CN112630821B - 一种应用于地震数据采集的变频控制装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地球物理测量技术领域，具体涉及一种应用于地震数据采集的变频控制装置及其控制方法，包括：基于ARM架构的嵌入式微处理器、与嵌入式微处理器级联的晶体振荡器一、与嵌入式微处理器级联的模数转换器、与模数转换器和嵌入式微处理器相连的使能控制器、与使能控制器相连的晶体振荡器二、与嵌入式微处理器相连的其他IC设备和外围设备；与嵌入式微处理器相连的外围设备；本发明通过软件和硬件结合的技术方案，实现在不同的任务情况下完成自动频率调节，实现智能变频技术，最大限度的降低嵌入式微处理器功耗，即保证了仪器性能，又能有效的增加仪器的工作时间，对地震采集行业有很高的技术价值。
Description
技术领域
本发明属于地球物理测量技术领域，具体涉及一种应用于地震数据采集的变频控制装置及其控制方法。
背景技术
地震波是一种在地球内部各种不同介质之间传播的波，其在通过不同的地球内部介质时会携带大量的信息，我们通过对地震波分析得到地下各介质的结构，从而分析地质结构和进行各种科学研究，从工程应用领域，也可以运用地震波分析进行地震评估，地震减灾，城市建设以及各种资源勘测等。
对于地震波的采集记录现在主要是以ARM为架构的嵌入式微功耗处理器。针对现在以ARM为架构的嵌入式微功耗处理器，结合地震行业，特别是地震数据采集行业，其一体化地震采集器由内置可充电锂电池为主要供电单元，因此其工作时间与其整机功耗有直接关系，整机功耗越高，其工作时间越短，整机功耗越低，其工作时间越长，其整体性能指标也越优越。
对于嵌入式微功耗处理器方面，其功耗直接相关的便是其工作频率，其工作频率与其功耗在一定范围内存在线性关系，通过降低其工作频率可以直接降低其功耗，但以往技术是设计系统时以满足系统最大工作参数需求来设计主频，此时其嵌入式微功耗处理器虽然能完成其工作需求，但在大多数情况下其工作性能存在很大浪费。
因此，需要设计一种应用于地震数据采集的变频控制装置及其控制方法，在现有的嵌入式微功耗处理器的水平下通过软件和硬件相结合技术可实现在不同的任务情况下完成自动频率调节，实现智能变频技术，最大限度的降低嵌入式微处理器功耗，即保证了仪器性能，又能有效的增加仪器的工作时间，对地震采集行业有很高的技术价值。
发明内容
本发明目的是针对现有技术的不足，提供一种应用于地震数据采集的变频控制装置及其控制方法，用于解决现有技术中一体化地震采集器不能再不同任务情况下完成自动频率调节实现智能变频的技术问题。
本发明的技术方案如下所述：
一种应用于地震数据采集的变频控制装置，包括：基于ARM架构的嵌入式微处理器、与嵌入式微处理器级联的晶体振荡器一、与嵌入式微处理器级联的模数转换器、与模数转换器和嵌入式微处理器相连的使能控制器、与使能控制器相连的晶体振荡器二、与嵌入式微处理器相连的其他IC设备和外围设备；与嵌入式微处理器相连的外围设备；
所述其他IC设备包括：除上述与模数转换器和嵌入式微处理器相连的使能控制器以外的多个与次算法相关度较低的使能控制器。
一种如上所述的应用于地震数据采集的变频控制装置的控制方法，包括如下步骤：
步骤一：变频控制装置启动，包括：初始化堆栈、设置中断向量；
步骤二：以1/8最高主频锁定倍频器，包括：倍频器初始化、倍频器锁定、主频系数更新；
步骤三：变频控制装置自检，包括：外围设备自检和其他IC设备自检；
步骤四：开启使能控制器的采集，包括：开启模数转换器和晶体振荡器二的连接，给模数转换器发送配置采样率指令和开启采集指令；
步骤五：进入主循环单元，执行负载标志位变量Msgtickcnt更新，每完成一次主循环此负载标志位变量Msgtickcnt会加“一”；记录空闲状态负载标志位变量Msgtickcnt的基值为MsgtickcntBase，此基值为空闲状态下主循环运行次数基准；
但其循环中的任务变多，执行时间会增加，且中断处理任务可随时打断主程序，若中断任务变多，则负载标志位变量Msgtickcnt更新变慢；
步骤六：执行与外界外围设备交互任务；
步骤七：执行存储任务，同时执行中断处理任务，所述中断处理任务包括：500ms为周期的TIME主中断处理任务和其他中断处理任务；
所述500ms为周期的TIME主中断处理任务包括：负载判定算法和调频算法。
所述步骤七中的负载判定算法包括：
首先，计算在500ms较高优先级中断规则条件下统计的循环次数MsgFullCnt，其统计周期为500ms；
其次，在中断任务状态中判定负载标志位变量Msgtickcnt的值；
若负载标志位变量Msgtickcnt的值小于上一状态的平均负载值MsgtickcntState/2，则将升频标志位置“1”，并调用调频算法，将平均负载值MsgtickcntState设置为最新的负载标志位变量Msgtickcnt值，并设初始平均负载值MsgtickcntState为MsgtickcntBase；
若负载标志位变量Msgtickcnt大于上一状态的平均负载值MsgtickcntState*2则将降频标志位置“1”，调用调频算法，调节主频。
所述步骤七中频率调节算法包括：
首先，将ARM架构的嵌入式微处理器的主倍频器PLL的分频系数置为“8”，后续分频和降频都以此为基数进行，其此时的主频为频率调节的基频，也为最低频率；
其次，判定升频标志位和降频标志位，根据不同的标志位进入到升频和降频操作；
所述升频操作包括：将IC设备保持在开路状态，保证模数转换器采集基准源不间断，再调整PLL倍频器，将PLL倍频器的倍频系数加一，从而主频增加最高主频的八分之一；
若倍频系数已达到最高“8”，即系统时钟已达到最高主频，此时主频已达到最高倍频系数，为变频中的8档中的最高级别，则不进行操作；
所述降频操作包括：将IC设备保持在开路状态，保证模数转换器采集基准源不间断，再调整PLL倍频器，将PLL倍频器的倍频系数减一，从而主频减少最高主频的八分之一，若主频系数已降为“1”，则系统时钟已到达最低主频，即达到频率调节基频，则不进行调节。
本发明的有益效果为：
本发明通过软件和硬件结合的技术方案，实现在不同的任务情况下完成自动频率调节，实现智能变频技术，最大限度的降低嵌入式微处理器功耗，即保证了仪器性能，又能有效的增加仪器的工作时间，对地震采集行业有很高的技术价值。
附图说明
图1为一种应用于地震数据采集的变频控制方法的流程框图
图2为一种应用于地震数据采集的变频控制装置的原理框图
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的一种应用于地震数据采集的变频控制装置及其控制方法进行详细说明。
本发明设计的一种应用于地震数据采集的变频控制装置，包括：
基于ARM架构的嵌入式微处理器，以下简称MCU，
与主控MCU级联的晶体振荡器一，以下简称OSC1，
与MCU进行级联并实现数据采集的模数转换器，以下简称ADS，
与模数转换器和MCU相连的使能控制器，其可以接受MCU的控制指令，从而断开和闭合和ADS的连接，以下简称IC；
与IC相连的是晶体振荡器二，其作用是给ADS采集器提供震荡基准频率，以下简称OSC2；
与MCU相连的是其他的IC设备，在这里由于其包含其他多项IC，但与次算法相关度较低，其可统一抽象为其他IC设备，其他IC设备包含的内容与具体实施者有关；
与MCU相连的还包括外围设备，此外围设备特制的是与MCU耦合度较低的其他硬件设备，如通过串口与MCU相连的串口外设，通过SPI与MCU相连的SPI外设，另外的其他外设与具体实施者有关，在此统一概况为外围设备。
首先，选取基于ARM架构的嵌入式微处理器，此处理器选型较为宽泛，但需要有与ADS连接的SPI接口，MCU可通过此接口对ADS进行数据通信，包括采样率指令的下发，以及数据的读取，同时此MCU需要具有外部触发功能，接收ADS的上升沿触发，用来作为数据读取的信号，同时此MCU需要具有必须单元PLL倍频器，从而对处理器的主频进行调节和转换，最后MCU需要具备嵌入式处理器通用的GPIO功能，从而控制IC的开闭。
与主控MCU级联的晶体振荡器,在此实例中选取12.288M主频，有利于分频和倍频，其精度选取为1ppm其两项指标不为强制需求，只需晶振稳定，震荡和精度指标可根据实际需求灵活选择；与MCU进行级联并实现数据采集的模数转换器，在此实例中，选取具体型号为ADS1281，其采样率可由指令控制，且接收规定频率的主频作为采集基频，且数据通过SPI接口与MCU相连，提供数据DIDY上升沿指示，与模数转换器和MCU相连的使能控制器，在此实例中选用TS3A27518E_PW_24，其具有连接开关功能，器件选型无特殊需求；与IC相连的是晶体振荡器二，其主频选用12.288M，时间精度为0.1PPM,其时间精度涉及到采集精度，可根据实际需求选择；与MCU相连的是其他的IC设备，不做特殊要求；与MCU相连的还包括外围设备，此外围设备特制的是与MCU耦合度较低的其他硬件设备，不做特殊要求。
本发明设计的基于上述的应用于地震数据采集的变频控制装置的控制方法具体步骤包括：
(1)系统启动，包括初始化堆栈、设置中断向量等。
(2)以1/8最高主频锁定PLL，包括PLL初始化，倍频器锁定，主频系数更新。
(3)系统自检，包括外围设备自检，其他IC自检等，例如对存储设备的初始化和外部供电电压检测。
(4)开启IC开启采集，包括开启ADS和OSC2的连接，给ADS发送配置采样率指令，发送开启采集指令。
(5)进入主循环单元，主循环单元包括负载标志位变量Msgtickcnt更新，此标志位放在主循环中，每完成一次主循环此Msgtickcnt会加一，但如果其循环中的任务变多，执行时间会边长，并且其中断任务可随时打断主程序，如若中断任务变多，其Msgtickcnt也会更新变慢，因此其更新的快慢可作为系统负载的重要指标。
(6)记录空闲状态Msgtickcnt的基值MsgtickcntBase，此基值为系统在空闲状态下的循环运行次数基准。
(7)执行交互任务，包括与外界外围设备的交互指令等。
(8)执行存储任务，保留数据存储等任务。
(9)与其并行的是中断处理任务，中断处理任务包括以500ms为周期的TIME主中断，其作为本算法的主中断，在系统中具有最高优先级，可随时打断其他任务。
(10)其他中断处理任务，其中在主TIME中断处理任务包括负载判定算法，其算法主要判定是否进行变频处理，如若需要进行变频处理则调用调频算法，对频率进行调节，从而控制进行频率升高和频率降低。
所述
GPS：Global Positioning System，全球定位系统；
PLL：与次算法相关度较低；
TTL：Transistor transistor logic，晶体管-晶体管逻辑电平；
RTC：Real-Time Clock，实时时钟；
PPS：Pulse Per Second，秒脉冲，脉冲数/秒。
本实例中，其负载判定算法为：
(1)基于500ms较高优先级中断，中断有系统自动触发，其中断由TIME触发，设置为最高优先级，可随时打断其他任何进程。
(2)计算在此条件下统计循环次数MsgFullCnt，其统计周期为500ms。
(3)在中断中判定Msgtickcnt的值，由于Msgtickcnt在主循环中，会随着系统负载的增加和减少动态变化，其系统负载越小，Msgtickcnt在一定时间内的值会越高，其系统负载越大，Msgtickcnt在一定时间内的值会越低，如若Msgtickcnt小于上一状态的平均负载值MsgtickcntState/2，则将升频标志位置1，调用调频算法，并将MsgtickcntState置为最新的Msgtickcnt值，初始MsgtickcntState为MsgtickcntBase，如若Msgtickcnt大于上一状态的平均负载值MsgtickcntState*2则将降频标志位置1，调用调频算法，调节主频。
在本实例中，其频率调节算法为：
(1)首先将MCU的主倍频器PLL的分频系数置为8，后续分频和降频都以此为基数进行，其此时的主频为频率调节的基频，也就是最低频率。
(2)首先判定升频标志位和降频标志位，根据不同的标志位进入到升频和降频操作。(3)对于升频操作，将IC保持在开路状态，保证ADS采集基准源不间断，后调整PLL倍频器，将PLL倍频器的倍频系数加一，从而主频增加最高主频的八分之一，如若倍频系数已达到最高8，也就是系统时钟已达到最高主频，此时主频已达到最高倍频系数，为变频中的8档中的最高级别，则不进行操作。
(4)对于降频操作，将IC保持在开路状态，保证ADS采集基准源不间断，后调整PLL倍频器，将PLL倍频器的倍频系数减一，从而主频减少最高主频的八分之一，如若主频系数已降为1，则系统时钟已到达最低主频，也既达到频率调节的基频，则不进行调节。
Claims (1)
1.一种应用于地震数据采集的变频控制装置的控制方法，其特征在于，应用于地震数据采集的变频控制装置包括：基于ARM架构的嵌入式微处理器、与嵌入式微处理器级联的晶体振荡器一、与嵌入式微处理器级联的模数转换器、与模数转换器和嵌入式微处理器相连的使能控制器、与使能控制器相连的晶体振荡器二、与嵌入式微处理器相连的其他IC设备和外围设备；与嵌入式微处理器相连的外围设备；
所述其他IC设备包括：除上述与模数转换器和嵌入式微处理器相连的使能控制器以外的多个使能控制器；
所述应用于地震数据采集的变频控制装置的控制方法包括如下步骤：
步骤一：变频控制装置启动，包括：初始化堆栈、设置中断向量；
步骤二：以1/8最高主频锁定倍频器，包括：倍频器初始化、倍频器锁定、主频系数更新；
步骤三：变频控制装置自检，包括：外围设备自检和其他IC设备自检；
步骤四：开启使能控制器的采集，包括：开启模数转换器和晶体振荡器二的连接，给模数转换器发送配置采样率指令和开启采集指令；
步骤五：进入主循环单元，执行负载标志位变量Msgtickcnt更新，每完成一次主循环此负载标志位变量Msgtickcnt会加“一”；记录空闲状态负载标志位变量Msgtickcnt的基值为MsgtickcntBase，此基值为空闲状态下主循环运行次数基准；
但其循环中的任务变多，执行时间会增加，且中断处理任务可随时打断主程序，若中断任务变多，则负载标志位变量Msgtickcnt更新变慢；
步骤六：执行与外界外围设备交互任务；
步骤七：执行存储任务，同时执行中断处理任务，所述中断处理任务包括：500ms为周期的TIME主中断处理任务和其他中断处理任务；
所述500ms为周期的TIME主中断处理任务包括：负载判定算法和调频算法；
所述步骤七中的负载判定算法包括：
首先，计算在500ms较高优先级中断规则条件下统计的循环次数MsgFullCnt，其统计周期为500ms；
其次，在中断任务状态中判定负载标志位变量Msgtickcnt的值；
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所述步骤七中频率调节算法包括：
首先，将ARM架构的嵌入式微处理器的主倍频器PLL的分频系数置为“8”，后续分频和降频都以此为基数进行，其此时的主频为频率调节的基频，也为最低频率；
其次，判定升频标志位和降频标志位，根据不同的标志位进入到升频和降频操作；
所述升频操作包括：将IC设备保持在开路状态，保证模数转换器采集基准源不间断，再调整PLL倍频器，将PLL倍频器的倍频系数加一，从而主频增加最高主频的八分之一；
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