：000=1，001=2，010=4，011=8，100=16，101=32，110=64，111=128，可以根據信號的強度來來配置寄存器。DIR7～DIR0為數據速率選擇位，11110000=30 kS/s為默認值。這樣可以通過軟件編程控制各個寄存器來靈活的配置所需要的時鐘輸出、傳感器檢測選擇、程控放大倍數、數據轉換速率等。其控制電路連接如圖4所示。

圖4 ADS1256電路連接

在PCB板布線時晶振必須靠近ADS1256，為保證起振并得到一個穩定的頻率，須外接小于0.1 μF的陶瓷電容，本系統取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、存儲電路和上位機通信電路等，基本與開發板上的接口電路相似，這里只作簡單的文字敘述。電路主要采用擴展FLASH和SDRAM，用于系統的啟動和運行程序的加載，其中FLASH用來保存用戶的程序代碼，SDRAM用來存儲程序運行時的數據和少量數據。顯示部分采用平板型結構的液晶顯示器件，它具有顯示信息量大、低壓、低功耗、長壽命、無輻射、無污染的優良特性，其在顯示領域占據了重要地位。一般使用間接訪問的方式來實現控制器芯片與液晶顯示模塊間的電路連接，液晶顯示模塊的數據通常需要并行輸入，這里需要應用串轉并器件來串/并轉換，為液晶顯示提供并行輸入，模塊的讀、寫、片選、復位等控制信號由S3C2440的通用I/O引腳控制。選擇高速USB總線傳輸技術的方式與上位機進行通信。這種實現必須要在S3C2440和專用USB通信驅動芯片及外圍電路共同完成，為了方便USB接口的硬件調試，還須增加一個RS 232接口。

2 結 語

隨著現代儀器發展的要求，應用現代嵌入式ARM內核和24位高精度A/D轉換芯片共同完成對微弱而又復雜的地震信號進行采集電路設計，從而提高了采集效率、降低了設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。在數據采集模塊采用橋式低通濾波雙端輸入電路，有效地抑制了整個數據的采集系統長導線共模信號，選擇差分信號作為A/D輸入信號，有利于擴大地震信號動態范圍，能夠識別小信號并且大大的提高了系統的抗電磁干擾能力。

參考文獻

[1] 羅福龍，易碧金，羅蘭兵.地震檢波器技術及應用[J].物探裝備，2005（1）：6?14.

[2] 周超，李春茂.新型8通道24位Δ?Σ型數模轉換器ADS1256原理及應用[J].電子設計工程，2005（6）：35?38.

[3] 佚名.S3C2440中文數據手冊[M].杭州：杭州立宇泰電子有限公司，2012.

[4] 林守剛.基于ARM的寬頻地震儀數據采集模塊的研究[D].長春：吉林大學，2006.

[5] 夏世長，陳由平，王鎮道，等.一種多通道數據采集電路的設計[J].湖南大學學報：自然科學版，2000（6）：80?84.

[6] 王文龍，趙政社，混平，等.液體火箭發動機地面試車應變數據采集系統研制[J].火箭推進，2011（3）：52?59.