煤炭是事關(guān)國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各個行業(yè)對煤炭的需求量不斷增加，如何保障煤炭生產(chǎn)的安全高效和可持續(xù)性發(fā)展就顯得非常重要。而地震勘探作為一種廣泛應(yīng)用的物理地球勘探手段，把它應(yīng)用到礦井探測中，可以超前探測斷層、陷落柱、采空區(qū)的形態(tài)、走向、影響范圍及頂?shù)酌汉?、圍巖松動圈等的內(nèi)容，為煤礦生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的地質(zhì)異常提供及時準(zhǔn)確的預(yù)測參數(shù)，以保障煤炭生產(chǎn)的安全高效。因此開發(fā)出適用于礦井地震勘探儀器具有十分重要的意義。但是，地震勘探對數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的性能要求很高，用傳統(tǒng)的單片機(jī)或DSP來實現(xiàn)，很難滿足系統(tǒng)的實時性、多通道同步性和儀器便攜性等要求。

　　SOPC技術(shù)將CPU、存儲器、I/O接口等系統(tǒng)設(shè)計所必須的模塊集成在一片FPGA上，是一種新的系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)。這種設(shè)計方式，具有開發(fā)周期短、設(shè)計靈活、可裁減、可擴(kuò)充、可升級、軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能，特別適用于復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計。

　　本文給出了一種基于SOPC的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計方案。系統(tǒng)用24位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)多通道地震數(shù)據(jù)前端采集;利用FPGA的可并行及高速運算特點，用FPGA代替?zhèn)鹘y(tǒng)的DSP芯片，設(shè)計并行的數(shù)據(jù)信號同步處理，以提高系統(tǒng)的實時性和同步性。該系統(tǒng)成功地應(yīng)用到礦井地震勘探中，得到良好的效果。

　　1　系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

　　數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)主要是對數(shù)據(jù)的采集以及對得到數(shù)據(jù)的處理，本系統(tǒng)采用SOPC技術(shù)，以軟核處理器N IOS II為控制核心，N IOSⅡCPU和各IP模塊之間通過Avalon片上總線相連。系統(tǒng)原理圖見圖1所示。系統(tǒng)主要由四個硬件模塊構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)通訊模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要用24位高精度A /D芯片進(jìn)行地震數(shù)據(jù)采集; 數(shù)據(jù)處理模塊主要用FPGA實現(xiàn)各DSP算法; 數(shù)據(jù)存儲模塊采用SDRAM實現(xiàn);數(shù)據(jù)通訊模塊采用RS232串口通訊，負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)上顯示。

　　圖1　系統(tǒng)原理圖

　　1. 1　NIOS II CPU

　　Nios II系列軟核處理器是Altera的第二代FP2GA嵌入式處理器，是一個用戶可配置的通用Risc嵌入式處理器，擴(kuò)展了目前世界上最流行的軟核嵌入式處理器的性能。用戶可以從三種處理器（快速、標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)）以及超過60個的IP核中選擇所需要的，NiosII系統(tǒng)為用戶提供了最基本的多功能性，設(shè)計師可以以此來創(chuàng)建一個最適合他們需求的嵌入式系統(tǒng)。本設(shè)計采用的是標(biāo)準(zhǔn)型的N IOS IICPU，并調(diào)用了SDRAM 控制器和異步串口URAT （RS_232 Serial port）等接口IP。

　　1. 2　數(shù)據(jù)采集模塊

　　數(shù)據(jù)采集模塊采用多通道同步采集，其基本原理如圖2所示： 4通道同步采集，每個通道由信號前端調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路及A /D接口構(gòu)成。

　　對采集信號的調(diào)理，主要是針對信號的濾波和信號放大處理：地震檢波器采集來相關(guān)數(shù)據(jù)后，使用無源低通濾波器去除高頻無用信號，以防止后續(xù)數(shù)字濾波產(chǎn)生頻譜混疊;使用高速反饋放大器OPA1632D實現(xiàn)對輸入模擬數(shù)據(jù)的放大。對于采樣電路，使用24位的A /D7766芯片，該芯片在以125 kHz輸出數(shù)據(jù)速率工作時具有108 dB的動態(tài)范圍，它比具有相同輸出數(shù)據(jù)速率的同類器件高3 dB，其特別適合地震采集的低功耗和鑒別大信號中的微弱信號要求。

　　圖2　數(shù)據(jù)采集模塊原理圖

　　1. 3　數(shù)據(jù)處理模塊

　　SOC系統(tǒng)的一個重要思想就是IP復(fù)用，因此本文充分利用了ALTERA公司豐富的DSP IP核資源以提高產(chǎn)品開發(fā)效率，實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的并行同步處理。

　　1. 3. 1　數(shù)字濾波模塊

　　對于地震勘探來說，由檢波器接收到的有效地震信號具備多頻率特性。為了現(xiàn)場技術(shù)人員更好地了解地質(zhì)情況，需要看到特定范圍頻帶的信號，因此需要設(shè)計一個具備多頻帶的帶通濾波器。濾波模塊調(diào)用了Altera公司的F IR IP核來生成，通過設(shè)置參數(shù)，即可實現(xiàn)不同要求的濾波器。

　　本系統(tǒng)生成的濾波模塊圖如圖3 所示，其中cofe_set為濾波選擇信號，可以通過N IOS II提供給cofe_set值命令，完成四種不同帶寬的通帶濾波。

　　圖3　濾波模塊圖

　　1. 3. 2　頻譜分析模塊

　　為了了解地震信號的頻譜分布范圍，需要對隨時間變化的地震信號進(jìn)行傅里葉變換，以得到隨頻率而變化的振幅和相位的函數(shù)。本設(shè)計的原理圖如圖4所示：先采用ALTERA公司的FFT IP核設(shè)計一個1 024點的FFT模塊，得到的數(shù)據(jù)再送給相位譜計算模塊和振幅譜計算模塊得到振幅譜和相位譜。

　　圖4　頻譜分析模塊原理圖

　　振幅譜、相位譜的公式見式（ 1）與式（ 2） ， ReF（mΔf）和ImF （mΔf）為輸入數(shù)據(jù)經(jīng)FFT模塊處理后得到的實部和虛部值。

　　由式（1）可知，振幅譜模塊主要由乘法模塊、加法模塊及開方模塊組成，其都可以用ALTERA公司對應(yīng)的IP核來實現(xiàn)。對于相位譜模塊，其需要求反正切函數(shù)，對此本設(shè)計用了基于查找表的設(shè)計方法。

　　如圖5所示：在phase中把實部Re的絕對值乘100后除以虛部Im的絕對值，得到的值按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化成Counter （從0到1 024） 。rom中事先存著0到90的相位值， Counter做為RAM的地址輸入，此時通過Counter的值就可以查找出對應(yīng)的相位。再根據(jù)sign產(chǎn)生的實部、虛部的符號來判斷相位的象限，得出0到360°范圍的相位值。

　　圖5　相位譜模塊電路圖

　　1. 4　SDRAM外部存儲

　　為了對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，本設(shè)計采用了hy57v561620SDRAM外部存儲芯片。SDRAM具有大容量和高速度的特點，滿足地震勘探的大數(shù)據(jù)容量和高速度要求。

　　在SOPC Builder中，已經(jīng)存在基于Avalon 接口的SDRAM控制內(nèi)核，用戶可以很方便的使用SDRAM控制器創(chuàng)建一個可以靈活的與SDRAM芯片接口的儲存系統(tǒng)。

　　模塊工作在96 M的系統(tǒng)主時鐘下，當(dāng)接收到N IOS II發(fā)出的讀命令后， SDRAM開始讀取A /D傳來的數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)存放完畢。然后在N IOS II的控制下，再與DSP模塊進(jìn)行互相間的數(shù)據(jù)傳輸。

　　1. 5　通訊模塊

　　為了把數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)上進(jìn)行顯示，本系統(tǒng)采用了RS232 串口通信，串口通信的概念非常簡單，串口按位發(fā)送和接收字節(jié)，可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時用另一根線接收數(shù)據(jù)，此外它還能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。在SOPC Builder中，也已經(jīng)存在基于Avalon接口的UART內(nèi)核接口，為Altera FPGA上的嵌入式系統(tǒng)和外部設(shè)備提供了串行字符流的通信方式，內(nèi)核執(zhí)行RS2232協(xié)議時序。

　　2　系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計主要包括驅(qū)動程序和應(yīng)用級代碼編寫等部分，如圖6所示。在Nios II IDE中建立新的軟件工程時， IDE會根據(jù)SOPC Builder對系統(tǒng)的硬件配置自動生成一個定制HAL （硬件抽象層）系統(tǒng)庫。這個庫能為程序和底層硬件的通信提供接口驅(qū)動程序，之后進(jìn)行編譯、調(diào)試、下載軟件到開發(fā)板上。

　　圖6　系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

　　本設(shè)計的應(yīng)用程序流程如圖7所示：系統(tǒng)工作時先初始化，接著控制A /D模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行直接送入DSP模塊進(jìn)行實時處理，并把處理前和處理后的數(shù)據(jù)都存儲到SDRAM中。

　　最后把SDRAM中的數(shù)據(jù)經(jīng)過串口發(fā)送到PC機(jī)上。

　　圖7　應(yīng)用程序流程圖

　　3　系統(tǒng)實驗結(jié)果

　　本系統(tǒng)借助某智能儀器物探公司的礦井探測技術(shù)平臺，利用透射槽波探測技術(shù)來判斷煤層的結(jié)構(gòu)特性。系統(tǒng)分別在兩處不同地點的煤層進(jìn)行實驗，首先控制系統(tǒng)同步采集多道地震數(shù)據(jù)得到原始記錄，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通頻率為180 Hz～300 Hz的數(shù)字濾波，最后對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析得到信號的振幅圖，詳圖見圖8和圖9。

　　圖8　連續(xù)煤層波譜特征圖圖

　　圖9　不連續(xù)煤層波譜特征圖

　　圖8中P波、S波及煤層槽波埃里相波組特征明顯，分別分布在50 ms、100 ms及170 ms處，根據(jù)探測原理，可以判斷該煤層應(yīng)為連續(xù)煤層;而圖9在150 ms后無明顯的埃里相位反映， P、S波組特征卻較強(qiáng)，可以判斷該煤層構(gòu)造已破壞，因此產(chǎn)生不連續(xù)的波譜特征圖。經(jīng)驗證，其判斷與實際情況吻合。

　　4　小結(jié)

　　本系統(tǒng)利用SOPC技術(shù)，設(shè)計了高性能的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。系統(tǒng)利用SOPC及FPGA特有的優(yōu)勢，使系統(tǒng)具備了高靈活性、便攜性、實時性、和多道同步性等特點，解決了傳統(tǒng)方法設(shè)計的系統(tǒng)難以滿足地震勘探的高性能要求問題。把系統(tǒng)應(yīng)用到地震勘探實現(xiàn)對煤層結(jié)構(gòu)的探測，得到良好的效果，系統(tǒng)具備很高的經(jīng)濟(jì)價值。