Cirrus芯片在礦用地震儀中的應用

摘要針對煤礦井下地震儀器的特點(diǎn)，選用Cirrus Logic公司的地震勘探芯片組作為采集系統的核心部件。文中介紹了Cirrus Logic芯片的主要特點(diǎn)、構成、工作原理，并將其應用于礦用地震儀器中，設計了其硬件電路、并編寫(xiě)了控制軟件，進(jìn)行了試驗測試。實(shí)驗結果表明，所設計的儀器達到了煤礦井下防爆、微型化、低功耗、高速、高精度和便攜性等要求。
關(guān)鍵詞防爆；地震儀；Cirrus Logic；嵌入式技術(shù)

目前，地面地震勘探儀器發(fā)展迅速，其帶道能力已經(jīng)達到上萬(wàn)道甚至10萬(wàn)道；借助于現代電子、通訊技術(shù)、微電子學(xué)及軟件技術(shù)，基于24位△-∑技術(shù)的地震采集站，其動(dòng)態(tài)范圍已經(jīng)超過(guò)120 dB；采集站和主機構成的網(wǎng)絡(luò )傳輸能力強大，成千上萬(wàn)道的地震數據能在放炮激發(fā)后的短暫時(shí)間內傳輸到主機。使得在地面開(kāi)展地震勘探工作變得更加高效和便捷。但是，隨著(zhù)地震儀器的道數越來(lái)越多，電纜的管理和維護成本增加，專(zhuān)家預測無(wú)纜存儲式地震采集站將是下一步地震勘探儀器的發(fā)展方向。
在地震儀器的設計中，研發(fā)人員對于地震信號的采集性能要求越來(lái)越高，為能獲得高分辨率的地震信號，要求采集系統的動(dòng)態(tài)范圍足夠大，這對地震儀器的采集系統提出了較高的要求。傳統地震儀均采用24位AD芯片，配合放大電路以及數字濾波電路來(lái)實(shí)現采樣電路。隨著(zhù)集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，Cirrus Logic公司提供的地震勘探系列芯片大幅簡(jiǎn)化了地震儀器采集電路的設計。
針對以上情況，結合煤礦井下儀器的特點(diǎn)，本文采用Cirrus Logic公司提供的地球物理測量系列芯片CS3301A、CS5373A和CS5378設計了一種高精度、低噪聲、低功耗的礦用防爆地震儀。該儀器徹底擺脫了大線(xiàn)的困擾，實(shí)現了分布式采集、獨立存儲、集中回收，適用于在煤礦井下開(kāi)展槽波探測、地震勘探等工作。

1 Cirrus Logic芯片概述
Cirrus Logic公司為地震系統設計師提供高精度地震傳感器地震采集、地球物理儀器以及地球物理應用解決方案。其地震勘探系列芯片CS3301A、CS5373A、CS5378為地震儀器的設計提供了方便，它們具有精度高、噪聲低、配置靈活等特點(diǎn)。CS3301A是一個(gè)適用于檢波器的信號放大器，具有1～64的可編程增益配置、CS5373A具有24位ADC和DAC；CS5378是數字濾波芯片，具有Sine、FIR、IIR多級濾波器，可根據要求設置，采樣率1～4 000 sample·s-1任意可選。
CS5373A上集成了用于地震檢測的24位4級Delta Sigma調節器，應用于地震檢測的DAC功能，使精巧單通道地震采集節點(diǎn)應用成為可能。C S5373A是Cirrus Logic公司第四代地震產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品。CS5373A與CS3301差分放大器及CS5378數字放大器共同組成了Cirrus Logic公司的Single—S芯片組。它適用于單傳感器路上及海上地震檢測產(chǎn)品應用，占板面積小、低功耗。

2 系統設計
系統采用32位ARM芯片、結合24位A／D、SD卡海量存儲技術(shù)等構建嵌入式硬件平臺，利用開(kāi)源嵌入式Linux操作系統，完成系統功能配置、數據采集以及數據回收等功能。該儀器可實(shí)現單站3通道信號采集，各儀器之間利用GPS信號以及高精度時(shí)鐘芯片實(shí)現時(shí)間的精確同步。系統總體框圖如圖1所示。

系統具有以下功能：
(1)電源模塊。實(shí)現對系統中各個(gè)模塊的供電管理，提供數字3．3 V、5 V，模擬2．5 V，-2．5 V的供電。該部分實(shí)現鎳氫電池到各部分電壓輸出的轉換，并實(shí)現本安電源。
(2)中央控制單元。本文采用三星S3c2440A核心控制板，該芯片是基于A(yíng)RM920T核心，嵌入式技術(shù)的32位ARM處理器，其工作頻率高達400 MHz，處理速度更快、能耗更低。
(3)采集模塊。采用Cirrus Logic公司提供的CS3301A+CS5373A+CS5378組成的單通道采集芯片，構成三通道采集模塊，可實(shí)現三分量地震信號的采集功能。系統最高采樣率達4 000 sample·s-1。
(4)對時(shí)模塊。采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，利用GPS授時(shí)器可實(shí)現對系統的準確對時(shí)。另外系統利用中央控制單元進(jìn)行儀器的工作時(shí)間調度。
(5)存儲模塊。系統采用大容量工業(yè)SD卡實(shí)現對采集數據的實(shí)時(shí)存儲。
(6)網(wǎng)絡(luò )通信。系統采用以太網(wǎng)實(shí)現儀器工作參數的配置以及數據的回傳功能。

3 硬件設計
礦用地震儀的硬件電路設計主要由電源電路、采集電路、控制電路、對時(shí)電路等組成。其中采集電路和控制電路是系統的關(guān)鍵。
電源電路部分就是要將電池輸出變換成模擬和數字5路不同的工作電壓，且要實(shí)現對各路電源的管理，以適應整個(gè)系統的低功耗要求。