基于SOPC的数据采集与处理系统设计

　　煤炭是事关国民经济可持续发展的基础产业，随着国民经济的发展，各个行业对煤炭的需求量不断增加，如何保障煤炭生产的安全高效和可持续性发展就显得非常重要。而地震勘探作为一种广泛应用的物理地球勘探手段，把它应用到矿井探测中，可以超前探测断层、陷落柱、采空区的形态、走向、影响范围及顶底煤厚、围岩松动圈等的内容，为煤矿生产过程中出现的地质异常提供及时准确的预测参数，以保障煤炭生产的安全高效。因此开发出适用于矿井地震勘探仪器具有十分重要的意义。但是，地震勘探对数据采集与处理系统的性能要求很高，用传统的单片机或DSP来实现，很难满足系统的实时性、多通道同步性和仪器便携性等要求。

　　SOPC技术将CPU、存储器、I/O接口等系统设计所必须的模块集成在一片FPGA上，是一种新的系统设计技术。这种设计方式，具有开发周期短、设计灵活、可裁减、可扩充、可升级、软硬件在系统可编程的功能，特别适用于复杂系统的设计。

　　本文给出了一种基于SOPC的数据采集与处理系统的设计方案。系统用24位模数转换芯片实现多通道地震数据前端采集;利用FPGA的可并行及高速运算特点，用FPGA代替传统的DSP芯片，设计并行的数据信号同步处理，以提高系统的实时性和同步性。该系统成功地应用到矿井地震勘探中，得到良好的效果。

　　1　系统硬件实现

　　数据采集与处理系统主要是对数据的采集以及对得到数据的处理，本系统采用SOPC技术，以软核处理器N IOS II为控制核心，N IOSⅡCPU和各IP模块之间通过Avalon片上总线相连。系统原理图见图1所示。系统主要由四个硬件模块构成：数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和数据通讯模块。数据采集模块主要用24位高精度A /D芯片进行地震数据采集; 数据处理模块主要用FPGA实现各DSP算法; 数据存储模块采用SDRAM实现;数据通讯模块采用RS232串口通讯，负责把数据上传到上位机上显示。

　　图1　系统原理图

　　1. 1　NIOS II CPU

　　Nios II系列软核处理器是Altera的第二代FP2GA嵌入式处理器，是一个用户可配置的通用Risc嵌入式处理器，扩展了目前世界上最流行的软核嵌入式处理器的性能。用户可以从三种处理器（快速、标准、经济）以及超过60个的IP核中选择所需要的，NiosII系统为用户提供了最基本的多功能性，设计师可以以此来创建一个最适合他们需求的嵌入式系统。本设计采用的是标准型的N IOS IICPU，并调用了SDRAM 控制器和异步串口URAT （RS_232 Serial port）等接口IP。

　　1. 2　数据采集模块

　　数据采集模块采用多通道同步采集，其基本原理如图2所示： 4通道同步采集，每个通道由信号前端调理电路、模数转换采样电路及A /D接口构成。

　　对采集信号的调理，主要是针对信号的滤波和信号放大处理：地震检波器采集来相关数据后，使用无源低通滤波器去除高频无用信号，以防止后续数字滤波产生频谱混叠;使用高速反馈放大器OPA1632D实现对输入模拟数据的放大。对于采样电路，使用24位的A /D7766芯片，该芯片在以125 kHz输出数据速率工作时具有108 dB的动态范围，它比具有相同输出数据速率的同类器件高3 dB，其特别适合地震采集的低功耗和鉴别大信号中的微弱信号要求。

　　图2　数据采集模块原理图

　　1. 3　数据处理模块

　　SOC系统的一个重要思想就是IP复用，因此本文充分利用了ALTERA公司丰富的DSP IP核资源以提高产品开发效率，实现多通道数据的并行同步处理。

　　1. 3. 1　数字滤波模块

　　对于地震勘探来说，由检波器接收到的有效地震信号具备多频率特性。为了现场技术人员更好地了解地质情况，需要看到特定范围频带的信号，因此需要设计一个具备多频带的带通滤波器。滤波模块调用了Altera公司的F IR IP核来生成，通过设置参数，即可实现不同要求的滤波器。

　　本系统生成的滤波模块图如图3 所示，其中cofe_set为滤波选择信号，可以通过N IOS II提供给cofe_set值命令，完成四种不同带宽的通带滤波。

　　图3　滤波模块图

　　1. 3. 2　频谱分析模块

　　为了了解地震信号的频谱分布范围，需要对随时间变化的地震信号进行傅里叶变换，以得到随频率而变化的振幅和相位的函数。本设计的原理图如图4所示：先采用ALTERA公司的FFT IP核设计一个1 024点的FFT模块，得到的数据再送给相位谱计算模块和振幅谱计算模块得到振幅谱和相位谱。

　　图4　频谱分析模块原理图

　　振幅谱、相位谱的公式见式（ 1）与式（ 2） ， ReF（mΔf）和ImF （mΔf）为输入数据经FFT模块处理后得到的实部和虚部值。

由式（1）可知，振幅谱模块主要由乘法