基于ARM的海底大地電磁信號采集系統(tǒng)主控模塊改進(jìn)

1 海底大地電磁儀的分析

海底大地電磁數(shù)據(jù)采集器是對海底大地電磁場和海底環(huán)境信息進(jìn)行自動采集的智能化儀器，旨在建立具有我國特色的海底大地電磁探測技術(shù)，并使之實用化，為我國海域區(qū)域地質(zhì)調(diào)查提供新的技術(shù)支撐，為發(fā)展我國海洋電磁探測奠定基礎(chǔ)。儀器于2000年研制成功后，在我國東海大陸架進(jìn)行了成功試驗。

整個數(shù)據(jù)采集器由電道前放板、磁道前放板、主放板、輔助通道板、時鐘板、數(shù)字板、標(biāo)定信號板和主控單元構(gòu)成層疊式電路結(jié)構(gòu)。整個電路板的整體何種為90×96×170mm3，重量約1kg。采集器使用+5V和±12V三路電源，工作狀態(tài)下整機(jī)功耗為7W，正常工作的環(huán)境溫度為-50℃～+70℃。目前一期完成的海底大地電磁儀最長記錄時間為7天，頻率范圍為0.0001Hz～100Hz。數(shù)據(jù)采集器配置容量為144MB的固態(tài)電子盤。從數(shù)據(jù)處理的邏輯次序看，整個系統(tǒng)分為八部分，包括前置放大、數(shù)字和模擬濾波、低通濾波、高通濾波、主放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、緩沖存儲和數(shù)據(jù)存儲。

一期建設(shè)中，海底大地電磁儀器整體效果還是令人滿意的。但也存在一些不足，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）系統(tǒng)功耗

目前系統(tǒng)正常工作下，功耗約為7W。其中主要包括磁場傳感器功耗290mW、傾斜傳感器功耗45mW、振動傳感器功耗0.5W、主控電路功耗2W等。在電池電能一定的情況下，整個采集可以持續(xù)7天左右，采集時間長度不夠。

（2）主控單元

目前采用286系列主控單元，在嵌入式系統(tǒng)發(fā)展到很高水平的今天，已不適應(yīng)高效率、高集成度的技術(shù)需要。

（3）采集穩(wěn)定性

海底大地電磁采集要求各采集點精確同步，所以系統(tǒng)對穩(wěn)定性的要求十分高。而目前系統(tǒng)采用單道大循環(huán)程序?qū)崿F(xiàn)各項系統(tǒng)任務(wù)。這樣不利于提高數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。

2 改進(jìn)方案的設(shè)計思路

海底電磁數(shù)據(jù)采集需要的海上作業(yè)，采集成本大。為了達(dá)到效率最大化，就必須明顯降低原有系統(tǒng)的功耗，并提高數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。鑒于此，改進(jìn)方案如下：

（1）用ARM芯片取代286系列主控單元

ARM具有集成度高、能耗低等特點，通過使用ARM芯片取代目前的286系列主控單元將極大地降低系統(tǒng)的功耗，同時也可以縮減電路，進(jìn)而降低電路的復(fù)雜度，減小系統(tǒng)的體積。

（2）用μC/OS-II取代目前的單道程序

μC/OS-II取得了美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）對于商用飛機(jī)的、符合RTCA DO-178B標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證，表明μC/OS-II具有足夠的安全性和穩(wěn)定性。使用操作系統(tǒng)管理多任務(wù)，實現(xiàn)多任務(wù)的并發(fā)和同步。通過這種方式取代目前的單道大循環(huán)程序，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 改進(jìn)主控單元的硬件組成

ARM架構(gòu)在推出后獲得了成功，各種ARM核心版本以及不同系統(tǒng)方案種類繁多。使用ARM本身已經(jīng)比原有主控電路功耗降低，在滿足實際需要的情況下，還可以在ARM各架構(gòu)中選擇功耗較低的。最終選擇了ARM7TDMI結(jié)構(gòu)，部分架構(gòu)功耗比較見表1。由于原有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前臺采集部分和后臺主控部分使用ISA總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行連接，在ARM7TDMI架構(gòu)的ARM芯片中，選擇了ATMEL公司支持ISA總線擴(kuò)展的AT91M40800。為完成系統(tǒng)所需任務(wù)，根據(jù)ATMEL公司發(fā)布的EB40開發(fā)板電路設(shè)計主控單元。片內(nèi)SRAM 8KB，外部Flash2MB，另有外部器件如串行接口和網(wǎng)絡(luò)接口等。AT91m40800共有37個寄存器，其中包括31個32位通用寄存器（含程序計數(shù)器PC在內(nèi)）、6個32位狀態(tài)寄存器（但目前只使用其中的12位）。運行時的任意時刻，可見寄存器包括15個通用寄存器（R0～R14），一個或兩個狀態(tài)寄存器及程序計數(shù)器PC，其他寄存器多用于備份。經(jīng)測試證明：所購芯片功耗測量均值小于0.25mW，較之原有主控單元2W的功耗，顯著降低。