摘 要:基于礦井地震勘探中對數據采集與處理的高性能要求,本文采用SOPC (可編程片上系統)技術設計了多通道數據采集與處理系統。系統采用24位模數轉換芯片實現高精度數據采集;利用FPGA可并行運算的特點,實現數據信號的并行處理。系統設計靈活,具有便攜性及同步性特點。該系統成功應用到礦井地震勘探中,得到了良好的效果。
煤炭是事關國民經濟可持續發展的基礎產業,隨著國民經濟的發展,各個行業對煤炭的需求量不斷增加,如何保障煤炭生產的安全高效和可持續性發展就顯得非常重要。而地震勘探作為一種廣泛應用的物理地球勘探手段,把它應用到礦井探測中,可以超前探測斷層、陷落柱、采空區的形態、走向、影響范圍及頂底煤厚、圍巖松動圈等的內容,為煤礦生產過程中出現的地質異常提供及時準確的預測參數,以保障煤炭生產的安全高效。因此開發出適用于礦井地震勘探儀器具有十分重要的意義。但是,地震勘探對數據采集與處理系統的性能要求很高,用傳統的單片機或DSP來實現,很難滿足系統的實時性、多通道同步性和儀器便攜性等要求。
SOPC技術將CPU、存儲器、I/O接口等系統設計所必須的模塊集成在一片FPGA上,是一種新的系統設計技術。這種設計方式,具有開發周期短、設計靈活、可裁減、可擴充、可升級、軟硬件在系統可編程的功能,特別適用于復雜系統的設計。
本文給出了一種基于SOPC的數據采集與處理系統的設計方案。系統用24位模數轉換芯片實現多通道地震數據前端采集;利用FPGA的可并行及高速運算特點,用FPGA代替傳統的DSP芯片,設計并行的數據信號同步處理,以提高系統的實時性和同步性。該系統成功地應用到礦井地震勘探中,得到良好的效果。
1 系統硬件實現
數據采集與處理系統主要是對數據的采集以及對得到數據的處理,本系統采用SOPC技術,以軟核處理器N IOS II為控制核心,NIOSⅡCPU和各IP模塊之間通過Avalon片上總線相連。系統原理圖見圖1所示。系統主要由四個硬件模塊構成:數據采集模塊、數據處理模塊、數據存儲模塊和數據通訊模塊。數據采集模塊主要用24位高精度A /D芯片進行地震數據采集; 數據處理模塊主要用FPGA實現各DSP算法; 數據存儲模塊采用SDRAM實現;數據通訊模塊采用RS232串口通訊,負責把數據上傳到上位機上顯示。
圖1 系統原理圖
1. 1 NIOS II CPU
Nios II系列軟核處理器是Altera的第二代FP2GA嵌入式處理器,是一個用戶可配置的通用Risc嵌入式處理器,擴展了目前世界上最流行的軟核嵌入式處理器的性能。用戶可以從三種處理器(快速、標準、經濟)以及超過60個的IP核中選擇所需要的,NiosII系統為用戶提供了最基本的多功能性,設計師可以以此來創建一個最適合他們需求的嵌入式系統。本設計采用的是標準型的NIOS IICPU,并調用了SDRAM 控制器和異步串口URAT (RS_232 Serial port)等接口IP。
1. 2 數據采集模塊
數據采集模塊采用多通道同步采集,其基本原理如圖2所示: 4通道同步采集,每個通道由信號前端調理電路、模數轉換采樣電路及A /D接口構成。
對采集信號的調理,主要是針對信號的濾波和信號放大處理:地震檢波器采集來相關數據后,使用無源低通濾波器去除高頻無用信號,以防止后續數字濾波產生頻譜混疊;使用高速反饋放大器OPA1632D實現對輸入模擬數據的放大。對于采樣電路,使用24位的A /D7766芯片,該芯片在以125 kHz輸出數據速率工作時具有108 dB的動態范圍,它比具有相同輸出數據速率的同類器件高3 dB,其特別適合地震采集的低功耗和鑒別大信號中的微弱信號要求。
圖2 數據采集模塊原理圖
1. 3 數據處理模塊
SOC系統的一個重要思想就是IP復用,因此本文充分利用了ALTERA公司豐富的DSP IP核資源以提高產品開發效率,實現多通道數據的并行同步處理。
1. 3. 1 數字濾波模塊
對于地震勘探來說,由檢波器接收到的有效地震信號具備多頻率特性。為了現場技術人員更好地了解地質情況,需要看到特定范圍頻帶的信號,因此需要設計一個具備多頻帶的帶通濾波器。濾波模塊調用了ALTERA公司的F IR IP核來生成,通過設置參數,即可實現不同要求的濾波器。
本系統生成的濾波模塊圖如圖3 所示,其中cofe_set為濾波選擇信號,可以通過NIOS II提供給cofe_set值命令,完成四種不同帶寬的通帶濾波。
圖3 濾波模塊圖
1. 3. 2 頻譜分析模塊
為了了解地震信號的頻譜分布范圍,需要對隨時間變化的地震信號進行傅里葉變換,以得到隨頻率而變化的振幅和相位的函數。本設計的原理圖如圖4所示:先采用ALTERA公司的FFT IP核設計一個1 024點的FFT模塊,得到的數據再送給相位譜計算模塊和振幅譜計算模塊得到振幅譜和相位譜。
圖4 頻譜分析模塊原理圖
振幅譜、相位譜的公式見式( 1)與式( 2) , ReF(mΔf)和ImF (mΔf)為輸入數據經FFT模塊處理后得到的實部和虛部值。
由式(1)可知,振幅譜模塊主要由乘法模塊、加法模塊及開方模塊組成,其都可以用ALTERA公司對應的IP核來實現。對于相位譜模塊,其需要求反正切函數,對此本設計用了基于查找表的設計方法。
如圖5所示:在phase中把實部Re的絕對值乘100后除以虛部Im的絕對值,得到的值按照一定的規律轉化成Counter (從0到1 024) 。rom中事先存著0到90的相位值, Counter做為RAM的地址輸入,此時通過Counter的值就可以查找出對應的相位。再根據sign產生的實部、虛部的符號來判斷相位的象限,得出0到360°范圍的相位值。
圖5 相位譜模塊電路圖
1. 4 SDRAM外部存儲
為了對數據進行緩存,本設計采用了hy57v561620SDRAM外部存儲芯片。SDRAM具有大容量和高速度的特點,滿足地震勘探的大數據容量和高速度要求。
在SOPC Builder中,已經存在基于Avalon 接口的SDRAM控制內核,用戶可以很方便的使用SDRAM控制器創建一個可以靈活的與SDRAM芯片接口的儲存系統。
模塊工作在96 M的系統主時鐘下,當接收到N IOS II發出的讀命令后, SDRAM開始讀取A /D傳來的數據,直到數據存放完畢。然后在N IOS II的控制下,再與DSP模塊進行互相間的數據傳輸。
1. 5 通訊模塊
為了把數據上傳到上位機上進行顯示,本系統采用了RS232 串口通信,串口通信的概念非常簡單,串口按位發送和接收字節,可以在使用一根線發送數據的同時用另一根線接收數據,此外它還能夠實現遠距離通信。在SOPC Builder中,也已經存在基于Avalon接口的UART內核接口,為Altera FPGA上的嵌入式系統和外部設備提供了串行字符流的通信方式,內核執行RS2232協議時序。
2 系統軟件設計
軟件設計主要包括驅動程序和應用級代碼編寫等部分,如圖6所示。在Nios II IDE中建立新的軟件工程時, IDE會根據SOPC Builder對系統的硬件配置自動生成一個定制HAL (硬件抽象層)系統庫。這個庫能為程序和底層硬件的通信提供接口驅動程序,之后進行編譯、調試、下載軟件到開發板上。
圖6 系統軟件結構框圖
本設計的應用程序流程如圖7所示:系統工作時先初始化,接著控制A /D模塊進行數據采集,采集來的數據進行直接送入DSP模塊進行實時處理,并把處理前和處理后的數據都存儲到SDRAM中。
最后把SDRAM中的數據經過串口發送到PC機上。
圖7 應用程序流程圖
3 系統實驗結果
本系統借助某智能儀器物探公司的礦井探測技術平臺,利用透射槽波探測技術來判斷煤層的結構特性。系統分別在兩處不同地點的煤層進行實驗,首先控制系統同步采集多道地震數據得到原始記錄,然后對數據進行帶通頻率為180 Hz～300 Hz的數字濾波,最后對濾波后的數據進行頻譜分析得到信號的振幅圖,詳圖見圖8和圖9。
圖8 連續煤層波譜特征圖圖
圖9 不連續煤層波譜特征圖
圖8中P波、S波及煤層槽波埃里相波組特征明顯,分別分布在50 ms、100 ms及170 ms處,根據探測原理,可以判斷該煤層應為連續煤層;而圖9在150 ms后無明顯的埃里相位反映, P、S波組特征卻較強,可以判斷該煤層構造已破壞,因此產生不連續的波譜特征圖。經驗證,其判斷與實際情況吻合。
4 小結
本系統利用SOPC技術,設計了高性能的數據采集與處理系統。系統利用SOPC及FPGA特有的優勢,使系統具備了高靈活性、便攜性、實時性、和多道同步性等特點,解決了傳統方法設計的系統難以滿足地震勘探的高性能要求問題。把系統應用到地震勘探實現對煤層結構的探測,得到良好的效果,系統具備很高的經濟價值。