基于SOPC的数据采集与处理系统设计

模块、加法模块及开方模块组成，其都可以用ALTERA公司对应的IP核来实现。对于相位谱模块，其需要求反正切函数，对此本设计用了基于查找表的设计方法。

　　如图5所示：在phase中把实部Re的绝对值乘100后除以虚部Im的绝对值，得到的值按照一定的规律转化成Counter （从0到1 024） 。rom中事先存着0到90的相位值， Counter做为RAM的地址输入，此时通过Counter的值就可以查找出对应的相位。再根据sign产生的实部、虚部的符号来判断相位的象限，得出0到360°范围的相位值。

　　图5　相位谱模块电路图

　　1. 4　SDRAM外部存储

　　为了对数据进行缓存，本设计采用了hy57v561620SDRAM外部存储芯片。SDRAM具有大容量和高速度的特点，满足地震勘探的大数据容量和高速度要求。

　　在SOPC Builder中，已经存在基于Avalon 接口的SDRAM控制内核，用户可以很方便的使用SDRAM控制器创建一个可以灵活的与SDRAM芯片接口的储存系统。

　　模块工作在96 M的系统主时钟下，当接收到N IOS II发出的读命令后， SDRAM开始读取A /D传来的数据，直到数据存放完毕。然后在N IOS II的控制下，再与DSP模块进行互相间的数据传输。

　　1. 5　通讯模块

　　为了把数据上传到上位机上进行显示，本系统采用了RS232 串口通信，串口通信的概念非常简单，串口按位发送和接收字节，可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据，此外它还能够实现远距离通信。在SOPC Builder中，也已经存在基于Avalon接口的UART内核接口，为Altera FPGA上的嵌入式系统和外部设备提供了串行字符流的通信方式，内核执行RS2232协议时序。

　　2　系统软件设计

　　软件设计主要包括驱动程序和应用级代码编写等部分，如图6所示。在Nios II IDE中建立新的软件工程时， IDE会根据SOPC Builder对系统的硬件配置自动生成一个定制HAL （硬件抽象层）系统库。这个库能为程序和底层硬件的通信提供接口驱动程序，之后进行编译、调试、下载软件到开发板上。

　　图6　系统软件结构框图

　　本设计的应用程序流程如图7所示：系统工作时先初始化，接着控制A /D模块进行数据采集，采集来的数据进行直接送入DSP模块进行实时处理，并把处理前和处理后的数据都存储到SDRAM中。

　　最后把SDRAM中的数据经过串口发送到PC机上。

　　图7　应用程序流程图

　　3　系统实验结果

　　本系统借助某智能仪器物探公司的矿井探测技术平台，利用透射槽波探测技术来判断煤层的结构特性。系统分别在两处不同地点的煤层进行实验，首先控制系统同步采集多道地震数据得到原始记录，然后对数据进行带通频率为180 Hz～300 Hz的数字滤波，最后对滤波后的数据进行频谱分析得到信号的振幅图，详图见图8和图9。

　　图8　连续煤层波谱特征图图

　　图9　不连续煤层波谱特征图

　　图8中P波、S波及煤层槽波埃里相波组特征明显，分别分布在50 ms、100 ms及170 ms处，根据探测原理，可以判断该煤层应为连续煤层;而图9在150 ms后无明显的埃里相位反映， P、S波组特征却较强，可以判断该煤层构造已破坏，因此产生不连续的波谱特征图。经验证，其判断与实际情况吻合。

　　4　小结

　　本系统利用SOPC技术，设计了高性能的数据采集与处理系统。系统利用SOPC及FPGA特有的优势，使系统具备了高灵活性、便携性、实时性、和多道同步性等特点，解决了传统方法设计的系统难以满足地震勘探的高性能要求问题。把系统应用到地震勘探实现对煤层结构的探测，得到良好的效果，系统具备很高的经济价值。