基于ARM和FPGA的便携人工地震数据采集系统设计

2 系统软件设计概要

Linux因其源代码开放性特点，成为嵌入式系统中应用最为广泛的操作系统之一。本系统采用嵌入式操作系统Linux-2.6.30内核，交叉编译工具使用arm-none-linux-gnueabi-gcc，底层硬件驱动和数字信号FIR/IIR滤波程序使用C语言，部分代码使用嵌入式汇编语言，上层应用程序开发则使用C、C++。本系统的软件设计主要任务包括操作系统的移植、驱动程序开发(包括数据采集驱动、系统控制及标定驱动程序等模块)以及嵌入式应用软件和上位PC机应用软件开发。

2.1 嵌入式操作系统Linux-2.6.30的裁剪

下载解压缩内核源文件。修改顶层目录下的Makefile文件，设定目标硬件ARCH=arm，指定交叉编译环境路径CROSS_COMPILE=/usr/locaL/arm-2007q1/bin/arm-none-linux- gnueabi-。使用图形界面或文本行界面进行内核配置，根据硬件电路和软件系统功能对内核模块进行剪裁，完成操作系统镜像的定制、编译与调试，并在此环境上进行应用软件和驱动程序的开发。在ARM中植入嵌入式linux平台，首先根据目标设备的硬件配置及需要，对linux-2.6.30内核进行基本定制，开发并安装驱动程序，增加CPU动态调频特性，生成镜像文件。JTAG将U-boot写入Flash后，通过网卡将镜像文件下载到目标设备中进行调试，最终把U-boot、linux-2.6.30内核及文件系统映像文件等烧写入Flash存储器。

2.2 A/D数据采集驱动

设备驱动程序是操作系统内核与硬件之间的接口，属于内核的一部分。根据功能划分，设备驱动程序代码有以下几个部分：(1)驱动程序的注册与注销；(2)设备的打开与释放；(3)设备的读／写操作；(4)设备的控制操作；(5)数据采集中断处理程序和PPS_INTERRUPT中断处理程序。AD驱动程序最终实现一个字符设备驱动，为了使该驱动程序能够被上层的应用程序方便地调用，需要实现以下的接口函数：

(1)open调用：打开数据采集通道，需要注意的是open调用不应该自动启动AD采样，而应该由ioctl调用提供显式的控制接口。
(2)read调用：读取采样数据，阻塞式读取，以字节数返回读取到的数据量。
(3)release调用：关闭数据采集通道，释放系统资源。
(4)ioctl调用：提供以下一些设置命令。DS-ADC-START：启动AD采样，每次开始都会清空上次未读走的数据。DS-ADC-ST0P：停止AD采样。DS-ADC-SET-SAMPIE_RATE：设定采样率。DS-AdC-GET-COUNT：获取内存环行缓冲区中已存储的采样数据。

2.3 应用软件设计

应用软件包括嵌入式应用软件和PC机应用软件。嵌入式应用软件运行在采集器ARM处理器上，具体实现为一个命令解析服务器，通过Socket接口连接到上位PC机，并接收PC机端发送来的控制命令，执行相应的操作。PC机应用软件由主线程和数据通信线程组成。主线程为文档-视图结构，实现参数查询与设置操作、实时波形显示与波形存储等功能；数据通信线程与硬件通信，接收波形数据。主要功能包括，(1)实时接收、存储波形数据；(2)实时浏览波形；(3)查询、设置系统工作参数；(4)查询GPS信息；(5)查询、设置标定参数、启动停止标定；(6)查询、设置触发参数；(7)设置数据采集器通信参数。

3 动态电源管理

在本设计中，从微处理器和A/D等芯片的选型到电源系统设计都充分考虑低功耗设计，为了进一步降低系统功耗，设计中引入了CPU动态调频技术。位于系统内核的负载监控器Load Monitor负责统计核算负载信息，并根据系统负载轻重，驱动电源管理控制器Power Controller对CUP工作频率和相关设备能效状态做出调整。该模型对应用层程序完全透明，但应用程序也可通过proc接口显式调整系统状态。在开发板的初步实验中,在测试程序为while死循环情况下，测得系统在三个频率点上的总功率为169 mA×12 V@400 MHz,133 mA×12 V@
200 MHz，112 mA×12 V@99 MHz，系统存在可观的降耗空间。值得注意的是，动态调频对系统稳定性造成很大挑战，调频代码需进一步完善。

本文主要讨论了基于低功耗微处理器AT91SAM9G20和可编程逻辑门阵列器件（FPGA）的地震数据采集系统的硬件设计和嵌入式Linux软件开发思路。值得一提的是，在系统中引入动态调频技术，为进一步降低系统动态功耗以至总体功耗做了有益探索。本设计是在对当前地震测量技术发展研究的基础上，提出的一种功耗低、体积小、野外使用安装便捷的实现方案，对降低数据采集成本、延长系统有效工作时间、提高野外工作效率有着积极意义。