基于A(yíng)RM的海底大地電磁信號采集系統主控模塊改進(jìn)

1 海底大地電磁儀的分析

海底大地電磁數據采集器是對海底大地電磁場(chǎng)和海底環(huán)境信息進(jìn)行自動(dòng)采集的智能化儀器，旨在建立具有我國特色的海底大地電磁探測技術(shù)，并使之實(shí)用化，為我國海域區域地質(zhì)調查提供新的技術(shù)支撐，為發(fā)展我國海洋電磁探測奠定基礎。儀器于2000年研制成功后，在我國東海大陸架進(jìn)行了成功試驗。

整個(gè)數據采集器由電道前放板、磁道前放板、主放板、輔助通道板、時(shí)鐘板、數字板、標定信號板和主控單元構成層疊式電路結構。整個(gè)電路板的整體何種為90×96×170mm3，重量約1kg。采集器使用+5V和±12V三路電源，工作狀態(tài)下整機功耗為7W，正常工作的環(huán)境溫度為-50℃～+70℃。目前一期完成的海底大地電磁儀最長(cháng)記錄時(shí)間為7天，頻率范圍為0.0001Hz～100Hz。數據采集器配置容量為144MB的固態(tài)電子盤(pán)。從數據處理的邏輯次序看，整個(gè)系統分為八部分，包括前置放大、數字和模擬濾波、低通濾波、高通濾波、主放大器、數據轉換、緩沖存儲和數據存儲。

一期建設中，海底大地電磁儀器整體效果還是令人滿(mǎn)意的。但也存在一些不足，主要體現在以下幾個(gè)方面：

（1）系統功耗

目前系統正常工作下，功耗約為7W。其中主要包括磁場(chǎng)傳感器功耗290mW、傾斜傳感器功耗45mW、振動(dòng)傳感器功耗0.5W、主控電路功耗2W等。在電池電能一定的情況下，整個(gè)采集可以持續7天左右，采集時(shí)間長(cháng)度不夠。

（2）主控單元

目前采用286系列主控單元，在嵌入式系統發(fā)展到很高水平的今天，已不適應高效率、高集成度的技術(shù)需要。

（3）采集穩定性

海底大地電磁采集要求各采集點(diǎn)精確同步，所以系統對穩定性的要求十分高。而目前系統采用單道大循環(huán)程序實(shí)現各項系統任務(wù)。這樣不利于提高數據采集的穩定性。

2 改進(jìn)方案的設計思路

海底電磁數據采集需要的海上作業(yè)，采集成本大。為了達到效率最大化，就必須明顯降低原有系統的功耗，并提高數據采集的穩定性。鑒于此，改進(jìn)方案如下：

（1）用ARM芯片取代286系列主控單元

ARM具有集成度高、能耗低等特點(diǎn)，通過(guò)使用ARM芯片取代目前的286系列主控單元將極大地降低系統的功耗，同時(shí)也可以縮減電路，進(jìn)而降低電路的復雜度，減小系統的體積。

（2）用μC/OS-II取代目前的單道程序

μC/OS-II取得了美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）對于商用飛機的、符合RTCA DO-178B標準的認證，表明μC/OS-II具有足夠的安全性和穩定性。使用操作系統管理多任務(wù)，實(shí)現多任務(wù)的并發(fā)和同步。通過(guò)這種方式取代目前的單道大循環(huán)程序，可以提高系統的穩定性。

3 改進(jìn)主控單元的硬件組成

ARM架構在推出后獲得了成功，各種ARM核心版本以及不同系統方案種類(lèi)繁多。使用ARM本身已經(jīng)比原有主控電路功耗降低，在滿(mǎn)足實(shí)際需要的情況下，還可以在A(yíng)RM各架構中選擇功耗較低的。最終選擇了ARM7TDMI結構，部分架構功耗比較見(jiàn)表1。由于原有數據采集系統前臺采集部分和后臺主控部分使用ISA總線(xiàn)標準進(jìn)行連接，在A(yíng)RM7TDMI架構的ARM芯片中，選擇了ATMEL公司支持ISA總線(xiàn)擴展的AT91M40800。為完成系統所需任務(wù)，根據ATMEL公司發(fā)布的EB40開(kāi)發(fā)板電路設計主控單元。片內SRAM 8KB，外部Flash2MB，另有外部器件如串行接口和網(wǎng)絡(luò )接口等。AT91m40800共有37個(gè)寄存器，其中包括31個(gè)32位通用寄存器（含程序計數器PC在內）、6個(gè)32位狀態(tài)寄存器（但目前只使用其中的12位）。運行時(shí)的任意時(shí)刻，可見(jiàn)寄存器包括15個(gè)通用寄存器（R0～R14），一個(gè)或兩個(gè)狀態(tài)寄存器及程序計數器PC，其他寄存器多用于備份。經(jīng)測試證明：所購芯片功耗測量均值小于0.25mW，較之原有主控單元2W的功耗，顯著(zhù)降低。