基于AVR與LabVIEW的大地電磁采集器設計

摘 要: 為實現超長周期大地電磁信號的智能化采集，設計了以ATmega128為主控制器，擴展ADC套片CS5372+CS5376、USB主控制器CH375、GPS模塊和RTC的大地電磁采集器硬件電路；并開發了基于LabVIEW實現了PC與采集器的串口通訊、時間序列回放的用戶軟件。試驗證明采集器達到了高穩定性、高靈敏度、低功耗、易操作的預期目的。 關鍵詞:AVR；LabVIEW；大地電磁數據采集 Design for Magnetotelluric Data Acquisition Instrument Based on AVR and LabVIEW CHEN Kai, DENG Ming, ZHANG QiSheng, Cui Jinling, Wang Meng (China University of Geosciences, Geo-detection Laboratory, Ministry of Education, Beijing 100083) 中圖法分類號:TP274 文獻標識碼：B Abstract: To acquire ultra long period Magnetotelluric signal intelligent, designed data acquire broad hardware, which contains ATmega128 as MCU, CS5372+CS5376 as ADC, CH375 as USB controller, GPS module and RTC; and developed the user software which is based on LabVIEW, achieved the communication between PC and Magnetotelluric Data Acquisition Instrument, and the display of time series .The result of test shows that this instrument obtains some performance such as high stability, high sensitivity, low power and easy to use . Key words: AVR; LabVIEW; Magnetotelluric Data Acquisition 1 引言 超長周期大地電磁信號攜帶著地下深部介質的電性信息，提供了大陸殼幔結構以及地球演化歷史的重要物理證據。所謂“超寬頻帶大地電磁測深”則是指采集信號的頻率范圍從102Hz到10 - 4 Hz 的電磁測量技術。它有三個顯著的特點：一是野外數據采集的時間長，每個測量點上一般連續測量3～4周；二是信號頻帶寬，需要實現從中、低頻到整個超低頻段的精確測量；三是信號能量弱、幅度小，其量級一般為n•uV。為實現超長周期大地電磁信號采集，必須設計出高穩定性、高靈敏度、低功耗、易操作的高性能儀器。 為達到上述測量目的，對測量儀器的穩定性、靈敏度以及智能化程度都提出了較高的技術要求。采用以ATmega128(以下簡稱AT128)為微控制器，24位高精度ADC套片CS5372+CS5376，20nS秒脈沖誤差的GPS模塊iTrax03搭建的主要硬件平臺，上位機PC部分開發了LabVIEW應用程序對采集器進行控制和時間序列回放。 2 采集器總體設計 采集器整體框圖如圖1所示，采集器采集兩路電場信號（Ex、Ey）和兩路磁場信號（Hx、Hy）信號，由外部12V蓄電池供電。PC機通過串口與采集器通訊，PC機主要完成控制GPS對鐘、采集參數設置、狀態提取以及時間序列回放等功能。 GPS對鐘：進行野外數據采集前，PC機通過串口控制AT128的GPS對鐘，AT128讀取GPS數據并提取相關時間和經緯度信息，在PPS秒脈沖的中斷觸發下將時間信息寫入RTC內，由此實現了RTC內時鐘與GPS的嚴格同步，從而達到多臺儀器同步采集的要求。 采集參數設置：完成GPS對鐘后，操作人員將LabVIEW應用程序設定好的采集參數（包括各頻段采集啟停時間、采樣率、增益控制、濾波匹配）通過串口發送至AT128，AT128將采集參數按一定的格式寫入外擴的EEPROM中，并設置好RTC鬧鐘，采集參數設置完成后，儀器操作人員攜帶PC機離開，當RTC時間與預設采集起始時間相一致時，RTC鬧鐘觸發中斷通知采集程序按照采集參數設定的工作方式自行采集。采集的時間序列數據按照一定的格式寫入U盤中。當RTC時間與采集結束時間相一致時，RTC鬧鐘觸發中斷通知采集程序結束采集。 采集狀態提取：采集器在野外連續工作數天，操作人員需要中途查站時，連接串口與AT128通訊，提取采集器當前的采集狀態，包括已完成的采集數據長度、剩余磁盤空間、RTC時間信息、環境溫度、電池電壓等狀態參數。 3 硬件電路設計 從圖1可得知，硬件電路是以AT128為核心的外圍器件擴展電路[1][2]，主要包括ADC接口電路，GPS模塊接口電路，PC串口接口電路，USB控制器接口電路，I2C總線擴展的RTC、EEPROM、TEMP（溫度傳感器）接口電路，以下就ADC接口電路、CH375接口電路、I2C總線擴展電路重點進行分析。 3.1 ADC接口電路 為實現高精度采集，選用Cirrus公司專門面向地球物理測量的24位高精度ADC套片CS5372 和CS5376實現，動態范圍達130dB。CS5372 能夠提供2 通道模擬信號輸入, CS5376可以接受最大4通道數據進行數字濾除，CS5372 和CS5376 分別是Σ-Δ調制器和可編程多級FIR 線性相位數字抽取濾波器。CS5376 片內FIR(有限脈沖響應)和IIR(無限脈沖響應)濾波器的數字濾波系數可簡單地在片上設定，也可根據不同應用進行編程。CS5376片內增益偏移可校正特性可以對系統各通道的增益偏移系數進行修正以減小了各采集通道的不一致性。可選數字濾波抽取比率能夠產生4000 SPS(每秒采樣次數)至1SPS 的輸出率，從而使得測量帶寬在使用片上設定系數的條件下達到1600～0.4Hz的范圍。CS5372 的工作頻帶為0～1500 Hz ,可輸出兩種不同速率的過抽樣1 位Σ-Δ位流。CS5372完成△-∑調制通過MDATA輸出512KHz數據流至CS5376，當信號幅值過大時，會產生相應標識MFLAG信號；MCLK為CS5376向CS5372提供的時鐘源，一般為2.048MHz，MSYNC為同步信號，用于各CS5372間的同步。圖2描述了CS5376與CS5372之間的接口電路，以及CS5376與AT128之間的接口電路。 CS5376與AT128的主要接口電路由SPI接口和模擬SSC接口組成。SPI完成對CS5376寄存器的設置，包括CONFIG、GPCFG0、GPCFG1、FILT_CFG、TBS_CFG等寄存器。設置相應的寄存器位以完成采樣率設定、數字濾波系數設定、增益校準、通道使能選擇、測試輸出信號的設定、讀寫GPIO、啟停數字濾波器等。并且還可以通過SPI讀取上電自檢結果和硬件版本號等寄存器。模擬SSC接口完成對轉換好的數據進行讀取，由SDCLK、SDDAT、SDTKI、SDRDY、SDTKO共五根信號線組成。設置相關寄存器啟動采集，數字濾波器開始工作，AT128通過一個GPIO在定時計數器的支持下產生一定頻率的脈沖至SDTKI，當5376有準備好的數據會將SDRDY拉低，觸發AT128的外部中斷，此時中斷服務程序關閉定時計數器，再產生SDCLK，上升沿鎖存數據位SDDAT，直到將所有轉換好的數據讀完，SDRDY置高，數據讀完再恢復定時計數器工作。如果沒有轉換好的數據，SDTKO會將SDTKI的輸入脈沖信號直接輸出。一次4通道信號轉換得到128位數據，累計采集至512字節時，AT128將數據以扇區方式寫入U盤中，并更新數據文件長度。如此循環直至采集結束。 3.2 USB接口電路 CH375 是一個USB總線的通用設備接口芯片，內置USB通訊中的底層協議，支持USB-HOST主機方式和USB-DEVICE/SLAVE 設備方式[3]。在本地端，CH375具有8位數據總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機/DSP/MCU/MPU等控制器的系統總線上。CH375與AT128接口電路如圖3 所示，具有8 位數據總線(D0- D7) 、地址輸入(A0) 、讀(RD) 、寫(WR) 、片選控制線(CS) 以及中斷輸出( INT) , 它工作于主機方式，掛接到AT128 的數據總線上，實現讀寫U盤。當A0 為高電平時, 選擇命令端口, 可以寫入命令; 當A0 為低電平時, 選擇數據端口, 可以讀寫數據, 單片機通過8 位并口方式對CH375 進行讀寫。 圖3為CH375與AT128之間的接口電路，AT128提供開放總線，為提高U盤讀寫速度，采用總線方式讀寫，A0接AT128的A14、CS接AT128的A15，根據前面CH375的協定，數據端口地址為0x2000，命令端口地址為0x4000。 3.3 I2C總線擴展接口電路 I2C總線具接口線少，抗干擾性強，控制方式簡便，硬件使用效率高等特點，是由數據線和時鐘線構成的串行總線,在CPU與被控IC 之間，IC與IC之間進行雙向傳送數據。串行數據SDA和串行時鐘SCL線在連接到總線的器件間傳遞信息。每個器件都有一個唯一的地址識別，完整的I2C總線協議不需要地址譯碼器和其他膠合邏輯，I2C總線的多主機功能允許通過外部連接到生產線快速測試和調整最終用戶的設備。簡單的兩線串行I2C總線將互聯減到最小，因此IC的管腳更少而且PCB的線路也減少，結果使PCB更小和更便宜，同時提高工作電路的可靠性[4]。 采集器通過I2C總線擴展了溫度傳感器（LM75A）、RTC（PCF8563）和EEPROM（AT24C02）三個器件。 前面已經提及提取采集器狀態信息，其中包括環境溫度信息。為獲取環境溫度，采用LM75A溫度傳感器。LM75A 是一個使用了內置帶隙溫度傳感器、Σ-△模數轉換技術和帶熱看門狗的溫度-數字轉換器。LM75A 包含數個數據寄存器：配置寄存器（Conf），用來存儲器件的某些配置，如器件的工作模式、OS 工作模式、OS 極性和OS 故障隊列等；溫度寄存器（Temp），用來存儲讀取的數字溫度；LM75A溫度寄存器通常存放著一個11 位的二進制數的補碼，用來實現0.125℃的精度。設定點寄存器（Tos & Thyst），用來存儲可編程的過熱關斷和滯后限制，器件通過2 線的串行I2C 總線接口與控制器通信。LM75A 還包含一個開漏輸出（OS），當溫度超過編程限制的值時該輸出有效。這個高精度在需要精確地測量溫度偏移或超出限制范圍的應用中非常有用，在大地電磁采集器的應用中，僅是在必要的時刻讀取溫度寄存器，數值轉換后通過串口發送至上位機。 PCF8583是具有4 年日歷時鐘, 12 或24 小時格式, 時基可用32.768kHz 或50Hz, 帶可編程的鬧鐘、定時和可編程定時中斷功能的日歷時鐘芯片。它通過I2C總線方式可與各種單片機接口,并提供256 字節低功耗靜態RAM。置位控制狀態寄存器中的鬧鐘使能位, 便激活鬧鐘控制寄存<