基于SOPC的數據采集與處理系統設計

　　煤炭是事關國民經濟可持續發展的基礎產業，隨著國民經濟的發展，各個行業對煤炭的需求量不斷增加，如何保障煤炭生產的安全高效和可持續性發展就顯得非常重要。而地震勘探作為一種廣泛應用的物理地球勘探手段，把它應用到礦井探測中，可以超前探測斷層、陷落柱、采空區的形態、走向、影響范圍及頂底煤厚、圍巖松動圈等的內容，為煤礦生產過程中出現的地質異常提供及時準確的預測參數，以保障煤炭生產的安全高效。因此開發出適用于礦井地震勘探儀器具有十分重要的意義。但是，地震勘探對數據采集與處理系統的性能要求很高，用傳統的單片機或DSP來實現，很難滿足系統的實時性、多通道同步性和儀器便攜性等要求。

　　SOPC技術將CPU、存儲器、I/O接口等系統設計所必須的模塊集成在一片FPGA上，是一種新的系統設計技術。這種設計方式，具有開發周期短、設計靈活、可裁減、可擴充、可升級、軟硬件在系統可編程的功能，特別適用于復雜系統的設計。

　　本文給出了一種基于SOPC的數據采集與處理系統的設計方案。系統用24位模數轉換芯片實現多通道地震數據前端采集;利用FPGA的可并行及高速運算特點，用FPGA代替傳統的DSP芯片，設計并行的數據信號同步處理，以提高系統的實時性和同步性。該系統成功地應用到礦井地震勘探中，得到良好的效果。

　　1　系統硬件實現

　　數據采集與處理系統主要是對數據的采集以及對得到數據的處理，本系統采用SOPC技術，以軟核處理器N IOS II為控制核心，N IOSⅡCPU和各IP模塊之間通過Avalon片上總線相連。系統原理圖見圖1所示。系統主要由四個硬件模塊構成：數據采集模塊、數據處理模塊、數據存儲模塊和數據通訊模塊。數據采集模塊主要用24位高精度A /D芯片進行地震數據采集; 數據處理模塊主要用FPGA實現各DSP算法; 數據存儲模塊采用SDRAM實現;數據通訊模塊采用RS232串口通訊，負責把數據上傳到上位機上顯示。

　　圖1　系統原理圖

　　1. 1　NIOS II CPU

　　Nios II系列軟核處理器是Altera的第二代FP2GA嵌入式處理器，是一個用戶可配置的通用Risc嵌入式處理器，擴展了目前世界上最流行的軟核嵌入式處理器的性能。用戶可以從三種處理器（快速、標準、經濟）以及超過60個的IP核中選擇所需要的，NiosII系統為用戶提供了最基本的多功能性，設計師可以以此來創建一個最適合他們需求的嵌入式系統。本設計采用的是標準型的N IOS IICPU，并調用了SDRAM 控制器和異步串口URAT （RS_232 Serial port）等接口IP。

　　1. 2　數據采集模塊

　　數據采集模塊采用多通道同步采集，其基本原理如圖2所示： 4通道同步采集，每個通道由信號前端調理電路、模數轉換采樣電路及A /D接口構成。

　　對采集信號的調理，主要是針對信號的濾波和信號放大處理：地震檢波器采集來相關數據后，使用無源低通濾波器去除高頻無用信號，以防止后續數字濾波產生頻譜混疊;使用高速反饋放大器OPA1632D實現對輸入模擬數據的放大。對于采樣電路，使用24位的A /D7766芯片，該芯片在以125 kHz輸出數據速率工作時具有108 dB的動態范圍，它比具有相同輸出數據速率的同類器件高3 dB，其特別適合地震采集的低功耗和鑒別大信號中的微弱信號要求。

　　圖2　數據采集模塊原理圖

　　1. 3　數據處理模塊

　　SOC系統的一個重要思想就是IP復用，因此本文充分利用了ALTERA公司豐富的DSP IP核資源以提高產品開發效率，實現多通道數據的并行同步處理。

　　1. 3. 1　數字濾波模塊

　　對于地震勘探來說，由檢波器接收到的有效地震信號具備多頻率特性。為了現場技術人員更好地了解地質情況，需要看到特定范圍頻帶的信號，因此需要設計一個具備多頻帶的帶通濾波器。濾波模塊調用了Altera公司的F IR IP核來生成，通過設置參數，即可實現不同要求的濾波器。

　　本系統生成的濾波模塊圖如圖3 所示，其中cofe_set為濾波選擇信號，可以通過N IOS II提供給cofe_set值命令，完成四種不同帶寬的通帶濾波。

　　圖3　濾波模塊圖