分布式电法采集站控制系统的设计与实现

宋 杰，陈儒军，＊，仇洁婷，申瑞杰，何 馨

（1.中南大学 地球科学与信息物理学院，长沙 410083；2.湖南强军科技有限公司，长沙 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）

分布式电法采集站控制系统的设计与实现

宋 杰1，陈儒军1，2＊，仇洁婷2，申瑞杰2，何 馨1

（1.中南大学 地球科学与信息物理学院，长沙 410083；2.湖南强军科技有限公司，长沙 410082）

针对分布式电法勘探的特点，提出了一种以新一代高性能低功耗的ARM处理器AT91SAM9G45为核心的分布式电法采集站控制系统的设计方案，系统包括128MB的DDR2 SDRAM内存系统、256MB Nand Flash存储块以及CF Card接口，同时支持ZigBee模块、WiFi模块和蓝牙模块用于无线控制和数据传输。通过移植内核和驱动程序，并由SSC接口成功地接收到来自DSP的采集数据，进而验证控制系统功能的可信性，从而为分布式电法采集站的控制系统，提供了一种可行的设计方案。

分布式采集；电法勘探；AT91SAM9G45；控制系统

0 引言

分布式采集和集中式采集是数据采集中两种常用的方式，对比集中式采集，分布式采集拥有更小的子系统规模和更智能的控制核心，使得每个采集单元都能控制各自的目标和运行方式，相互协作，共同完成某项数据采集任务，从而提升采集系统的整体稳定性［1］。

陈儒军研究团队在电法和电磁法仪器中设计与应用了基于AT91RM9200嵌入式控制系统。基于上述嵌入式系统为核心的分布式频谱激电仪已被批量应用于野外生产之中，并已取得良好工作效果［2－4］。考虑到AT91RM9200的出产年代较早，并且其性能、功耗和成本都不及同水平的新一代产品，为此作者以新一代的ARM处理器AT91SAM9G45为核心，配合低功耗的存储器设计了新一代的分布式电法采集站控制系统。

1 分布式电法采集的特点

对比传统的单台电法仪器，分布式采集的主要特点有：

1）较高的通道容量。分布式采集一次能够同时布置多个采集站点，每个采集站点能够包含多个接收通道，一次布设就能完成整条测线的测量工作，从而达到减少勘探成本，提高勘探效率的目的。

2）多收发组合形式。分布式采集的各采集通道之间能够根据收发距的不同自由组合成不同的接收形式，通过一次测量数据便能组合得到不同深度的地质体信息，适合中深部找矿［5］。

3）多种勘测方法相互结合。分布式电法采集站都兼具直流电法勘探、激电勘探、接地电阻测量和大地电流测量等多种功能，通过多种方法相结合能够获取更多更全面的信息，有利于反演解释和成图成像。

4）采集站严格同步采集。通过GPS授时同步校准恒温晶振，能够保证每个采集站点都能严格同步开始采集，压制随机干扰，减少信号失真，同时经同步采集的数据能够使用多次叠加的方法突出有用信号，削弱环境噪声，提高信噪比，保证数据质量［6－7］。

5）无线技术的使用。将WiFi、蓝牙、ZigBee等无线技术运用于分布式采集中的控制和数据传输，能够减小因地形地势的复杂给布局布线带来的困难，提高野外施工的便利性［8］。

分布式电法采集站的野外布置如图1所示，采集站通过与五个不极化电极相连来测量四通道的电场信号。同时相邻的两个采集站之间首尾相连共用一个电极以保证测量数据能覆盖整条测线。上位机控制系统通过ZigBee无线技术与采集站进行通讯，以设置启动采集时间、放大增益参数、装置参数等信息，待所有的采集站完成GPS同步之后，达到预先设定的启动采集时间时，所有的采集站便会严格同步触发开始采集。采集完成之后通过ZigBee将采集数据回传给上位机。

图1 分布式电法采集站野外布置示意图Fig.1 Schematic diagram of destributed electrical collection in the field

2 系统总体方案及硬件设计

地球物理勘探仪器的设计，需要用到传感器技术、电子计算机技术、数据传输和通讯技术等多种先进技术。在控制系统的设计上以EH4、MTU－5A、V8、GPD32等为代表的知名电法仪器均采用了x86构架处理器＋MS－DOS／Windows操作系统的控制模式［9］。随着电子技术的飞速发展，ARM已成为业界领先的16／32位嵌入式RISC处理器技术提供商，并结合开源的Linux操作系统，能为高性能、低成本、低功耗的工业控制领域提供良好的解决方案，也为本文的高性能电法仪器控制系统的设计提供了设计思路。

2.1 系统的总体设计

控制系统的功能模块框图如图2所示。考虑到地球物理野外采集所处的复杂条件以及长时间的数据采集要求，这里以嵌入式低功耗ARM处理器为核心，通过丰富的外设扩展，使得采集站能够支持ZigBee无线控制和数据传输、GPS高精度同步采集、BlueTooth蓝牙近距离读取采集站、工作站状态以及温度、湿度传感器对外界环境的实时监控；同时Nand Flash加CF卡的存储体系结构也能满足长时间采集数据存储的要求。

控制系统的核心采用ATMEL的新一代低功耗处理器AT91SAM9G45，该芯片拥有1V的核心工作电压以及400MHz的工作主频，能够满足电法仪器对功耗和性能的要求，能提供USART、TWI、SPI、SSC、USB等多种外设接口，为提高仪器的智能化程度、完善采集站的功能，提供了强有力的保障。

图2 系统功能模块框图Fig.2 Diagram of the system function module

2.2 存储系统的设计

存储系统用来保存和执行操作系统内核、可执行代码及运算数据，是分布式电法控制系统中最重要的部分，其直接关系到控制系统的性能。设计中采用两片的8位宽DDR2SDRAM来组成系统16位宽的“运行内存”，以Nand Flash作“硬盘”存储操作系统和应用程序，以Data Flash来保存内核镜像，用于系统崩溃时恢复系统，同时CF卡可作外接存储体，扩展控制系统的数据存储能力。

DDR2SDRAM是第二代双倍数据速率同步动态随机存储器的简称，相比前代产品具有更高的运行效能和更低的工作电压。DDR2SDRAM电路示意图如图3所示，系统采用MICRON公司的MT47H64M8系列内存颗粒，该芯片在1.8V的电压下工作，3.0ns的读写周期，能够满足主芯片对内存高速读写的要求。两片8位宽64MB的DDR2 SDRAM组成控制系统的16位宽的内存系统，通过与ARM外部总线接口EBI0直接相连，两芯片共用相同的地址总线，通过读写控制信号选择具体操作的芯片，为内核和程序的运行提供足够的内存空间。

图3 DDR2SDRAM电路示意图ig.3 Circuit diagram of DDR2SDRAM

Nand Flash是一种容量大、改写数度快的非易失性存储器，已取代EPROM、EERPOM被广泛用于嵌入式产品的设计，同时由于Nand Flash的数据、地址和命令由统一的8位或16位I／O口传送，使得芯片的引脚数量固定，无需电路的改动就能进行容量的扩展。Nand Flash电路示意图如图4所示，系统采用了一片256MB的镁光存储芯片MT29F2G08用来做启动代码的优先寻址对象存放uboot、内核、文件系统等文件，同时，作为控制系统的“硬盘”，应用程序和采集数据也被存储在Nand Flash中。

图4 Nand Flash电路示意图Fig.4 Circuit diagram of Nand Flash

2.3 GPS同步模块设计

对于分布式采集而言，由于各采集站内部的晶振频率有误差，所以各台装置的采样难以实现严格同步。GPS全球定位系统能够提供误差在1μs以内的高精度时钟，因此将GPS作为各采集站的共同时间基准，可实现各采集站的高准确度同步。

将恒温晶振分频后所得的100kHz的信号与GPS输出的秒脉冲进行对比同步，保证振荡器输出的脉冲信号的前沿与GPS时间同步，同时通过时间测量模块测量二者之间的时间间隔，即能得到恒温晶振输出频率相对于GPS秒脉冲的频率偏差，最后将结果作为D／A转换模块的输入得到恒温晶振控制电压的修正值。即便在GPS因野外施工环境、天气等因素而中断时，恒温晶振也能在一定时间内提供高精度的同步时钟信号［10－11］。

GPS同步示意图见图5。控制系统通过UART口获取GPS模块的串码数据，通过串码数据得到GPS的时间信息以及同步状态，待GPS锁定之后，即可设置启动采集的时间，当采集时刻到来之时，由GPS的秒脉冲触发采集，如此便能保证各采集站的严格同步采集。

图5 GPS同步模块示意图Fig.5 Schematic diagram of GPS synchronization module

2.4 无线通讯模块接口设计

在野外的勘探中，使用无线代替有线是解决线缆笨重、复杂地形布线困难、提高施工效率的有效途径。根据各种无线通讯技术的传输速度、传输距离、功耗以及开发成本的不同，系统设计了ZigBee模块、WiFi模块和蓝牙模块这三种无线通信形式。

1）ZigBee是一种新型的无线通讯技术，适用于短距离、低功耗、低速率的传输场合，工作在2.4GHz的ISM频段上，传输距离可达数公里，已被广泛运用于无线测控、物联网等领域。系统通过USART1口与MaxStream公司的ZigBee收发器模块直接相连，并使用ZigBee收发器所提供的I／O口完成控制系统的上电和断电操作。在野外施工中其主要负责采集过程中的控制命令的传输以及采集数据的回传和数据质量监控。

2）WiFi是在有线局域网的基础之上发展起来的，工作在2.4GHz的ISM频段和5GHz的非许可证频段上，最大传输速率能达到2Mbit／s，具有开发成本低、信号强度高、传输速率快等特点。系统通过USB接口与150M的无线网卡相连，考虑到其功耗较高，因此主要用于室内程序的升级和采集数据的导出。

3）蓝牙技术是一种用于短距离通信的无线电技术，通常用作代替线缆，解决设备之间“最后10m”的连接问题［12］。系统采用德州仪器的CC2540来作为蓝牙的集成芯片，该芯片使用的是C8051控制内核，通过UART口实现与ARM芯片的通讯，同时能提供多达21路GPIO口，作为控制信号使用。蓝牙模块主要用于近距离通过手持设备（如智能手机、PDA等）监控采集站状态，排除故障，保障采集站正常工作。

2.5 采集卡接口设计

高精度的数据采集卡也是分布式电法采集站的一个重要组成部分，因此控制系统也必须提供相应的接口来完成对采集卡的控制［13－14］，这主要包括：①通过UART口读取GPS模块的时间、坐标信息，同步各采集站的时间并为采集站提供高精度的秒脉冲和开始采集的触发信号；②通过SPI口完成对抽取滤波芯片CS5376A的放大倍数、采样频率、滤波器启停控制和增益校准参数的写入和读取；③通过带时钟的USART接口完成DSP程序的上传和DSP控制命令的写入，控制DSP的工作状态；④通过SSC同步串行控制器来读取DSP的采集数据等。

3 测试程序设计及系统测试

嵌入式操作系统及驱动程序的移植，是控制系统开发的一个重要组成部分。其中uboot、内核及根文件系统的编译调试都必须在交叉开发环境下进行，本系统的开发所使用的编译环境为arm－linuxgcc－4.2.0，uboot为1.3.4版，内核为2.6.30版。

控制系统的整体视图见图6，与GPS模块、采集卡等通讯时所需要使用的USART、SPI口的驱动程序，都可以由2.6.30内核中所自带的驱动程序直接支持，与DSP芯片通信以获取采集数据的SSC同步串行控制器的驱动程序设计，是在AT91系列芯片基于IIS的音频驱动程序的基础之上修改得来的，通过开启外设DMA控制器PDC的方式来实现DSP数据的高速传输。

图6 控制系统整体视图Fig.6 The overall view of control system

能否通过SSC口接收到来自DSP的采集数据，是控制系统设计中的核心问题。作者先通过USART2口以57600的波特率上传DSP采集程序，然后通过SPI1口配置A／D的放大倍数、采样率等参数，最后通过USART1配置DSP的工作状态，将由DSP处理的数据由SSC同步串口输出。由SSC口所读取到的DSP二进制采集数据如图7所示。

为了近一步测试控制系统的性能，这里将控制系统与GPS同步模块、四通道激电采集卡相连，组成简易的激电数据采集站，同时利用湖南强军科技有限公司开发的激电采集站桌面控制中心来对系统进行联合测试。测试程序的工作流程如图8所示。

激电采集控制中心在向系统发送上电启动的命令之后，控制系统便会进行一系列的硬件初始化工作并加载Linux操作系统，待系统启动完成之后便会自动开始DSP程序上传，此时采集站的采集环境也就准备好了。在四通道数据采集卡的第一和第四通道通过取样电阻供以1Hz、500mV的正弦波信号，将第二和第三通道短接以测试白噪声；同时通过控制中心设置系统的采样率为64Hz，放大倍数为“1”，待GPS的同步触发信号到来之后系统便开始数据采集，采集结果如图9所示。

图7 通过SSC读取DSP采集数据Fig.7 Reading DSP data from the SSC

图8 测试程序工作流程Fig.8 The flow chart of the test program

由图9可知，第一通道与第四通道都采集到了正弦波信号，第二通道与第三通道由于短接只能测到均方差为“0”的白噪声波形，与实际的测试条件相符。自控制系统上电启动之后，到正确接收控制中心的采集参数并根据采集参数来设置采集卡的工作方式，再到后来接收到来自DSP的采集数据后回传至控制中心以显示采集波形，控制系统在整个过程中都能很好的协调各任务的调度并根据所接收到的指令做出正确的操作，真正发挥了控制系统作为采集站“大脑”的作用。

4 结束语

分布式采集拥有灵活的装置组合形式、严格同步触发采集以及无线智能控制方式，已经越来越多地被运用于电法勘探。作者以高性能低功耗处理器AT91SAM9G45为核心，设计并实现了分布式电法采集站的控制系统，使得系统能够支持ZigBee、WiFi和蓝牙三种无线传输形式，同时通过测试程序来完成对采集卡的控制，最后由SSC口成功接收到DSP的采集数据，从而验证了控制系统功能的正确性。

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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

图9 激电控制中心的测试结果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

中央地质勘查基金（12120113095200）

宋杰（1990－），硕士，主要研究方向为地球物理仪器，E－mail：sjcsu＠sina.com。

＊通信作者：陈儒军（1973－），男（土家族），副教授，从事地球物理仪器与信号处理研究，E－mail：chrujun12358＠gmail.com。