基于ARM的海底大地電磁信號采集系統(tǒng)改進

1海底大地電磁儀的分析

海底大地電磁數(shù)據(jù)采集器是對海底大地電磁場和海底環(huán)境信息進行自動采集的智能化儀器，旨在建立具有我國特色的海底大地電磁探測技術(shù)，并使之實用化，為我國海域區(qū)域地質(zhì)調(diào)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(chǔ)。儀器于2000年研制成功后，在我國東海大陸架進行了成功試驗。

整個數(shù)據(jù)采集器由電道前放板、磁道前放板、主放板、輔助通道板、時鐘板、數(shù)字板、標定信號板和主控單元構(gòu)成層疊式電路結(jié)構(gòu)。整個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記錄時間為7天，頻率范圍為0.0001Hz～100Hz。數(shù)據(jù)采集器配置容量為144MB的固態(tài)電子盤。從數(shù)據(jù)處理的邏輯次序看，整個系統(tǒng)分為八部分，包括前置放大、數(shù)字和模擬濾波、低通濾波、高通濾波、主放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、緩沖存儲和數(shù)據(jù)存儲。

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

(1)系統(tǒng)功耗

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

(2)主控單元

目前采用286系列主控單元，在嵌入式系統(tǒng)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(wěn)定性

海底大地電磁采集要求各采集點精確同步，所以系統(tǒng)對穩(wěn)定性的要求十分高。而目前系統(tǒng)采用單道大循環(huán)程序?qū)崿F(xiàn)各項系統(tǒng)任務。這樣不利于提高數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。

2改進方案的設計思路

海底電磁數(shù)據(jù)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(tǒng)的功耗，并提高數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。鑒于此，改進方案如下：

(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，通過使用ARM芯片取代目前的286系列主控單元將極大地降低系統(tǒng)的功耗，同時也可以縮減電路，進而降低電路的復雜度，減小系統(tǒng)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RTCADO-178B標準的認證，表明μC/OS-II具有足夠的安全性和穩(wěn)定性。使用操作系統(tǒng)管理多任務，實現(xiàn)多任務的并發(fā)和同步。通過這種方式取代目前的單道大循環(huán)程序，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3改進主控單元的硬件組成

ARM架構(gòu)在推出后獲得了成功，各種ARM核心版本以及不同系統(tǒng)方案種類繁多。使用ARM本身已經(jīng)比原有主控電路功耗降低，在滿足實際需要的情況下，還可以在ARM各架構(gòu)中選擇功耗較低的。最終選擇了ARM7TDMI結(jié)構(gòu)，部分架構(gòu)功耗比較見表1。由于原有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前臺采集部分和后臺主控部分使用ISA總線標準進行連接，在ARM7TDMI架構(gòu)的ARM芯片中，選擇了ATMEL公司支持ISA總線擴展的AT91M40800。為完成系統(tǒng)所需任務，根據(jù)ATMEL公司發(fā)布的EB40開發(fā)板電路設計主控單元。片內(nèi)SRAM8KB，外部Flash2MB，另有外部器件如串行接口和網(wǎng)絡接口等。AT91m40800共有37個寄存器，其中包括31個32位通用寄存器(含程序計數(shù)器PC在內(nèi))、6個32位狀態(tài)寄存器(但目前只使用其中的12位)。運行時的任意時刻，可見寄存器包括15個通用寄存器(R0～R14)，一個或兩個狀態(tài)寄存器及程序計數(shù)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，顯著降低。

表1部分ARM架構(gòu)功耗比較表

CPUDescriptionArea(mm2)Power(mW)Clock(MHz)Mips(MHz)

ARM7TDMICore0.53<0.2560～1100.9

ARM9TDMICore1.10.3167～2200.9

ARM9E-SSynthesizableCore-1133～2001.1

ARM1020EMacrocell32+32KBcache100.85200～4001.24

4嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II的移植

盡管μC/OS-II是用標準C語言寫的，但當應用到某個具體的CPU上時，還需要用C和匯編語言寫一些與處理器相關(guān)的代碼。改寫過程主要結(jié)合改進系統(tǒng)所采用的新主CPUAT91m40800的一些具體參數(shù)，完成整個操作系統(tǒng)的移植。

μC/OS-II可以大致分為內(nèi)核、任務處理、時間處理、任務同步與通信、與CPU的接口等五部分。內(nèi)核(OSCore.c)是操作系統(tǒng)的處理核心，包括操作系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)運行、中斷處理、時鐘節(jié)拍、任務調(diào)度和事件處理等多任務。任務處理部分(OSTask.c)是與任務操作密切相關(guān)的，包括任務的建立、刪除、掛起、恢復等。時鐘部分(OSTime.c)定義μC/OS-II的最小時鐘單位是Timetick(時鐘節(jié)拍)。任務同步和通信部分包括信號郵箱、郵箱隊列和時間標志等部分，主要用于任務間的互相聯(lián)系和對臨界資源的訪問。與CPU接口部分是指μC/OS-II針對所使用的CPU的移植部分，主要包括中斷級任務切換的底層實現(xiàn)、任務級任務切換的底層實現(xiàn)、時鐘節(jié)拍的產(chǎn)生和處理、中斷和相關(guān)處理部分等內(nèi)容。

μC/OS-II除了良好的穩(wěn)定性和安全性以外，很重要的特點就是對多任務管理的優(yōu)異表現(xiàn)。μC/OS-II可以管理多達64個任務。除了8個μC/OS-II自用的任務以外，用戶的應用程序最多可有56個任務。用戶可以通過系統(tǒng)提供的任務結(jié)構(gòu)來自行創(chuàng)立任務。改進方案中需要管理的任務包括GPS校時、讀采集數(shù)據(jù)、數(shù)字濾波和存數(shù)據(jù)，執(zhí)行框架如圖1。

在初始化時，進行GPS校時。讀優(yōu)先級最高，采集器不停地讀數(shù)據(jù)。當數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)中還沒填滿時，進行濾波和寫存儲器的任務，一旦緩沖已滿就要繼續(xù)執(zhí)行讀操作。這里所說的讀操作實際上是系統(tǒng)從緩沖中讀的操作，并不是實際的采集器讀地磁信號操作。寫任務其次，必須連貫地完成一次寫任務，中途不能被打斷。所以只有在不進行讀操作時，才可以進行寫操作。濾波任務在讀任務完成后執(zhí)行，但是如果前一個寫任還沒有完成，就不能濾波，以防止新數(shù)據(jù)無法寫入。所以只有當新的讀任務結(jié)束，且舊的寫任務完成后方可執(zhí)行新讀數(shù)據(jù)的濾波任務。通過μC/OS-II提供的信號量機制，可很好地實現(xiàn)任務進程的互斥與并發(fā)。

5ARM對外圍設備的擴展

主控單元與前臺數(shù)據(jù)采集模塊間仍保留原有ISA總線接口標準，只是自行設計ARM主控單元的接口電路如圖2所示。符合原有協(xié)議標準后，改進電路成功替代了原來的主控。

雖然串行接口速度較慢，但完全可以滿足與上位機之間的通信。改進方案首先實現(xiàn)了ARM對于串口的擴展，作為通信手段之一。使用ARM公司自行開發(fā)的的ARM調(diào)試專用環(huán)境ADS1.2測試串行接口的效果：擴展程序所設計的輸出結(jié)果為AT9140800USART_CUGB，連接采集儀和PC機，使用Windows自帶的超級終端可以看到輸出結(jié)果與設計一致，表明擴展是成功的。

各采集器間及采集器與上位機交互還可通過網(wǎng)絡實現(xiàn)。改進方案基于μC/OS-II移植IP協(xié)議棧后，通過擴展網(wǎng)絡接口卡，可實現(xiàn)網(wǎng)絡功能。由于網(wǎng)絡接口芯片本身也遵守ISA標準，所以擴展的網(wǎng)絡接口還可以用來仿真測試ISA總線。檢測總線時序情況就可測試主控模塊的功能情況。抓取ISA設備時序，即得出系統(tǒng)接總線是否符號ISA協(xié)議標準。寫一次后，邏輯分析儀截出幾次時序，結(jié)果如圖3所示。圖3時序情況：/CS8019為網(wǎng)絡接口芯片片選信號，/WE為寫使能信號，/OE為輸出使能信號，A1～A5為低5位地址，D0～D7為8位數(shù)據(jù)位。圖3中顯示寫使能一次后，輸出多次，對應地址循環(huán)(程序設定的輸出效果)，數(shù)據(jù)位則是輸出8019的數(shù)據(jù)，具體內(nèi)容沒有意義。如圖3虛線處，在C1時刻，開始進行寫操作;C2時刻輸出，低5位地址為00000;C3時刻第二次輸出，地址為00001;C4時刻第三次輸出，地址為00010。依次類推，表明主控單元改進滿足了ISA總線的要求，網(wǎng)絡接口擴展也正常?；诖耍ㄟ^與前臺數(shù)據(jù)采集模塊直接連接，即可進行海底大地電磁數(shù)據(jù)的高效采集。

由于采用ARM芯片取代原有主控單元，僅此一項就降低功耗約25%，實現(xiàn)了功耗降低的要求。另外在采用了操作系統(tǒng)后，將使整個采集過程更穩(wěn)定有序，提高了整個采集過程的準確性和安全性。