張帥帥,林 君,張林行,王東鶴,徐立安

（吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長春 130061）

基于MPC8360交叉站硬件設(shè)計(jì)與測試

張帥帥,林 君,張林行,王東鶴,徐立安

（吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長春 130061）

針對當(dāng)前二維有線遙測地震儀采集道數(shù)少、勘探范圍小的問題，以MPC8360作為交叉站核心處理器，提出基于MPC8360的交叉站系統(tǒng)解決方案，完成交叉站系統(tǒng)處理器模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊和FPGA采集模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)交叉站對測線的管理和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，從而為三維地震勘探奠定基礎(chǔ)。測試結(jié)果表明：網(wǎng)絡(luò)模塊能夠滿足三維勘探對地震數(shù)據(jù)交換的要求，F(xiàn)PGA采集模塊在正弦波采集過程中獲得理想效果。最后進(jìn)行三維地震勘探野外實(shí)驗(yàn)，反演的三維空間地層模型與現(xiàn)場的地下空區(qū)基本吻合，從而驗(yàn)證了交叉站能夠滿足三維地震勘探的需求。

有線遙測地震儀；交叉站；三維地震勘探；地層模型

0 引 言

地震勘探作為一種常用的地球物理勘探方法與其他物探方法相比，具有精確度高、分辨率高、勘探深度大等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)的大型遙測地震勘探儀器絕大多數(shù)依賴于進(jìn)口，嚴(yán)重制約著我國地震勘探事業(yè)的發(fā)展[1]。吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院地震儀器研究室在20世紀(jì)90年代成功研制出適用于二維勘探的有線遙測地震儀，通過野外檢驗(yàn)?zāi)軐?shí)現(xiàn)單條測線數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化傳輸?；趩尉€的二維有線遙測地震儀的數(shù)據(jù)采集不能真實(shí)展現(xiàn)地下地質(zhì)形態(tài)的構(gòu)造，地震儀器研究室成功研制了基于MPC8360處理器的交叉站，完成多條測線的數(shù)據(jù)采集和回收，從而把二維勘探擴(kuò)展到三維勘探中，形成一套大型的遙測地震勘探系統(tǒng)。本文通過分析交叉站的功能需求，設(shè)

計(jì)了交叉站的硬件電路，在PowerPC+Linux交叉編譯環(huán)境下完成FPGA采集模塊驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)。

1 交叉站總體設(shè)計(jì)

1.1 交叉站的方案設(shè)計(jì)

為了滿足有線遙測地震儀在三維勘探中對多條測線的數(shù)據(jù)交換和回收需要，設(shè)計(jì)了一款能夠?qū)Χ鄺l測線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速轉(zhuǎn)發(fā)和回收功能的交叉站。同時(shí)設(shè)計(jì)的交叉站兼有數(shù)據(jù)采集的功能，負(fù)責(zé)輔助道的數(shù)據(jù)采集和觸發(fā)管理，F(xiàn)PGA采集模塊采集的參考道數(shù)據(jù)在后期地震數(shù)據(jù)的相關(guān)和疊加處理中起到關(guān)鍵性作用[2]，所以交叉站在數(shù)據(jù)交換和回收的功能基礎(chǔ)上增加了特色功能-FPGA數(shù)據(jù)采集，進(jìn)而可以代替已有的二維遙測地震儀的觸發(fā)站，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)微型化和低功耗，其系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

基于實(shí)驗(yàn)室已有的單條測線網(wǎng)絡(luò)化采集的二維遙測地震儀，研制具有多條測線管理和數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)發(fā)回收功能的交叉站。交叉站作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)單元，有5個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，網(wǎng)絡(luò)接口A和B分別連接測線上的左右采集站，然后交叉站通過大線以多跳的方式連接兩側(cè)采集站；網(wǎng)絡(luò)接口C和D分別連接上下測線的交叉站，主控機(jī)通過交叉線以多跳方式連接交叉站[3]，構(gòu)成了基于多條測線的大型遙測地震勘探系統(tǒng)，從而為三維勘探奠定了硬件基礎(chǔ)。

1.2 交叉站基于Linux軟件開發(fā)環(huán)境的構(gòu)建

構(gòu)建基于PowerPC的嵌入式開發(fā)環(huán)境包括4個(gè)部分：U-BOOT的移植、Dts移植和編寫、Linux內(nèi)核移植、根文件系統(tǒng)的制作[4]。Linux系統(tǒng)的內(nèi)核在移植之前需要構(gòu)建PowerPC的嵌入式交叉編譯環(huán)境，交叉編譯環(huán)境主要包括軟件和硬件的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的交叉編譯環(huán)境為構(gòu)建了目標(biāo)機(jī)（MPC8360）的交叉編譯環(huán)境即PowerPC-Linux-gcc環(huán)境。

2 交叉站硬件電路的設(shè)計(jì)

交叉站硬件系統(tǒng)包括處理器模塊、電源模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、FPGA采集模塊4個(gè)部分。整個(gè)系統(tǒng)是以MPC8360處理器為核心；處理器模塊與中央處理器構(gòu)成最小系統(tǒng)，其中SDRAM作為內(nèi)存空間，用于運(yùn)行Linux系統(tǒng)和相關(guān)軟件，NOR Flash負(fù)責(zé)存儲bootloader、內(nèi)核、DTS、根文件系統(tǒng)以及與其相關(guān)軟件；電源模塊主要給系統(tǒng)供電；網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)的控制和數(shù)據(jù)的回傳；FPGA采集模塊完成地震數(shù)據(jù)的采集[5]。

2.1 處理器模塊

存儲電路由SDRAM和NOR FLASH組成，分別使用相應(yīng)的總線模式實(shí)現(xiàn)接口的連接，其中SDRAM作為內(nèi)存空間，用于運(yùn)行Linux系統(tǒng)和相關(guān)軟件，NOR Flash負(fù)責(zé)存儲bootloader、內(nèi)核、DTS、根文件系統(tǒng)以及與其相關(guān)軟件；調(diào)試電路由UART接口和JTAG接口組成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)試功能。

2.2 網(wǎng)絡(luò)模塊

MPC8360可以支持8個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，本設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了5個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口都可以獨(dú)立地工作，并且這5個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口均配置成MII接口。MII的主要作用是連接MAC子層與物理層的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口，負(fù)責(zé)MAC和以太網(wǎng)PHY之間的通信。MII包括數(shù)據(jù)接口和管理接口，數(shù)據(jù)接口主要實(shí)現(xiàn)2條獨(dú)立通道的發(fā)送和接收；管理接口包括時(shí)鐘信號MDC和數(shù)據(jù)信號MDIO，通過該接口達(dá)到上層監(jiān)視和控制PHY的目的。

2.3 FPGA采集模塊

FPGA采集模塊的設(shè)計(jì)以FPGA為核心，設(shè)計(jì)了雙通道的采集模式。一個(gè)完整的FPGA采集通道包括：濾波網(wǎng)絡(luò)，模擬開關(guān)，前置放大電路，24位A/D，測試信號生成電路和FPGA。模擬開關(guān)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集電路狀態(tài)的切換，F(xiàn)PGA模塊主要完成對24位A/D初始化、串行和并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、向MPC8360提供地震數(shù)據(jù)的讀取接口。FPGA采集模塊硬件組成如圖2所示。

2.3.1 FPGA內(nèi)部寄存器

FPGA的PowerPC接口電路負(fù)責(zé)地址的產(chǎn)生[6]。其內(nèi)部共定義8個(gè)寄存器，主要寄存器設(shè)置如表1所示。

2.3.2 采集模塊驅(qū)動程序數(shù)據(jù)流

基于FPGA的采集模塊驅(qū)動程序主要完成模擬開關(guān)控制、FIFO緩沖數(shù)據(jù)的讀取、測試信號生成等功能。驅(qū)動程序數(shù)據(jù)流如圖3所示。

數(shù)據(jù)流可按照方向分為兩條：一條將用戶空間的采集指令和測試指令傳遞至內(nèi)核空間，并儲存在內(nèi)存buf中，然后再把指令數(shù)據(jù)發(fā)送至FPGA，由FPGA控制A/D和D/A的工作；另一條數(shù)據(jù)流傳送地震數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，數(shù)據(jù)由A/D寫入FPGA的fifo，內(nèi)核從fifo中拷貝數(shù)據(jù)到內(nèi)存buf，kfifo連續(xù)從buf中讀取數(shù)據(jù)，最后把數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩艨臻g，完成地震數(shù)據(jù)的采集。在整個(gè)驅(qū)動程序設(shè)計(jì)中用到的內(nèi)核資源有buf、kfifo和中斷資源。FPGA采集模塊的驅(qū)動程序設(shè)計(jì)主要包括設(shè)備注冊和注銷、設(shè)備打開和釋放、設(shè)備讀寫、設(shè)備操作控制、設(shè)備中斷處理。

3 測試與結(jié)果

3.1 Linux系統(tǒng)的啟動與運(yùn)行

3.1.1 U-Boot環(huán)境變量設(shè)置

在啟動超級終端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的測試時(shí)，要進(jìn)行環(huán)境變量的設(shè)置，這些設(shè)置主要包括選擇linux的啟動方式，以及選擇串口端口的波特率的設(shè)置和網(wǎng)絡(luò)端口的設(shè)置。

環(huán)境變量設(shè)置主機(jī)和基于MPC8360目標(biāo)板的IP地址和tftpboot命令，這樣可以在調(diào)試的過程中從目標(biāo)板上啟動tftp命令。

3.1.2 系統(tǒng)啟動時(shí)的測試

環(huán)境變量設(shè)置完畢后，可以對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測試。啟動基于MPC8360的目標(biāo)板，觀察超級終端里面的啟動信息。所要觀察的信息有加載鏡像的信息檢查和加載基于FPGA采集模塊的驅(qū)動程序。

系統(tǒng)分別從內(nèi)存地址fe200000、fe400000處加載內(nèi)核Linux-2.6.30.5和根文件系統(tǒng)rootfs.8360[7]。內(nèi)核Linux-2.6.30.5Linux主要負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的進(jìn)程、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動程序、文件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；根文件系統(tǒng)rootfs.8360支持Linux系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本內(nèi)容，包括系統(tǒng)使用的軟件和庫，根文件系統(tǒng)是內(nèi)核掛載啟動的第一個(gè)文件，即內(nèi)核代碼鏡像文件保存在根據(jù)目標(biāo)板配置的根文件系統(tǒng)rootfs.8360[8]中。

3.2 網(wǎng)絡(luò)模塊測試

網(wǎng)絡(luò)功能測試通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，由兩臺PC機(jī)測試交叉站的數(shù)據(jù)交換和回收能力。首先對eth_A、eth_B、eth1和eth2的IP地址、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置；然后在兩臺PC機(jī)上構(gòu)建FTP服務(wù)器，并且開啟交叉站的IP轉(zhuǎn)發(fā)功能；最后PC_B通過get命令從PC_A上下載文件，通過put命令向PC_A上傳文件，文件的大小均為30Mb。實(shí)驗(yàn)過程中使用Wireshark軟件對網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如表2所示。通過測試交叉站的數(shù)據(jù)交換能力在包長1079.609B時(shí)，轉(zhuǎn)包率達(dá)到6156.267p/s。通過與國內(nèi)高性能數(shù)據(jù)交換的路由器轉(zhuǎn)包率相比，交叉站的數(shù)據(jù)交換能力足以滿足對三維勘探數(shù)據(jù)回收和交換的需求；Sercel公司的 428XL的交叉站LAUX帶道能力可以達(dá)到萬道，10個(gè)LAUX串聯(lián)連接到中央處理單元可帶道10萬道，本文研制的交叉站在相同包長下的轉(zhuǎn)包率可以達(dá)到LAUX的轉(zhuǎn)包能力，從而交叉站可以實(shí)現(xiàn)對多條測線的多道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和交換，由此說明網(wǎng)絡(luò)模塊滿足了交叉站在三維勘探時(shí)數(shù)據(jù)交換的能力。

3.3 FPGA采集模塊測試

FPGA采集模塊主要實(shí)現(xiàn)參考道數(shù)據(jù)的采集，為測試FPGA采集模塊軟硬件的配置，編寫了基于FPGA采集模塊的驅(qū)動程序FPGA，以及采集模塊的應(yīng)用測試程序FPGA_test?；贔PGA的采集模塊驅(qū)動程序主要完成模擬開關(guān)控制、FIFO緩沖數(shù)據(jù)的讀取、測試信號生成等功能。實(shí)驗(yàn)條件：室內(nèi)；12V直流電源供電；一條采集通道加入200Hz-0.5V正弦波，

另一條采集通道短接。加載FPGA采集驅(qū)動模塊dap_mpc8360.ko，運(yùn)行采集應(yīng)用程序FPGA_test。交叉站采集的參考道數(shù)據(jù)通過ftp方式上傳至主控機(jī)，短接之后交叉站采集到的短路噪聲曲線如圖4所示，當(dāng)通道加入200 Hz-0.5 V正弦波時(shí)，由交叉站采集回來的數(shù)據(jù)波形和頻譜曲線如圖5所示。

通過以上對FPGA采集的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序測試，兩個(gè)采集通道均可以正常工作，并完成驅(qū)動設(shè)定的相應(yīng)功能，驗(yàn)證了基于FPGA采集模塊和驅(qū)動程序的正確性。

3.4 三維勘探測試實(shí)驗(yàn)

2013年8月2日攜帶研制的三維地震勘探系統(tǒng)在九臺市羊草溝煤礦進(jìn)行了三維采空區(qū)測試實(shí)驗(yàn)，交叉站通過匯總每條測線的數(shù)據(jù)至主控單元，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和反演得到當(dāng)?shù)氐娜S空間反演地層模型如圖6所示。從圖6中可以看出，橫波速度在地下280m處有明顯的衰減，根據(jù)現(xiàn)場的地下條件可知，試驗(yàn)點(diǎn)地下280 m處有煤炭開采所遺留經(jīng)過封堵處理的地下巷道，推斷巷道內(nèi)部大部分為空區(qū)，僅有少量積水。反演所得結(jié)果與現(xiàn)場地下空區(qū)情況基本相符。

4 結(jié)束語

綜上所述，網(wǎng)絡(luò)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)三維勘探對地震數(shù)據(jù)交換的要求，F(xiàn)PGA采集模塊在正弦波采集過程中獲得理想效果。從而驗(yàn)證了交叉站能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和回傳功能以及FPGA采集模塊數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，這樣為三維地震勘探奠定了硬件基礎(chǔ)。此外對交叉站組成的三維地震勘探系統(tǒng)在九臺市羊草溝煤礦進(jìn)行了采空區(qū)測試實(shí)驗(yàn)，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理得到當(dāng)?shù)氐姆囱莸貙幽Ｐ停囱菟媒Y(jié)果與現(xiàn)場地下空區(qū)情況基本相符，也驗(yàn)證了交叉站可以滿足三維地震勘探的需求。

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Hardware design and test of cross-station based on MPC8360

ZHANG Shuai-shuai，LIN Jun，ZHANG Lin-hang，WANG Dong-he，XU Li-an
（College of Instrumentation and Electrical Engineering，Jilin University，Changchun 130061，China）

The currently existing 2D cable seismic acquisition system had the problems that the number of acquisition channel was less.Based on MPC8360，the authors developed a new scheme for the cross-station system.MPC8360 was used as the cross-station’s core processor as well.This system completed the design of a module of cross-station system，including the processor module，network module，F(xiàn)PGA acquisition module and realized the management of measuring line and data forwarding by cross-station，which lays the foundation of 3D seismic exploration.Test result shows that the network module can meet the requirements of data exchange in the 3D seismic exploration and FPGA acquisition module achieves the desired effect in the process of the sine wave acquisition.Finally，the authors conducted the experiment of the 3D seismic exploration in the field and inverse the 3D Stratigraphic model which consistentwith the empty area in the exploration site，which proves that the cross-station meet the need of 3D seismic exploration.

cable telemetry seismic instrument；cross-station；3D seismic exploration；stratigraphic model

TP274；TH762.2；P315.01；TM930.12

：A

：1674-5124（2014）04-0107-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.027

2013-11-17；

：2014-01-05

國家深部探測專項(xiàng)（201011081）

張帥帥（1988-），男，山東濟(jì)寧市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)榉植际降卣饍x研究。