基于ARM的海底大地电磁信号采集系统主控模块改进

1 海底大地电磁仪的分析

海底大地电磁数据采集器是对海底大地电磁场和海底环境信息进行自动采集的智能化仪器，旨在建立具有我国特色的海底大地电磁探测技术，并使之实用化，为我国海域区域地质调查提供新的技术支撑，为发展我国海洋电磁探测奠定基础。仪器于2000年研制成功后，在我国东海大陆架进行了成功试验。

整个数据采集器由电道前放板、磁道前放板、主放板、辅助通道板、时钟板、数字板、标定信号板和主控单元构成层叠式电路结构。整个电路板的整体何种为90×96×170mm3，重量约1kg。采集器使用+5V和±12V三路电源，工作状态下整机功耗为7W，正常工作的环境温度为-50℃～+70℃。目前一期完成的海底大地电磁仪最长记录时间为7天，频率范围为0.0001Hz～100Hz。数据采集器配置容量为144MB的固态电子盘。从数据处理的逻辑次序看，整个系统分为八部分，包括前置放大、数字和模拟滤波、低通滤波、高通滤波、主放大器、数据转换、缓冲存储和数据存储。

一期建设中，海底大地电磁仪器整体效果还是令人满意的。但也存在一些不足，主要体现在以下几个方面：

（1）系统功耗

目前系统正常工作下，功耗约为7W。其中主要包括磁场传感器功耗290mW、倾斜传感器功耗45mW、振动传感器功耗0.5W、主控电路功耗2W等。在电池电能一定的情况下，整个采集可以持续7天左右，采集时间长度不够。

（2）主控单元

目前采用286系列主控单元，在嵌入式系统发展到很高水平的今天，已不适应高效率、高集成度的技术需要。

（3）采集稳定性

海底大地电磁采集要求各采集点精确同步，所以系统对稳定性的要求十分高。而目前系统采用单道大循环程序实现各项系统任务。这样不利于提高数据采集的稳定性。

2 改进方案的设计思路

海底电磁数据采集需要的海上作业，采集成本大。为了达到效率最大化，就必须明显降低原有系统的功耗，并提高数据采集的稳定性。鉴于此，改进方案如下：

（1）用ARM芯片取代286系列主控单元

ARM具有集成度高、能耗低等特点，通过使用ARM芯片取代目前的286系列主控单元将极大地降低系统的功耗，同时也可以缩减电路，进而降低电路的复杂度，减小系统的体积。

（2）用μC/OS-II取代目前的单道程序

μC/OS-II取得了美国联邦航空管理局（FAA）对于商用飞机的、符合RTCA DO-178B标准的认证，表明μC/OS-II具有足够的安全性和稳定性。使用操作系统管理多任务，实现多任务的并发和同步。通过这种方式取代目前的单道大循环程序，可以提高系统的稳定性。

3 改进主控单元的硬件组成

ARM架构在推出后获得了成功，各种ARM核心版本以及不同系统方案种类繁多。使用ARM本身已经比原有主控电路功耗降低，在满足实际需要的情况下，还可以在ARM各架构中选择功耗较低的。最终选择了ARM7TDMI结构，部分架构功耗比较见表1。由于原有数据采集系统前台采集部分和后台主控部分使用ISA总线标准进行连接，在ARM7TDMI架构的ARM芯片中，选择了ATMEL公司支持ISA总线扩展的AT91M40800。为完成系统所需任务，根据ATMEL公司发布的EB40开发板电路设计主控单元。片内SRAM 8KB，外部Flash2MB，另有外部器件如串行接口和网络接口等。AT91m40800共有37个寄存器，其中包括31个32位通用寄存器（含程序计数器PC在内）、6个32位状态寄存器（但目前只使用其中的12位）。运行时的任意时刻，可见寄存器包括15个通用寄存器（R0～R14），一个或两个状态寄存器及程序计数器PC，其他寄存器多用于备份。经测试证明：所购芯片功耗测量均值小于0.25mW，较之原有主控单元2W的功耗，显著降低。