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