基于ARM和FPGA的便攜人工地震數據采集系統設計

2 系統軟件設計概要
Linux因其源代碼開放性特點，成為嵌入式系統中應用最為廣泛的操作系統之一。本系統采用嵌入式操作系統Linux-2.6.30內核，交叉編譯工具使用arm-none-linux-gnueabi-gcc，底層硬件驅動和數字信號FIR/IIR濾波程序使用C語言，部分代碼使用嵌入式匯編語言，上層應用程序開發則使用C、C++。本系統的軟件設計主要任務包括操作系統的移植、驅動程序開發(包括數據采集驅動、系統控制及標定驅動程序等模塊)以及嵌入式應用軟件和上位PC機應用軟件開發。
2.1 嵌入式操作系統Linux-2.6.30的裁剪
下載解壓縮內核源文件。修改頂層目錄下的Makefile文件，設定目標硬件ARCH=arm，指定交叉編譯環境路徑CROSS_COMPILE=/usr/locaL/arm-2007q1/bin/arm-none-linux- gnueabi-。使用圖形界面或文本行界面進行內核配置，根據硬件電路和軟件系統功能對內核模塊進行剪裁，完成操作系統鏡像的定制、編譯與調試，并在此環境上進行應用軟件和驅動程序的開發。在ARM中植入嵌入式linux平臺，首先根據目標設備的硬件配置及需要，對linux-2.6.30內核進行基本定制，開發并安裝驅動程序，增加CPU動態調頻特性，生成鏡像文件。JTAG將U-boot寫入Flash后，通過網卡將鏡像文件下載到目標設備中進行調試，最終把U-boot、linux-2.6.30內核及文件系統映像文件等燒寫入Flash存儲器。
2.2 A/D數據采集驅動
設備驅動程序是操作系統內核與硬件之間的接口，屬于內核的一部分。根據功能劃分，設備驅動程序代碼有以下幾個部分：(1)驅動程序的注冊與注銷；(2)設備的打開與釋放；(3)設備的讀／寫操作；(4)設備的控制操作；(5)數據采集中斷處理程序和PPS_INTERRUPT中斷處理程序。AD驅動程序最終實現一個字符設備驅動，為了使該驅動程序能夠被上層的應用程序方便地調用，需要實現以下的接口函數：
(1)open調用：打開數據采集通道，需要注意的是open調用不應該自動啟動AD采樣，而應該由ioctl調用提供顯式的控制接口。
(2)read調用：讀取采樣數據，阻塞式讀取，以字節數返回讀取到的數據量。
(3)release調用：關閉數據采集通道，釋放系統資源。
(4)ioctl調用：提供以下一些設置命令。DS—ADC—START：啟動AD采樣，每次開始都會清空上次未讀走的數據。DS—ADC—ST0P：停止AD采樣。DS—ADC—SET—SAMPIE_RATE：設定采樣率。DS—AdC—GET—COUNT：獲取內存環行緩沖區中已存儲的采樣數據。
2.3 應用軟件設計
應用軟件包括嵌入式應用軟件和PC機應用軟件。嵌入式應用軟件運行在采集器ARM處理器上，具體實現為一個命令解析服務器，通過Socket接口連接到上位PC機，并接收PC機端發送來的控制命令，執行相應的操作。PC機應用軟件由主線程和數據通信線程組成。主線程為文檔—視圖結構，實現參數查詢與設置操作、實時波形顯示與波形存儲等功能；數據通信線程與硬件通信，接收波形數據。主要功能包括，(1)實時接收、存儲波形數據；(2)實時瀏覽波形；(3)查詢、設置系統工作參數；(4)查詢GPS信息；(5)查詢、設置標定參數、啟動停止標定；(6)查詢、設置觸發參數；(7)設置數據采集器通信參數。
3 動態電源管理
在本設計中，從微處理器和A/D等芯片的選型到電源系統設計都充分考慮低功耗設計，為了進一步降低系統功耗，設計中引入了CPU動態調頻技術。位于系統內核的負載監控器Load Monitor負責統計核算負載信息，并根據系統負載輕重，驅動電源管理控制器Power Controller對CUP工作頻率和相關設備能效狀態做出調整。該模型對應用層程序完全透明，但應用程序也可通過proc接口顯式調整系統狀態。在開發板的初步實驗中,在測試程序為while死循環情況下，測得系統在三個頻率點上的總功率為169 mA×12 V@400 MHz,133 mA×12 V@
200 MHz，112 mA×12 V@99 MHz，系統存在可觀的降耗空間。值得注意的是，動態調頻對系統穩定性造成很大挑戰，調頻代碼需進一步完善。
本文主要討論了基于低功耗微處理器AT91SAM9G20和可編程邏輯門陣列器件（FPGA）的地震數據采集系統的硬件設計和嵌入式Linux軟件開發思路。值得一提的是，在系統中引入動態調頻技術，為進一步降低系統動態功耗以至總體功耗做了有益探索。本設計是在對當前地震測量技術發展研究的基礎上，提出的一種功耗低、體積小、野外使用安裝便捷的實現方案，對降低數據采集成本、延長系統有效工作時間、提高野外工作效率有著積極意義。
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