基于ARM的海底大地電磁信號采集系統主控模塊改進

1 海底大地電磁儀的分析

海底大地電磁數據采集器是對海底大地電磁場和海底環境信息進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，并使之實用化，為我國海域區域地質調查提供新的技術支撐，為發展我國海洋電磁探測奠定基礎。儀器于2000年研制成功后，在我國東海大陸架進行了成功試驗。

整個數據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、數字板、標定信號板和主控單元構成層疊式電路結構。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，工作狀態下整機功耗為7W，正常工作的環境溫度為-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。數據采集器配置容量為144MB的固態電子盤。從數據處理的邏輯次序看，整個系統分為八部分，包括前置放大、數字和模擬濾波、低通濾波、高通濾波、主放大器、數據轉換、緩沖存儲和數據存儲。

一期建設中，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，主要體現在以下幾個方面：

（1）系統功耗

目前系統正常工作下，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，在嵌入式系統發展到很高水平的今天，已不適應高效率、高集成度的技術需要。

（3）采集穩定性

海底大地電磁采集要求各采集點精確同步，所以系統對穩定性的要求十分高。而目前系統采用單道大循環程序實現各項系統任務。這樣不利于提高數據采集的穩定性。

2 改進方案的設計思路

海底電磁數據采集需要的海上作業，采集成本大。為了達到效率最大化，就必須明顯降低原有系統的功耗，并提高數據采集的穩定性。鑒于此，改進方案如下：

（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的功耗，同時也可以縮減電路，進而降低電路的復雜度，減小系統的體積。

（2）用μC/OS-II取代目前的單道程序

μC/OS-II取得了美國聯邦航空管理局（FAA）對于商用飛機的、符合RTCA DO-178B標準的認證，表明μC/OS-II具有足夠的安全性和穩定性。使用操作系統管理多任務，實現多任務的并發和同步。通過這種方式取代目前的單道大循環程序，可以提高系統的穩定性。

3 改進主控單元的硬件組成

ARM架構在推出后獲得了成功，各種ARM核心版本以及不同系統方案種類繁多。使用ARM本身已經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各架構中選擇功耗較低的。最終選擇了ARM7TDMI結構，部分架構功耗比較見表1。由于原有數據采集系統前臺采集部分和后臺主控部分使用ISA總線標準進行連接，在ARM7TDMI架構的ARM芯片中，選擇了ATMEL公司支持ISA總線擴展的AT91M40800。為完成系統所需任務，根據ATMEL公司發布的EB40開發板電路設計主控單元。片內SRAM 8KB，外部Flash2MB，另有外部器件如串行接口和網絡接口等。AT91m40800共有37個寄存器，其中包括31個32位通用寄存器（含程序計數器PC在內）、6個32位狀態寄存器（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），一個或兩個狀態寄存器及程序計數器PC，其他寄存器多用于備份。經測試證明：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。