Cirrus芯片在礦用地震儀中的應用

摘要針對煤礦井下地震儀器的特點，選用Cirrus Logic公司的地震勘探芯片組作為采集系統的核心部件。文中介紹了Cirrus Logic芯片的主要特點、構成、工作原理，并將其應用于礦用地震儀器中，設計了其硬件電路、并編寫了控制軟件，進行了試驗測試。實驗結果表明，所設計的儀器達到了煤礦井下防爆、微型化、低功耗、高速、高精度和便攜性等要求。
關鍵詞防爆；地震儀；Cirrus Logic；嵌入式技術

目前，地面地震勘探儀器發展迅速，其帶道能力已經達到上萬道甚至10萬道；借助于現代電子、通訊技術、微電子學及軟件技術，基于24位△-∑技術的地震采集站，其動態范圍已經超過120 dB；采集站和主機構成的網絡傳輸能力強大，成千上萬道的地震數據能在放炮激發后的短暫時間內傳輸到主機。使得在地面開展地震勘探工作變得更加高效和便捷。但是，隨著地震儀器的道數越來越多，電纜的管理和維護成本增加，專家預測無纜存儲式地震采集站將是下一步地震勘探儀器的發展方向。
在地震儀器的設計中，研發人員對于地震信號的采集性能要求越來越高，為能獲得高分辨率的地震信號，要求采集系統的動態范圍足夠大，這對地震儀器的采集系統提出了較高的要求。傳統地震儀均采用24位AD芯片，配合放大電路以及數字濾波電路來實現采樣電路。隨著集成電路技術的快速發展，Cirrus Logic公司提供的地震勘探系列芯片大幅簡化了地震儀器采集電路的設計。
針對以上情況，結合煤礦井下儀器的特點，本文采用Cirrus Logic公司提供的地球物理測量系列芯片CS3301A、CS5373A和CS5378設計了一種高精度、低噪聲、低功耗的礦用防爆地震儀。該儀器徹底擺脫了大線的困擾，實現了分布式采集、獨立存儲、集中回收，適用于在煤礦井下開展槽波探測、地震勘探等工作。

1 Cirrus Logic芯片概述
Cirrus Logic公司為地震系統設計師提供高精度地震傳感器地震采集、地球物理儀器以及地球物理應用解決方案。其地震勘探系列芯片CS3301A、CS5373A、CS5378為地震儀器的設計提供了方便，它們具有精度高、噪聲低、配置靈活等特點。CS3301A是一個適用于檢波器的信號放大器，具有1～64的可編程增益配置、CS5373A具有24位ADC和DAC；CS5378是數字濾波芯片，具有Sine、FIR、IIR多級濾波器，可根據要求設置，采樣率1～4 000 sample·s-1任意可選。
CS5373A上集成了用于地震檢測的24位4級Delta Sigma調節器，應用于地震檢測的DAC功能，使精巧單通道地震采集節點應用成為可能。C S5373A是Cirrus Logic公司第四代地震產品開發的新產品。CS5373A與CS3301差分放大器及CS5378數字放大器共同組成了Cirrus Logic公司的Single—S芯片組。它適用于單傳感器路上及海上地震檢測產品應用，占板面積小、低功耗。

2 系統設計
系統采用32位ARM芯片、結合24位A／D、SD卡海量存儲技術等構建嵌入式硬件平臺，利用開源嵌入式Linux操作系統，完成系統功能配置、數據采集以及數據回收等功能。該儀器可實現單站3通道信號采集，各儀器之間利用GPS信號以及高精度時鐘芯片實現時間的精確同步。系統總體框圖如圖1所示。

系統具有以下功能：
(1)電源模塊。實現對系統中各個模塊的供電管理，提供數字3．3 V、5 V，模擬2．5 V，-2．5 V的供電。該部分實現鎳氫電池到各部分電壓輸出的轉換，并實現本安電源。
(2)中央控制單元。本文采用三星S3c2440A核心控制板，該芯片是基于ARM920T核心，嵌入式技術的32位ARM處理器，其工作頻率高達400 MHz，處理速度更快、能耗更低。
(3)采集模塊。采用Cirrus Logic公司提供的CS3301A+CS5373A+CS5378組成的單通道采集芯片，構成三通道采集模塊，可實現三分量地震信號的采集功能。系統最高采樣率達4 000 sample·s-1。
(4)對時模塊。采用實時時鐘芯片，利用GPS授時器可實現對系統的準確對時。另外系統利用中央控制單元進行儀器的工作時間調度。
(5)存儲模塊。系統采用大容量工業SD卡實現對采集數據的實時存儲。
(6)網絡通信。系統采用以太網實現儀器工作參數的配置以及數據的回傳功能。

3 硬件設計
礦用地震儀的硬件電路設計主要由電源電路、采集電路、控制電路、對時電路等組成。其中采集電路和控制電路是系統的關鍵。
電源電路部分就是要將電池輸出變換成模擬和數字5路不同的工作電壓，且要實現對各路電源的管理，以適應整個系統的低功耗要求。