煤炭是事關(guān)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各個(gè)行業(yè)對(duì)煤炭的需求量不斷增加，如何保障煤炭生產(chǎn)的安全高效和可持續(xù)性發(fā)展就顯得非常重要。而地震勘探作為一種廣泛應(yīng)用的物理地球勘探手段，把它應(yīng)用到礦井探測(cè)中，可以超前探測(cè)斷層、陷落柱、采空區(qū)的形態(tài)、走向、影響范圍及頂?shù)酌汉瘛鷰r松動(dòng)圈等的內(nèi)容，為煤礦生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的地質(zhì)異常提供及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)參數(shù)，以保障煤炭生產(chǎn)的安全高效。因此開發(fā)出適用于礦井地震勘探儀器具有十分重要的意義。但是，地震勘探對(duì)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的性能要求很高，用傳統(tǒng)的單片機(jī)或DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)，很難滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、多通道同步性和儀器便攜性等要求。

　　SOPC技術(shù)將CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口等系統(tǒng)設(shè)計(jì)所必須的模塊集成在一片FPGA上，是一種新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。這種設(shè)計(jì)方式，具有開發(fā)周期短、設(shè)計(jì)靈活、可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)、軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能，特別適用于復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　本文給出了一種基于SOPC的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)用24位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)多通道地震數(shù)據(jù)前端采集;利用FPGA的可并行及高速運(yùn)算特點(diǎn)，用FPGA代替?zhèn)鹘y(tǒng)的DSP芯片，設(shè)計(jì)并行的數(shù)據(jù)信號(hào)同步處理，以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和同步性。該系統(tǒng)成功地應(yīng)用到礦井地震勘探中，得到良好的效果。

　　1　系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

　　數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)主要是對(duì)數(shù)據(jù)的采集以及對(duì)得到數(shù)據(jù)的處理，本系統(tǒng)采用SOPC技術(shù)，以軟核處理器N IOS II為控制核心，N IOSⅡCPU和各IP模塊之間通過(guò)Avalon片上總線相連。系統(tǒng)原理圖見圖1所示。系統(tǒng)主要由四個(gè)硬件模塊構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)通訊模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要用24位高精度A /D芯片進(jìn)行地震數(shù)據(jù)采集; 數(shù)據(jù)處理模塊主要用FPGA實(shí)現(xiàn)各DSP算法; 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用SDRAM實(shí)現(xiàn);數(shù)據(jù)通訊模塊采用RS232串口通訊，負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)上顯示。

　　圖1　系統(tǒng)原理圖

　　1. 1　NIOS II CPU

　　Nios II系列軟核處理器是Altera的第二代FP2GA嵌入式處理器，是一個(gè)用戶可配置的通用Risc嵌入式處理器，擴(kuò)展了目前世界上最流行的軟核嵌入式處理器的性能。用戶可以從三種處理器（快速、標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)）以及超過(guò)60個(gè)的IP核中選擇所需要的，NiosII系統(tǒng)為用戶提供了最基本的多功能性，設(shè)計(jì)師可以以此來(lái)創(chuàng)建一個(gè)最適合他們需求的嵌入式系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用的是標(biāo)準(zhǔn)型的N IOS IICPU，并調(diào)用了SDRAM 控制器和異步串口URAT （RS_232 Serial port）等接口IP。

　　1. 2　數(shù)據(jù)采集模塊

　　數(shù)據(jù)采集模塊采用多通道同步采集，其基本原理如圖2所示： 4通道同步采集，每個(gè)通道由信號(hào)前端調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路及A /D接口構(gòu)成。

　　對(duì)采集信號(hào)的調(diào)理，主要是針對(duì)信號(hào)的濾波和信號(hào)放大處理：地震檢波器采集來(lái)相關(guān)數(shù)據(jù)后，使用無(wú)源低通濾波器去除高頻無(wú)用信號(hào)，以防止后續(xù)數(shù)字濾波產(chǎn)生頻譜混疊;使用高速反饋放大器OPA1632D實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入模擬數(shù)據(jù)的放大。對(duì)于采樣電路，使用24位的A /D7766芯片，該芯片在以125 kHz輸出數(shù)據(jù)速率工作時(shí)具有108 dB的動(dòng)態(tài)范圍，它比具有相同輸出數(shù)據(jù)速率的同類器件高3 dB，其特別適合地震采集的低功耗和鑒別大信號(hào)中的微弱信號(hào)要求。

　　圖2　數(shù)據(jù)采集模塊原理圖

　　1. 3　數(shù)據(jù)處理模塊

　　SOC系統(tǒng)的一個(gè)重要思想就是IP復(fù)用，因此本文充分利用了ALTERA公司豐富的DSP IP核資源以提高產(chǎn)品開發(fā)效率，實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的并行同步處理。

　　1. 3. 1　數(shù)字濾波模塊

　　對(duì)于地震勘探來(lái)說(shuō)，由檢波器接收到的有效地震信號(hào)具備多頻率特性。為了現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員更好地了解地質(zhì)情況，需要看到特定范圍頻帶的信號(hào)，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)具備多頻帶的帶通濾波器。濾波模塊調(diào)用了Altera公司的F IR IP核來(lái)生成，通過(guò)設(shè)置參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)不同要求的濾波器。

　　本系統(tǒng)生成的濾波模塊圖如圖3 所示，其中cofe_set為濾波選擇信號(hào)，可以通過(guò)N IOS II提供給cofe_set值命令，完成四種不同帶寬的通帶濾波。

　　圖3　濾波模塊圖