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基于FPGA的地震数据采集节点系统设计

周国家  
【摘要】:石油是经济发展的重要能源,加强对石油资源的勘探开发具有重要的战略意义。近年来,随着国内外地球物理勘探技术的不断发展,作为石油勘探中最有效的物探方法,地震勘探法得到了进一步发展和完善。同时伴随电子技术、通讯技术和计算机技术的不断发展,用于地震勘探的主要设备地震仪的性能也得到了不断的提升。目前,地震仪设备种类繁多,本论文通过对比国内外地震仪的特点及地震仪的发展趋势,结合现代信号采集和处理技术,设计了基于FPGA的地震数据采集节点系统。 目前国内研发的无缆存储式地震仪相关产品一般采用多CPU架构如ARM+FPGA架构开发,而地震数据的回收需要专门的回收单元如以太网进行回收整理,其回收时间长,效率低。因此论文结合国内外无缆存储式地震仪的特点,采用SOPC(System On a Programmable Chip,片上可编程系统)设计思想和方法,利用Altera最新推出的系统集成开发工具Qsys,设计了基于Nios Ⅱ嵌入式软核的地震数据采集方案。该系统结合SOPC技术的特点,可以作为地震数据采集系统迈向低功耗、数字化、高集成度、高性能方向的一个良好解决方案。针对地震数据的回收,论文设计和实现了基于FAT32文件系统格式的地震数据存储单元,回收时可根据需要拷贝相应的文件进行整理,通过这种方式有效的简化了回收机制,提高了回收效率。 针对节点系统中涉及的关键技术单元,包括电源单元、数据采集单元、GPS授时同步单元、地震数据存储单元,结合Qsys系统的设计开发流程,论文提出了以下三个阶段的研究和设计方案。 1.外围硬件电路设计 ①、设计能满足长时间连续测量的直流稳压电源,包括低纹波设计和抗干扰设计,另外整个系统尽量满足低功耗要求; ②、在实现地震波采集功能的基础上,尽量考虑成本和电路体积的因素,设计FPGA上运行Nios Ⅱ软核所必须的外围配置电路和内存单元; ③、根据地震波的特点,设计满足地震数据采集要求的地震信号滤波电路和A/D转换电路; ④、选用高精度的GPS授时模块,设计相应的接口电路; ⑤、根据SD卡和CF卡接口规范,分别选择SPI和True IDE接口方式,设计SD卡和CF卡接口电路。 2. Nios Ⅱ嵌入式硬件设计 结合Qsys设计流程,在Qsys系统集成工具中添加实现各功能的IP核组件生成Qsys系统。针对Qsys平台没有提供相关IP核组件的情况(如ADS1252接口),论文采用Verilog HDL语言编写基于Avalon总线结构的自定义IP核,而针对平台虽然提供了某些IP核组件但这些组件还可以通过逻辑优化以提高整体性能的情况(如GPS授时模块1pps信号用到的PIO内核以及SD卡采用SPI模式时用到的SPI内核),在顶层模块中,采用自底向上的设计思想,利用Verilog HDL语言设计相应的控制模块,并在Modelsim中进行仿真验证。 3. Nios Ⅱ嵌入式软件设计 在Nios Ⅱ11.0Software Build Tools for Eclipse集成开发环境中,利用C语言进行编程设计。在程序中,根据各接口的寄存器映射偏移地址,采用结构体直接访问寄存器以实现对各接口的灵活控制,并且,通过中断方式,实现对ADS1252地震数据读取使能以及GPS授时模块1pps信号的实时快速响应,同时,移植高效的文件系统模型FatFS,采用FAT32文件格式及时存储地震数据,最终实现整个系统的功能。 伴随整个系统设计的完成,论文取得以下成果: 1.利用SOPC技术实现地震数据采集节点系统的功能,有效地提高了系统集成度,降低了系统整体功耗。 2.采用兼容性强的FAT32文件格式存储各节点采集的地震数据,改善地震数据回收方式,有效提高了回收效率。 3.通过设计自定义ADS1252控制IP核,实现信号采样时序完全由内部状态机控制,软件只需要在中断服务程序中读写相应控制寄存器就可以实现整个A/D采集过程,有效地提高了程序的执行效率。 4.论文设计了地震信号预处理电路,其中,滤波电路的幅频响应曲线平坦,而A/D转换电路的分辨率在其采样频率段完全满足地震数据采集要求。


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