基于ARM的地震数据采集电路设计

摘要：介绍了以ARM内核S3C2440为处理器，24位自带模拟开关的ADS1256芯片为A/D转换和信号输入通道选择，利用其特性、工作原理来设计具有高精度、多通道、实时操作性强的地震数据采集系统电路。数据通过桥式低通滤波输入，有效地抑制了长导线共模信号，并且大大提高了整个电路抗电磁干扰能力，从而可以实现地震数据采集系统的高精度、高质量、低功耗和便携式等特点。

0 引言

随着石油勘探技术的快速发展，特别是高分辨率勘探技术的深入，越来越要求地震数据采集应具有高精度、高质量等特点，也就是说采集数据要具有宽频、高保真、高信噪比、高动态，这样才能更好地识别岩性、流体、裂缝油藏，以及改进油藏定位、储集特征、油藏连通性的描述和提高采收率等。如何提高地震勘探仪器技术指标、采集速率及数据预处理能力，已成为现代地震勘探仪器发展的关键技术，其中数据采集电路设计尤为重要。本文针对上述技术问题进行讨论与研究，提出了关于多通道高速地震数据采集电路设计方案，该系统应用嵌入式ARM内核处理器和24位高速ADS1256模/数转换器作为本系统核心控制，充分利用ARM内核芯片的电气特性和ADS1256自集成多功能模块，从而大大的增强了仪器的实时可操作性、降低了仪器本身体积及功耗、提高了数据采集速率及数据精度，并且能通过模拟开关进行灵活的通道选择。

1 总体电路结构组成

1.1 系统总体结构框图

电路总体结构如图1所示，采用三星公司生产的ARM9系列S2C2440微处理器作为核心控制芯片，由地震检波器输出微弱、复杂的地震信号首先经模拟信号调理电路的放大、跟随以及滤波等处理后，再通过控制模拟开关进行选择通道，然后再应用ADS1256进行模/数转换，采集到的数据是通过SPI总线的方式送入海量存储器中，以便以后查阅和分析。

1.2 模拟信号调理电路

模拟信号调理电路主要包括地震微弱信号的滤波、放大等。地震信号首先通过桥式低通滤波构成的输入电路，然后再通过前置放大电路。

输入电路主要是起到RC阻抗匹配网络的作用，压制长导线传输中的共模信号，阻止高频信号，提高抗干扰能力，另外也对接收进来的妨碍有效波记录的干扰波进行压制，电路原理如图2所示。

前置放大电路主要由两级组成，两级采用直接耦合的方式连接，第一级把双端输入地震信号放大，然后单级输出，再通过第二级差分线性放大器，转换输出方式，为A/D转换提供双端输入差分信号，也进一步的消除了输入电路的共模信号，电路原理如图3所示。为保证输入端保持平衡状态，第一级两个输入端对地的电阻值应相等，为了降低共模电压放大倍数，一般使R7=R8，R9=R10。

1.3 模/数转换电路

采用ARM处理器控制ADS1256作为模/数转换电路，ADS1256只能工作在SPI通信模式下。设计采用ARM处理器的通用I/O口来控制ADS1256片上寄存器，也可以通过串口读/写这些寄存器，通过控制ADS1256的CS端信号来选择是否开始转换。通过读取DRDY引脚的电平来表示转换是否已经完成，低电平时表明数据转换完成，高电平时表示数据转换未完成。从DOUT引脚读取最新转换数据，控制内部模拟开关寄存器来配置四通道差分输入，将AINO～AIN7作为输入端，AINCOM不用，一般接地就可以，其中PSEN3～PSEN0为差分信号的正输入端选择位，NSEL3～NSEL0为差分信号的负输入端选择位。用ADCON寄存器来配置输出时钟、传感器检测选择、程控放大倍数选择，CLK1，CLK0为输出时钟选择位。其中：00表示输出时钟关闭;01表示输出fCLKIN;10表示输出fCLKIN/2;11表示输出fCLKIN/4，主时钟由外部晶振提供，晶振选取7.68 MHz，PGA2～PGA0为程控增益放大器的放大倍数选择位：000=1，001=2，010=4，011=8，100=16，101=32，110=64，111=128，可以根据信号的强度来来配置寄存器。DIR7～DIR0为数据速率选择位，11110000=30 kS/s为默认值。这样可以通过软件编程控制各个寄存器来灵活的配置所需要的时钟输出、传感器检测选择、程控放大倍数、数据转换速率等。其控制电路连接如图4所示。

在PCB板布线时晶振必须靠近ADS1256，为保证起振并得到一个稳定的频率，须外接小于0.1μF的陶瓷电容，本系统取18 pF。

1.4 外围接口电路

其主要接口电路包括触摸显示电路、存储电路和上位机通信电路等，基本与开发板上的接口电路相似，这里只作简单的文字叙述。电路主要采用扩展FLASH和SDRAM，用于系统的启动和运行程序的加载，其中FLASH用来保存用户的程序代码，SDRAM用来存储程序运行时的数据和少量数据。显示部分采用平板型结构的液晶显示器件，它具有显示信息量大、低