基于AVR与LabVIEW的大地电磁采集器设计

摘 要: 为实现超长周期大地电磁信号的智能化采集，设计了以ATmega128为主控制器，扩展ADC套片CS5372+CS5376、USB主控制器CH375、GPS模块和RTC的大地电磁采集器硬件电路；并开发了基于LabVIEW实现了PC与采集器的串口通讯、时间序列回放的用户软件。试验证明采集器达到了高稳定性、高灵敏度、低功耗、易操作的预期目的。 关键词:AVR；LabVIEW；大地电磁数据采集 Design for Magnetotelluric Data Acquisition Instrument Based on AVR and LabVIEW CHEN Kai, DENG Ming, ZHANG QiSheng, Cui Jinling, Wang Meng (China University of Geosciences, Geo-detection Laboratory, Ministry of Education, Beijing 100083) 中图法分类号:TP274 文献标识码：B Abstract: To acquire ultra long period Magnetotelluric signal intelligent, designed data acquire broad hardware, which contains ATmega128 as MCU, CS5372+CS5376 as ADC, CH375 as USB controller, GPS module and RTC; and developed the user software which is based on LabVIEW, achieved the communication between PC and Magnetotelluric Data Acquisition Instrument, and the display of time series .The result of test shows that this instrument obtains some performance such as high stability, high sensitivity, low power and easy to use . Key words: AVR; LabVIEW; Magnetotelluric Data Acquisition 1 引言 超长周期大地电磁信号携带着地下深部介质的电性信息，提供了大陆壳幔结构以及地球演化历史的重要物理证据。所谓“超宽频带大地电磁测深”则是指采集信号的频率范围从102Hz到10 - 4 Hz 的电磁测量技术。它有三个显著的特点：一是野外数据采集的时间长，每个测量点上一般连续测量3～4周；二是信号频带宽，需要实现从中、低频到整个超低频段的精确测量；三是信号能量弱、幅度小，其量级一般为n•uV。为实现超长周期大地电磁信号采集，必须设计出高稳定性、高灵敏度、低功耗、易操作的高性能仪器。 为达到上述测量目的，对测量仪器的稳定性、灵敏度以及智能化程度都提出了较高的技术要求。采用以ATmega128(以下简称AT128)为微控制器，24位高精度ADC套片CS5372+CS5376，20nS秒脉冲误差的GPS模块iTrax03搭建的主要硬件平台，上位机PC部分开发了LabVIEW应用程序对采集器进行控制和时间序列回放。 2 采集器总体设计 采集器整体框图如图1所示，采集器采集两路电场信号（Ex、Ey）和两路磁场信号（Hx、Hy）信号，由外部12V蓄电池供电。PC机通过串口与采集器通讯，PC机主要完成控制GPS对钟、采集参数设置、状态提取以及时间序列回放等功能。 GPS对钟：进行野外数据采集前，PC机通过串口控制AT128的GPS对钟，AT128读取GPS数据并提取相关时间和经纬度信息，在PPS秒脉冲的中断触发下将时间信息写入RTC内，由此实现了RTC内时钟与GPS的严格同步，从而达到多台仪器同步采集的要求。 采集参数设置：完成GPS对钟后，操作人员将LabVIEW应用程序设定好的采集参数（包括各频段采集启停时间、采样率、增益控制、滤波匹配）通过串口发送至AT128，AT128将采集参数按一定的格式写入外扩的EEPROM中，并设置好RTC闹钟，采集参数设置完成后，仪器操作人员携带PC机离开，当RTC时间与预设采集起始时间相一致时，RTC闹钟触发中断通知采集程序按照采集参数设定的工作方式自行采集。采集的时间序列数据按照一定的格式写入U盘中。当RTC时间与采集结束时间相一致时，RTC闹钟触发中断通知采集程序结束采集。 采集状态提取：采集器在野外连续工作数天，操作人员需要中途查站时，连接串口与AT128通讯，提取采集器当前的采集状态，包括已完成的采集数据长度、剩余磁盘空间、RTC时间信息、环境温度、电池电压等状态参数。 3 硬件电路设计 从图1可得知，硬件电路是以AT128为核心的外围器件扩展电路[1][2]，主要包括ADC接口电路，GPS模块接口电路，PC串口接口电路，USB控制器接口电路，I2C总线扩展的RTC、EEPROM、TEMP（温度传感器）接口电路，以下就ADC接口电路、CH375接口电路、I2C总线扩展电路重点进行分析。 3.1 ADC接口电路 为实现高精度采集，选用Cirrus公司专门面向地球物理测量的24位高精度ADC套片CS5372 和CS5376实现，动态范围达130dB。CS5372 能够提供2 通道模拟信号输入, CS5376可以接受最大4通道数据进行数字滤除，CS5372 和CS5376 分别是Σ-Δ调制器和可编程多级FIR 线性相位数字抽取滤波器。CS5376 片内FIR(有限脉冲响应)和IIR(无限脉冲响应)滤波器的数字滤波系数可简单地在片上设定，也可根据不同应用进行编程。CS5376片内增益偏移可校正特性可以对系统各通道的增益偏移系数进行修正以减小了各采集通道的不一致性。可选数字滤波抽取比率能够产生4000 SPS(每秒采样次数)至1SPS 的输出率，从而使得测量带宽在使用片上设定系数的条件下达到1600～0.4Hz的范围。CS5372 的工作频带为0～1500 Hz ,可输出两种不同速率的过抽样1 位Σ-Δ位流。CS5372完成△-∑调制通过MDATA输出512KHz数据流至CS5376，当信号幅值过大时，会产生相应标识MFLAG信号；MCLK为CS5376向CS5372提供的时钟源，一般为2.048MHz，MSYNC为同步信号，用于各CS5372间的同步。图2描述了CS5376与CS5372之间的接口电路，以及CS5376与AT128之间的接口电路。 CS5376与AT128的主要接口电路由SPI接口和模拟SSC接口组成。SPI完成对CS5376寄存器的设置，包括CONFIG、GPCFG0、GPCFG1、FILT_CFG、TBS_CFG等寄存器。设置相应的寄存器位以完成采样率设定、数字滤波系数设定、增益校准、通道使能选择、测试输出信号的设定、读写GPIO、启停数字滤波器等。并且还可以通过SPI读取上电自检结果和硬件版本号等寄存器。模拟SSC接口完成对转换好的数据进行读取，由SDCLK、SDDAT、SDTKI、SDRDY、SDTKO共五根信号线组成。设置相关寄存器启动采集，数字滤波器开始工作，AT128通过一个GPIO在定时计数器的支持下产生一定频率的脉冲至SDTKI，当5376有准备好的数据会将SDRDY拉低，触发AT128的外部中断，此时中断服务程序关闭定时计数器，再产生SDCLK，上升沿锁存数据位SDDAT，直到将所有转换好的数据读完，SDRDY置高，数据读完再恢复定时计数器工作。如果没有转换好的数据，SDTKO会将SDTKI的输入脉冲信号直接输出。一次4通道信号转换得到128位数据，累计采集至512字节时，AT128将数据以扇区方式写入U盘中，并更新数据文件长度。如此循环直至采集结束。 3.2 USB接口电路 CH375 是一个USB总线的通用设备接口芯片，内置USB通讯中的底层协议，支持USB-HOST主机方式和USB-DEVICE/SLAVE 设备方式[3]。在本地端，CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU等控制器的系统总线上。CH375与AT128接口电路如图3 所示，具有8 位数据总线(D0- D7) 、地址输入(A0) 、读(RD) 、写(WR) 、片选控制线(CS) 以及中断输出( INT) , 它工作于主机方式，挂接到AT128 的数据总线上，实现读写U盘。当A0 为高电平时, 选择命令端口, 可以写入命令; 当A0 为低电平时, 选择数据端口, 可以读写数据, 单片机通过8 位并口方式对CH375 进行读写。 图3为CH375与AT128之间的接口电路，AT128提供开放总线，为提高U盘读写速度，采用总线方式读写，A0接AT128的A14、CS接AT128的A15，根据前面CH375的协定，数据端口地址为0x2000，命令端口地址为0x4000。 3.3 I2C总线扩展接口电路 I2C总线具接口线少，抗干扰性强，控制方式简便，硬件使用效率高等特点，是由数据线和时钟线构成的串行总线,在CPU与被控IC 之间，IC与IC之间进行双向传送数据。串行数据SDA和串行时钟SCL线在连接到总线的器件间传递信息。每个器件都有一个唯一的地址识别，完整的I2C总线协议不需要地址译码器和其他胶合逻辑，I2C总线的多主机功能允许通过外部连接到生产线快速测试和调整最终用户的设备。简单的两线串行I2C总线将互联减到最小，因此IC的管脚更少而且PCB的线路也减少，结果使PCB更小和更便宜，同时提高工作电路的可靠性[4]。 采集器通过I2C总线扩展了温度传感器（LM75A）、RTC（PCF8563）和EEPROM（AT24C02）三个器件。 前面已经提及提取采集器状态信息，其中包括环境温度信息。为获取环境温度，采用LM75A温度传感器。LM75A 是一个使用了内置带隙温度传感器、Σ-△模数转换技术和带热看门狗的温度-数字转换器。LM75A 包含数个数据寄存器：配置寄存器（Conf），用来存储器件的某些配置，如器件的工作模式、OS 工作模式、OS 极性和OS 故障队列等；温度寄存器（Temp），用来存储读取的数字温度；LM75A温度寄存器通常存放着一个11 位的二进制数的补码，用来实现0.125℃的精度。设定点寄存器（Tos & Thyst），用来存储可编程的过热关断和滞后限制，器件通过2 线的串行I2C 总线接口与控制器通信。LM75A 还包含一个开漏输出（OS），当温度超过编程限制的值时该输出有效。这个高精度在需要精确地测量温度偏移或超出限制范围的应用中非常有用，在大地电磁采集器的应用中，仅是在必要的时刻读取温度寄存器，数值转换后通过串口发送至上位机。 PCF8583是具有4 年日历时钟, 12 或24 小时格式, 时基可用32.768kHz 或50Hz, 带可编程的闹钟、定时和可编程定时中断功能的日历时钟芯片。它通过I2C总线方式可与各种单片机接口,并提供256 字节低功耗静态RAM。置位控制状态寄存器中的闹钟使能位, 便激活闹钟控制寄存<