分布式電法采集站控制系統的設計與實現

宋 杰，陳儒軍，＊，仇潔婷，申瑞杰，何 馨

（1.中南大學 地球科學與信息物理學院，長沙 410083；2.湖南強軍科技有限公司，長沙 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的設計與實現

宋 杰1，陳儒軍1，2＊，仇潔婷2，申瑞杰2，何 馨1

（1.中南大學 地球科學與信息物理學院，長沙 410083；2.湖南強軍科技有限公司，長沙 410082）

針對分布式電法勘探的特點，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的設計方案，系統包括128MB的DDR2 SDRAM內存系統、256MB Nand Flash存儲塊以及CF Card接口，同時支持ZigBee模塊、WiFi模塊和藍牙模塊用于無線控制和數據傳輸。通過移植內核和驅動程序，并由SSC接口成功地接收到來自DSP的采集數據，進而驗證控制系統功能的可信性，從而為分布式電法采集站的控制系統，提供了一種可行的設計方案。

分布式采集；電法勘探；AT91SAM9G45；控制系統

0 引言

分布式采集和集中式采集是數據采集中兩種常用的方式，對比集中式采集，分布式采集擁有更小的子系統規模和更智能的控制核心，使得每個采集單元都能控制各自的目標和運行方式，相互協作，共同完成某項數據采集任務，從而提升采集系統的整體穩定性［1］。

陳儒軍研究團隊在電法和電磁法儀器中設計與應用了基于AT91RM9200嵌入式控制系統。基于上述嵌入式系統為核心的分布式頻譜激電儀已被批量應用于野外生產之中，并已取得良好工作效果［2－4］。考慮到AT91RM9200的出產年代較早，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，配合低功耗的存儲器設計了新一代的分布式電法采集站控制系統。

1 分布式電法采集的特點

對比傳統的單臺電法儀器，分布式采集的主要特點有：

1）較高的通道容量。分布式采集一次能夠同時布置多個采集站點，每個采集站點能夠包含多個接收通道，一次布設就能完成整條測線的測量工作，從而達到減少勘探成本，提高勘探效率的目的。

2）多收發組合形式。分布式采集的各采集通道之間能夠根據收發距的不同自由組合成不同的接收形式，通過一次測量數據便能組合得到不同深度的地質體信息，適合中深部找礦［5］。

3）多種勘測方法相互結合。分布式電法采集站都兼具直流電法勘探、激電勘探、接地電阻測量和大地電流測量等多種功能，通過多種方法相結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）采集站嚴格同步采集。通過GPS授時同步校準恒溫晶振，能夠保證每個采集站點都能嚴格同步開始采集，壓制隨機干擾，減少信號失真，同時經同步采集的數據能夠使用多次疊加的方法突出有用信號，削弱環境噪聲，提高信噪比，保證數據質量［6－7］。

5）無線技術的使用。將WiFi、藍牙、ZigBee等無線技術運用于分布式采集中的控制和數據傳輸，能夠減小因地形地勢的復雜給布局布線帶來的困難，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，采集站通過與五個不極化電極相連來測量四通道的電場信號。同時相鄰的兩個采集站之間首尾相連共用一個電極以保證測量數據能覆蓋整條測線。上位機控制系統通過ZigBee無線技術與采集站進行通訊，以設置啟動采集時間、放大增益參數、裝置參數等信息，待所有的采集站完成GPS同步之后，達到預先設定的啟動采集時間時，所有的采集站便會嚴格同步觸發開始采集。采集完成之后通過ZigBee將采集數據回傳給上位機。

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 系統總體方案及硬件設計

地球物理勘探儀器的設計，需要用到傳感器技術、電子計算機技術、數據傳輸和通訊技術等多種先進技術。在控制系統的設計上以EH4、MTU－5A、V8、GPD32等為代表的知名電法儀器均采用了x86構架處理器＋MS－DOS／Windows操作系統的控制模式［9］。隨著電子技術的飛速發展，ARM已成為業界領先的16／32位嵌入式RISC處理器技術提供商，并結合開源的Linux操作系統，能為高性能、低成本、低功耗的工業控制領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的設計提供了設計思路。

2.1 系統的總體設計

控制系統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雜條件以及長時間的數據采集要求，這里以嵌入式低功耗ARM處理器為核心，通過豐富的外設擴展，使得采集站能夠支持ZigBee無線控制和數據傳輸、GPS高精度同步采集、BlueTooth藍牙近距離讀取采集站、工作站狀態以及溫度、濕度傳感器對外界環境的實時監控；同時Nand Flash加CF卡的存儲體系結構也能滿足長時間采集數據存儲的要求。

控制系統的核心采用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功耗和性能的要求，能提供USART、TWI、SPI、SSC、USB等多種外設接口，為提高儀器的智能化程度、完善采集站的功能，提供了強有力的保障。

圖2 系統功能模塊框圖Fig.2 Diagram of the system function module

2.2 存儲系統的設計

存儲系統用來保存和執行操作系統內核、可執行代碼及運算數據，是分布式電法控制系統中最重要的部分，其直接關系到控制系統的性能。設計中采用兩片的8位寬DDR2SDRAM來組成系統16位寬的“運行內存”，以Nand Flash作“硬盤”存儲操作系統和應用程序，以Data Flash來保存內核鏡像，用于系統崩潰時恢復系統，同時CF卡可作外接存儲體，擴展控制系統的數據存儲能力。

DDR2SDRAM是第二代雙倍數據速率同步動態隨機存儲器的簡稱，相比前代產品具有更高的運行效能和更低的工作電壓。DDR2SDRAM電路示意圖如圖3所示，系統采用MICRON公司的MT47H64M8系列內存顆粒，該芯片在1.8V的電壓下工作，3.0ns的讀寫周期，能夠滿足主芯片對內存高速讀寫的要求。兩片8位寬64MB的DDR2 SDRAM組成控制系統的16位寬的內存系統，通過與ARM外部總線接口EBI0直接相連，兩芯片共用相同的地址總線，通過讀寫控制信號選擇具體操作的芯片，為內核和程序的運行提供足夠的內存空間。

圖3 DDR2SDRAM電路示意圖ig.3 Circuit diagram of DDR2SDRAM

Nand Flash是一種容量大、改寫數度快的非易失性存儲器，已取代EPROM、EERPOM被廣泛用于嵌入式產品的設計，同時由于Nand Flash的數據、地址和命令由統一的8位或16位I／O口傳送，使得芯片的引腳數量固定，無需電路的改動就能進行容量的擴展。Nand Flash電路示意圖如圖4所示，系統采用了一片256MB的鎂光存儲芯片MT29F2G08用來做啟動代碼的優先尋址對象存放uboot、內核、文件系統等文件，同時，作為控制系統的“硬盤”，應用程序和采集數據也被存儲在Nand Flash中。

圖4 Nand Flash電路示意圖Fig.4 Circuit diagram of Nand Flash

2.3 GPS同步模塊設計

對于分布式采集而言，由于各采集站內部的晶振頻率有誤差，所以各臺裝置的采樣難以實現嚴格同步。GPS全球定位系統能夠提供誤差在1μs以內的高精度時鐘，因此將GPS作為各采集站的共同時間基準，可實現各采集站的高準確度同步。

將恒溫晶振分頻后所得的100kHz的信號與GPS輸出的秒脈沖進行對比同步，保證振蕩器輸出的脈沖信號的前沿與GPS時間同步，同時通過時間測量模塊測量二者之間的時間間隔，即能得到恒溫晶振輸出頻率相對于GPS秒脈沖的頻率偏差，最后將結果作為D／A轉換模塊的輸入得到恒溫晶振控制電壓的修正值。即便在GPS因野外施工環境、天氣等因素而中斷時，恒溫晶振也能在一定時間內提供高精度的同步時鐘信號［10－11］。

GPS同步示意圖見圖5。控制系統通過UART口獲取GPS模塊的串碼數據，通過串碼數據得到GPS的時間信息以及同步狀態，待GPS鎖定之后，即可設置啟動采集的時間，當采集時刻到來之時，由GPS的秒脈沖觸發采集，如此便能保證各采集站的嚴格同步采集。

圖5 GPS同步模塊示意圖Fig.5 Schematic diagram of GPS synchronization module

2.4 無線通訊模塊接口設計

在野外的勘探中，使用無線代替有線是解決線纜笨重、復雜地形布線困難、提高施工效率的有效途徑。根據各種無線通訊技術的傳輸速度、傳輸距離、功耗以及開發成本的不同，系統設計了ZigBee模塊、WiFi模塊和藍牙模塊這三種無線通信形式。

1）ZigBee是一種新型的無線通訊技術，適用于短距離、低功耗、低速率的傳輸場合，工作在2.4GHz的ISM頻段上，傳輸距離可達數公里，已被廣泛運用于無線測控、物聯網等領域。系統通過USART1口與MaxStream公司的ZigBee收發器模塊直接相連，并使用ZigBee收發器所提供的I／O口完成控制系統的上電和斷電操作。在野外施工中其主要負責采集過程中的控制命令的傳輸以及采集數據的回傳和數據質量監控。

2）WiFi是在有線局域網的基礎之上發展起來的，工作在2.4GHz的ISM頻段和5GHz的非許可證頻段上，最大傳輸速率能達到2Mbit／s，具有開發成本低、信號強度高、傳輸速率快等特點。系統通過USB接口與150M的無線網卡相連，考慮到其功耗較高，因此主要用于室內程序的升級和采集數據的導出。

3）藍牙技術是一種用于短距離通信的無線電技術，通常用作代替線纜，解決設備之間“最后10m”的連接問題［12］。系統采用德州儀器的CC2540來作為藍牙的集成芯片，該芯片使用的是C8051控制內核，通過UART口實現與ARM芯片的通訊，同時能提供多達21路GPIO口，作為控制信號使用。藍牙模塊主要用于近距離通過手持設備（如智能手機、PDA等）監控采集站狀態，排除故障，保障采集站正常工作。

2.5 采集卡接口設計

高精度的數據采集卡也是分布式電法采集站的一個重要組成部分，因此控制系統也必須提供相應的接口來完成對采集卡的控制［13－14］，這主要包括：①通過UART口讀取GPS模塊的時間、坐標信息，同步各采集站的時間并為采集站提供高精度的秒脈沖和開始采集的觸發信號；②通過SPI口完成對抽取濾波芯片CS5376A的放大倍數、采樣頻率、濾波器啟停控制和增益校準參數的寫入和讀取；③通過帶時鐘的USART接口完成DSP程序的上傳和DSP控制命令的寫入，控制DSP的工作狀態；④通過SSC同步串行控制器來讀取DSP的采集數據等。

3 測試程序設計及系統測試

嵌入式操作系統及驅動程序的移植，是控制系統開發的一個重要組成部分。其中uboot、內核及根文件系統的編譯調試都必須在交叉開發環境下進行，本系統的開發所使用的編譯環境為arm－linuxgcc－4.2.0，uboot為1.3.4版，內核為2.6.30版。

控制系統的整體視圖見圖6，與GPS模塊、采集卡等通訊時所需要使用的USART、SPI口的驅動程序，都可以由2.6.30內核中所自帶的驅動程序直接支持，與DSP芯片通信以獲取采集數據的SSC同步串行控制器的驅動程序設計，是在AT91系列芯片基于IIS的音頻驅動程序的基礎之上修改得來的，通過開啟外設DMA控制器PDC的方式來實現DSP數據的高速傳輸。

圖6 控制系統整體視圖Fig.6 The overall view of control system

能否通過SSC口接收到來自DSP的采集數據，是控制系統設計中的核心問題。作者先通過USART2口以57600的波特率上傳DSP采集程序，然后通過SPI1口配置A／D的放大倍數、采樣率等參數，最后通過USART1配置DSP的工作狀態，將由DSP處理的數據由SSC同步串口輸出。由SSC口所讀取到的DSP二進制采集數據如圖7所示。

為了近一步測試控制系統的性能，這里將控制系統與GPS同步模塊、四通道激電采集卡相連，組成簡易的激電數據采集站，同時利用湖南強軍科技有限公司開發的激電采集站桌面控制中心來對系統進行聯合測試。測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發送上電啟動的命令之后，控制系統便會進行一系列的硬件初始化工作并加載Linux操作系統，待系統啟動完成之后便會自動開始DSP程序上傳，此時采集站的采集環境也就準備好了。在四通道數據采集卡的第一和第四通道通過取樣電阻供以1Hz、500mV的正弦波信號，將第二和第三通道短接以測試白噪聲；同時通過控制中心設置系統的采樣率為64Hz，放大倍數為“1”，待GPS的同步觸發信號到來之后系統便開始數據采集，采集結果如圖9所示。

圖7 通過SSC讀取DSP采集數據Fig.7 Reading DSP data from the SSC

圖8 測試程序工作流程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，第二通道與第三通道由于短接只能測到均方差為“0”的白噪聲波形，與實際的測試條件相符。自控制系統上電啟動之后，到正確接收控制中心的采集參數并根據采集參數來設置采集卡的工作方式，再到后來接收到來自DSP的采集數據后回傳至控制中心以顯示采集波形，控制系統在整個過程中都能很好的協調各任務的調度并根據所接收到的指令做出正確的操作，真正發揮了控制系統作為采集站“大腦”的作用。

4 結束語

分布式采集擁有靈活的裝置組合形式、嚴格同步觸發采集以及無線智能控制方式，已經越來越多地被運用于電法勘探。作者以高性能低功耗處理器AT91SAM9G45為核心，設計并實現了分布式電法采集站的控制系統，使得系統能夠支持ZigBee、WiFi和藍牙三種無線傳輸形式，同時通過測試程序來完成對采集卡的控制，最后由SSC口成功接收到DSP的采集數據，從而驗證了控制系統功能的正確性。

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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 激電控制中心的測試結果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

中央地質勘查基金（12120113095200）

宋杰（1990－），碩士，主要研究方向為地球物理儀器，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處理研究，E－mail：chrujun12358＠gmail.com。