1 海底大地電磁儀的分析
　　海底大地電磁數(shù)據(jù)采集器" title="采集器">采集器是對海底大地電磁場和海底環(huán)境信息進行自動采集的智能化儀器,，旨在建立具有我國特色的海底大地電磁探測技術(shù),，并使之實用化，為我國海域區(qū)域地質(zhì)調(diào)查提供新的技術(shù)支撐,，為發(fā)展我 國海洋電磁探測奠定基礎(chǔ)。儀器于2000年研制成功后,，在我國東海大陸架進行了成功試驗,。
　　整個數(shù)據(jù)采集器由電道前放板、磁道前放板,、主放板,、輔助通道板、時鐘板,、數(shù)字板,、標定信號板和主控單元構(gòu)成層疊式電路結(jié)構(gòu)^[1]。整個電路板的整體體積為90×96×170mm3,，重量約1kg,。采集器使用+5V和±12V三路電源，工作狀態(tài)下整機功耗為7W，正常工作的環(huán)境溫度為-20°C～+70°C,。目前一期完成的海底大地電磁儀最長記錄時間為7天,，頻率范圍為0.0001Hz～100Hz。數(shù)據(jù)采集器配置容量為144MB的固態(tài)電子盤,。從數(shù)據(jù)處理的邏輯次序看,，整個系統(tǒng)分為八部分，包括前置放大,、數(shù)字和模擬濾波,、低通濾波、高通濾波,、主放大器,、數(shù)模轉(zhuǎn)換、緩沖存儲和數(shù)據(jù)存儲,。
　　一期建設(shè)中,，海底大地電磁儀器整體效果還是令人滿意的。但也存在一些不足,，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
　　(1) 系統(tǒng)功耗
　　目前系統(tǒng)正常工作下,，功耗約為7W。其中主要包括磁場傳感器功耗290mW,、傾斜傳感器功耗45mW,、振動傳感器功耗0.5W、主控電路功耗2W等,。在電池電能一定的情況下,，整個采集可以持續(xù)7天左右，采集時間長度不夠,。
　　(2) 主控單元
　　目前采用286系列主控單元,，在嵌入式系統(tǒng)發(fā)展到很高水平的今天，已不適應(yīng)高效率,、高集成度的技術(shù)需要,。
　　(3)采集穩(wěn)定性
　　海底大地電磁采集要求各采集點精確同步，所以系統(tǒng)對穩(wěn)定性的要求十分高,。而目前系統(tǒng)采用單道大循環(huán)程序?qū)崿F(xiàn)各項系統(tǒng)任務(wù),。這樣不利于提高數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。
2 改進方案的設(shè)計思路
　　海底電磁數(shù)據(jù)采集需要在海上作業(yè),，采集成本大,。為了達到效益最大化，就必須明顯降低原有系統(tǒng)的功耗,，并提高數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性,。鑒于此,，改進方案如下：
　　(1) 用ARM芯片取代286系列主控單元
　　ARM具有集成度高、能耗低等特點,，通過使用ARM芯片取代目前的286系列主控單元將極大地降低系統(tǒng)的功耗,，同時也可以縮減電路，進而降低電路的復(fù)雜度,，減小系統(tǒng)的體積,。
　　(2) 用μC/OS-Ⅱ取代目前的單道程序
　　μC/OS-Ⅱ取得了美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)對于商用飛機的、符合RTCA DO-178B標準的認證^[2],，表明μC/OS-Ⅱ具有足夠的安全性和穩(wěn)定性,。使用操作系統(tǒng)管理多任務(wù)" title="多任務(wù)">多任務(wù)，實現(xiàn)多任務(wù)的并發(fā)和同步,。通過這種方式取代目前的單道大循環(huán)程序,，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
3 改進主控單元的硬件組成
　　ARM架構(gòu)在推出后取得了成功,，各種ARM核心版本以及不同系統(tǒng)方案種類繁多,。使用ARM本身已經(jīng)比原有主控電路功耗降低，在滿足實際需要的情況下,，還可以在ARM各架構(gòu)中選擇功耗較低的,。最終選擇了ARM7TDMI結(jié)構(gòu)，部分架構(gòu)功耗比較見表1,。由于原有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前臺采集部分和后臺主控部分使用ISA總線標準進行連接,，在ARM7TDMI架構(gòu)的ARM芯片中，選擇了ATMEL公司支持ISA總線擴展的AT91M40800,。為完成系統(tǒng)所需任務(wù),，根據(jù)ATMEL公司發(fā)布的EB40開發(fā)板電路設(shè)計主控單元。片內(nèi)SRAM 8KB,，外部Flash 2MB,，另有外部器件如串行接口和網(wǎng)絡(luò)接口等。AT91m40800共有37個寄存器,，其中包括31個32位通用寄存器(含程序計數(shù)器PC在內(nèi)),、6個32位狀態(tài)寄存器(但目前只使用其中的12位)。運行時的任意時刻,，可見寄存器包括15個通用寄存器(R0～R14)，一個或兩個狀態(tài)寄存器及程序計數(shù)器PC,，其他寄存器多用于備份,。經(jīng)測試證明：所購芯片功耗測量均值小于0.25mW，較之原有主控單元2W的功耗,，顯著降低,。
4 嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的移植
　　盡管μC/OS-Ⅱ是用標準C語言寫的,但當應(yīng)用到某個具體的CPU上時,還需要用C和匯編語言寫一些與處理器相關(guān)的代碼,。改寫過程主要結(jié)合改進系統(tǒng)所采用的新主CPU AT91m40800的一些具體參數(shù)，完成整個操作系統(tǒng)的移植,。
　　μC/OS-Ⅱ可以大致分為內(nèi)核,、任務(wù)處理、時間處理,、任務(wù)同步與通信,、與CPU的接口等五部分^[2]。內(nèi)核(OSCore.c)是操作系統(tǒng)的處理核心,，包括操作系統(tǒng)初始化,、系統(tǒng)運行、中斷處理,、時鐘節(jié)拍,、任務(wù)調(diào)度和事件處理等多任務(wù)。任務(wù)處理部分(OSTask.c)是與任務(wù)操作密切相關(guān)的,，包括任務(wù)的建立,、刪除、掛起,、恢復(fù)等,。時鐘部分(OSTime.c)定義μC/OS-Ⅱ的最小時鐘單位是Timetick(時鐘節(jié)拍)。任務(wù)同步和通信部分包括信號郵箱,、郵箱隊列和時間標志等部分,，主要用于任務(wù)間的互相聯(lián)系和對臨界資源的訪問。與CPU接口部分是指μC/OS-Ⅱ針對所使用的CPU的移植部分,，主要包括中斷級任務(wù)切換的底層實現(xiàn),、任務(wù)級任務(wù)切換的底層實現(xiàn)、時鐘節(jié)拍的產(chǎn)生和處理,、中斷的相關(guān)處理部分等內(nèi)容,。

　　μC/OS-Ⅱ除了良好的穩(wěn)定性和安全性以外，很重要的特點就是對多任務(wù)管理的優(yōu)異表現(xiàn),。μC/OS-Ⅱ可以管理多達64個任務(wù),。除了8個μC/OS-Ⅱ自用的任務(wù)以外，用戶的應(yīng)用程序最多可有56個任務(wù),。用戶可以通過系統(tǒng)提供的任務(wù)結(jié)構(gòu)來自行創(chuàng)立任務(wù),。改進方案中需要管理的任務(wù)包括GPS校時、讀采集數(shù)據(jù),、數(shù)字濾波和存數(shù)據(jù),執(zhí)行框架如圖1,。
　　在初始化時，進行GPS校時,。讀優(yōu)先級最高,，采集器不停地讀數(shù)據(jù),。當數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)中還沒填滿時，進行濾波和寫存儲器的任務(wù),，一旦緩沖已滿就要繼續(xù)執(zhí)行讀操作,。這里所說的讀操作實際上是系統(tǒng)從緩沖中讀的操作，并不是實際的采集器讀地磁信號操作,。寫任務(wù)其次,，必須連貫地完成一次寫任務(wù)，中途不能被打斷,。所以只有在不進行讀操作時,，才可以進行寫操作。濾波任務(wù)在讀任務(wù)完成后執(zhí)行,，但是如果前一個寫任務(wù)還沒有完成,，就不能濾波，以防止新數(shù)據(jù)無法寫入,。所以只有當新的讀任務(wù)結(jié)束,，且舊的寫任務(wù)完成后方可執(zhí)行新讀數(shù)據(jù)的濾波任務(wù)。通過μC/OS-Ⅱ提供的信號量機制,，可很好地實現(xiàn)任務(wù)進程的互斥與并發(fā),。

5 ARM對外圍設(shè)備的擴展
　　主控單元與前臺數(shù)據(jù)采集模塊間仍保留原有ISA總線接口標準，只是自行設(shè)計ARM主控單元的接口電路如圖2所示,。符合原有協(xié)議標準后,，改進電路成功替代了原來的主控。

　　雖然串行接口速度較慢,，但完全可以滿足與上位機之間的通信,。改進方案首先實現(xiàn)了ARM對于串口的擴展，作為通信手段之一,。使用ARM公司自行開發(fā)的ARM調(diào)試專用環(huán)境ADS1.2測試串行接口的效果：擴展程序所設(shè)計的輸出結(jié)果為AT9140800USART_CUGB,，連接采集儀和PC機，使用Windows自帶的超級終端可以看到輸出結(jié)果與設(shè)計一致,，表明擴展是成功的,。
　　各采集器間及采集器與上位機交互還可通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。改進方案基于μC/OS-Ⅱ移植IP協(xié)議棧后,，通過擴展網(wǎng)絡(luò)接口卡,，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。由于網(wǎng)絡(luò)接口芯片本身也遵守ISA標準,，所以擴展的網(wǎng)絡(luò)接口還可以用來仿真測試ISA總線,。檢測總線時序情況就可測試主控模塊的功能情況。抓取ISA設(shè)備時序,，即得出系統(tǒng)連接總線是否符合ISA協(xié)議標準,。寫一次后，邏輯分析儀截出幾次時序,，結(jié)果如圖3所示,。圖3時序情況：/CS8019為網(wǎng)絡(luò)接口芯片片選信號，/WE為寫使能信號,，/OE為輸出使能信號,，A1～A5為低5位地址，D0～D7為8位數(shù)據(jù)位,。圖3中顯示寫使能一次后,，輸出多次，對應(yīng)地址循環(huán)(程序設(shè)定的輸出效果),，數(shù)據(jù)位則是輸出8019的數(shù)據(jù),，具體內(nèi)容沒有意義。如圖3虛線處,，在C1時刻,，開始進行寫操作；C2時刻輸出,，低5位地址為00000,；C3時刻第二次輸出，地址為00001,；C4時刻第三次輸出,，地址為00010。依次類推,，表明主控單元改進滿足了ISA總線的要求,，網(wǎng)絡(luò)接口擴展也正常?；诖?，通過與前臺數(shù)據(jù)采集模塊直接連接，即可進行海底大地電磁數(shù)據(jù)的高效采集,。