劉貴豪　劉蘭軍　陳家林　王恒良

摘要：針對微弱信號的低噪聲采集應(yīng)用需求，采用美國Cirrus Logic公司的針對地球物理應(yīng)用的24位數(shù)據(jù)采集套片CS5376A、CS5372A和CS3301A，基于FPGA技術(shù)，開發(fā)了一種同步、低噪聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。詳細(xì)介紹了數(shù)字濾波芯片CS5376A的接口邏輯設(shè)計和軟件設(shè)計。

關(guān)鍵詞：弱信號；數(shù)據(jù)采集；低噪聲；FPGA；CS套片

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）12-0188-03

Drive Design for Digital Filter Chip CS5376A Based on FPGA

LIU Gui-hao， LIU Lan-jun， CHEN Jia-lin， WANG Heng-liang

（Engineering College， Ocean University of China， Qingdao 266100， China）

Abstract： For the application demand of acquiring weak signals with a low-noise requirement， a data acquisition system with characteristics about synchronization and low noise is developed， based on the FPGA technology and the 24-bit data acquisition set of CS5376A、CS5372A and CS3301A designed by CIRRUS LOGIC company in America for Geophysical applications. The overall system design scheme is illustrated， and the interface logic design and software design of the digital filter chip CS5376A is introduced in detail.

Key words：weak signal； data acquisition； low noise； FPGA； CS Set

進(jìn)入21世紀(jì)以來，油氣勘探的重點已從陸地向海洋轉(zhuǎn)移。在近年的EAGE、SEG年會上，海洋電磁法勘探方面的論文、報告成為地球物理界關(guān)注的熱點之一[1]。海洋電磁法勘探技術(shù)能夠識別高阻油氣藏，作為地震勘探法的有效補充可提高海上鉆探成功率，大大降低鉆探風(fēng)險[2]。

海洋電磁勘探方法分為天然場源（Marine MT，海洋大地電磁法）和人工場源（Marine CSEM，海洋可控源電磁法）[3]。搭載在海底電磁采集站上的電磁數(shù)據(jù)記錄儀是海洋電磁勘探的關(guān)鍵裝備之一，負(fù)責(zé)采集海底微弱的電場和磁場信號[4]。微弱磁場信號通過精細(xì)設(shè)計的超低噪聲磁場傳感器采集，磁場傳感器本底噪聲要求低于[1pT/Hz@0.1Hz]；電場信號利用“固態(tài)不極化Ag/AgCl電極+低噪聲放大電路”采集，采集通道本底噪聲要求低于[1nV/Hz@1Hz]，電場信號為低頻寬帶微弱信號。

針對海洋電磁勘探方法中的微弱電場和磁場信號的采集需求，本文采用美國Cirrus Logic公司的24位數(shù)據(jù)采集套片CS5376A、CS5372A和CS3301A，基于FPGA技術(shù)，開發(fā)了一種同步、低噪聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。詳細(xì)介紹了數(shù)字濾波芯片CS5376A的接口邏輯設(shè)計和軟件設(shè)計。

1 數(shù)字采集系統(tǒng)設(shè)計

本文提出的基于CS套片的低噪聲數(shù)字采集系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D 1所示，包括CS套片部分和數(shù)字采集存儲部分。CS套片是由四片低噪聲、可編程增益、差分放大器CS3301A，兩片高性能Δ∑調(diào)制器CS5372A和一片多通道數(shù)字濾波器CS5376A組成。數(shù)字采集存儲部分由ST公司的ARM芯片STM32F207、Altera公司的FPGA芯片EP3C16F484和SanDisk公司的32GB CF卡組成。FPGA芯片負(fù)責(zé)數(shù)字采集，包括配置CS5376A的SPI端口驅(qū)動邏輯、讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的SD端口驅(qū)動邏輯、數(shù)據(jù)緩存模塊、配置CS5376A的命令緩存等。數(shù)據(jù)緩存模塊包括選擇控制邏輯、數(shù)據(jù)緩存1、數(shù)據(jù)緩存2和輸出數(shù)據(jù)選擇輸出邏輯，其中控制邏輯負(fù)責(zé)控制使能兩個數(shù)據(jù)緩存、進(jìn)行輸出數(shù)據(jù)選擇和產(chǎn)生ARM讀數(shù)據(jù)中斷信號，兩個數(shù)據(jù)緩存采用乒乓操作，能夠保證將CS套片采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行無縫緩沖和處理。配置CSCS5376A需要下發(fā)不同字節(jié)數(shù)量的命令包，存儲在命令緩存中，分為5字節(jié)、8字節(jié)和11字節(jié)命令包，在命令緩存的尾地址存儲命令包數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，傳輸完成后處理器下發(fā)開始傳輸命令通知SPI端口驅(qū)動邏輯，按照CS5376A要求的SPI寫時序?qū)⒚畎D(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，對CS套片進(jìn)行配置和訪問。

3 CS5376A接口設(shè)計

3.1數(shù)字邏輯設(shè)計

數(shù)字濾波芯片CS5376A數(shù)字邏輯設(shè)計，如圖 2所示，包括SPI端口驅(qū)動和SD端口驅(qū)動，通過SPI端口，能夠?qū)S套片進(jìn)行配置和讀取CS套片的寄存器，通過SD端口讀取CS套片的模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；SPI端口驅(qū)動負(fù)責(zé)將來自處理器的配置數(shù)據(jù)從命令緩存中讀取并且按照要求的時序驅(qū)動SSI_N、SCK1、MOSI等引腳。圖中命令緩存，是16字節(jié)深度的雙口RAM，末地址存放命令包的有效數(shù)據(jù)數(shù)目。SPI端口驅(qū)動，需要對CS5376A的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，等待SINT_N負(fù)脈沖產(chǎn)生或是間隔1ms后，才能進(jìn)行下一次命令傳輸，確保CS5376A能夠正確接收命令。SD端口驅(qū)動負(fù)責(zé)將CS套片轉(zhuǎn)換完成的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)data[127..0]，每一次讀取完成后產(chǎn)生data_load脈沖，通知數(shù)據(jù)緩存模塊進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。根據(jù)令牌輸入口SDTKI的輸入信號類型，SD端口有兩種工作模式：單次工作和連續(xù)工作。本文將1MHz信號接至SDTKI口，使SD端口連續(xù)工作。

SPI端口驅(qū)動邏輯程序，如圖 3所示，基于單進(jìn)程采用狀態(tài)機思想進(jìn)行程序設(shè)計。SPI端口驅(qū)動分為6個狀態(tài)，寫數(shù)據(jù)命令，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)依次為S1->S2->S3->S4->S5->S1；讀數(shù)據(jù)命令，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)依次為S1->S2->S3->S4->S5->S6->S1。

16字節(jié)深度的RAM，以16進(jìn)制文件作為存儲器寄存器內(nèi)容，前5個地址數(shù)據(jù)順序設(shè)置為0x55、0x0F、0x55、0x0F、0x55，最后一個地址數(shù)據(jù)設(shè)置為0x05。時序仿真波形，如圖4所示。

SD端口驅(qū)動，負(fù)責(zé)按照CS5376A的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議讀取CS套片采集完成數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)將并行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸給數(shù)據(jù)緩存模塊。

圖 5是SD端口驅(qū)動時序仿真圖，仿真條件是設(shè)置數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好信號為低電平，測試SDCLK等信號輸出，本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一個CS套片含有4路采集通道，圖 5中列出了4路并行數(shù)據(jù)輸出。

3.2軟件設(shè)計

針對CS5376A的不同工作模式，本文設(shè)計了三個函數(shù)，分別是初始化配置函數(shù)、模式切換函數(shù)和實時參數(shù)配置函數(shù)。

數(shù)字濾波芯片CS5376A，在復(fù)位信號端口釋放后，但在引導(dǎo)程序前，需要60ms時間進(jìn)行一系列的數(shù)字濾波器自檢操作。自檢結(jié)果存儲在自檢寄存器（0x2F）中。本文設(shè)計的上電啟動采樣函數(shù)程序流程，如圖 6所示。讀取自檢寄存器，需要下發(fā)8個字節(jié)數(shù)據(jù)（“0x02 0x03 0x00 0x00 0x02 0x00 0x00 0x2F”）；設(shè)置ROM系數(shù)，是對片上FIR和IIR濾波器系數(shù)進(jìn)行設(shè)置；寫配置寄存器，是設(shè)置濾波器頻率、MCLK頻率和MSYNC使能控制。寫濾波器配置寄存器，是對濾波器數(shù)據(jù)輸出速率、偏置補償、通道使能數(shù)量等進(jìn)行設(shè)置；配置片上GPIO外設(shè)，是對CS3301A的MUX1、MUX0、PWDN和CS5372A的OFST、PWDN引腳進(jìn)行設(shè)置。最后下發(fā)啟動命令，使CS5376A開始工作。

為了降低采集系統(tǒng)的功耗，在不需要對信號進(jìn)行采集時，需要將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作于低功耗模式。本文設(shè)計的進(jìn)入低功耗模式函數(shù)程序流程如圖 7所示，需要下發(fā)停止采樣命令，并通過CS5376A設(shè)置CS3301A和CS5372A的PWDN引腳為高電平，置CS3301A和CS5372A為低功耗模式。

在采集系統(tǒng)調(diào)試階段，需要實時改變對CS5376A的相關(guān)配置。本文設(shè)計了實時參數(shù)配置函數(shù)，程序流程圖如圖 8所示。

4 測試實驗

為了測試基于CS套片的數(shù)字采集系統(tǒng)的性能，搭建了如圖 9所示的實驗測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)包括數(shù)字采集板、信號發(fā)生器、直流穩(wěn)壓電源、上位機監(jiān)控軟件等。信號發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率的正弦信號，上位機檢測數(shù)字采集板采集到的信號波形。信號發(fā)生器采用Agilent的33522A，直流穩(wěn)壓電源采用YB1731B。

5 結(jié)論

微弱信號低噪聲同步數(shù)據(jù)采集存儲具有廣闊的應(yīng)用前景，本文給出了一種基于CS套片的低噪聲數(shù)字采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，詳細(xì)介紹了數(shù)字邏輯設(shè)計和軟件設(shè)計，搭建了實驗測試系統(tǒng)，驗證了采集系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。該系統(tǒng)已應(yīng)用于海洋電磁勘探的微弱電磁場信號采集和頁巖氣勘探的微地震信號采集。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫衛(wèi)斌，何展翔. 海洋可控源電磁勘探技術(shù)與裝備[J].物探裝備，2010（1）：51-56.

[2] Constable S. Ten Years of Marine CSEM for Hydrocarbon Exploration[J]. Geophysics， 2010， 75（5）： 75A67-75A81.

[3] 何展翔，余剛. 海洋電磁勘探技術(shù)及新進(jìn)展[J]. 勘探地球物理進(jìn)展， 2008， 31（1）： 2-8.

[4]鄧明，魏文博，盛堰，等. 深水大地電磁數(shù)據(jù)采集的若干理論要點與儀器技術(shù)[J]. 地球物理學(xué)報，2013，11：3610-3618.