目前，地面地震勘探仪器发展迅速，其带道能力已经达到上万道甚至10万道；借助于现代电子、通讯技术、微电子学及软件技术，基于24位△-∑技术的地震采集站，其动态范围已经超过120 dB；采集站和主机构成的网络传输能力强大，成千上万道的地震数据能在放炮激发后的短暂时间内传输到主机。使得在地面开展地震勘探工作变得更加高效和便捷。但是，随着地震仪器的道数越来越多，电缆的管理和维护成本增加，专家预测无缆存储式地震采集站将是下一步地震勘探仪器的发展方向。
在地震仪器的设计中，研发人员对于地震信号的采集性能要求越来越高，为能获得高分辨率的地震信号，要求采集系统的动态范围足够大，这对地震仪器的采集系统提出了较高的要求。传统地震仪均采用24位AD芯片，配合放大电路以及数字滤波电路来实现采样电路。随着集成电路技术的快速发展，Cirrus Logic公司提供的地震勘探系列芯片大幅简化了地震仪器采集电路的设计。
针对以上情况，结合煤矿井下仪器的特点，本文采用Cirrus Logic公司提供的地球物理测量系列芯片CS3301A、CS5373A和CS5378设计了一种高精度、低噪声、低功耗的矿用防爆地震仪。该仪器彻底摆脱了大线的困扰，实现了分布式采集、独立存储、集中回收，适用于在煤矿井下开展槽波探测、地震勘探等工作。
1 Cirrus Logic芯片概述
Cirrus Logic公司为地震系统设计师提供高精度地震传感器地震采集、地球物理仪器以及地球物理应用解决方案。其地震勘探系列芯片CS3301A、CS5373A、CS5378为地震仪器的设计提供了方便，它们具有精度高、噪声低、配置灵活等特点。CS3301A是一个适用于检波器的信号放大器，具有1～64的可编程增益配置、CS5373A具有24位ADC和DAC；CS5378是数字滤波芯片，具有Sine、FIR、IIR多级滤波器，可根据要求设置，采样率1～4 000 sample·s-1任意可选。
CS5373A上集成了用于地震检测的24位4级Delta Sigma调节器，应用于地震检测的DAC功能，使精巧单通道地震采集节点应用成为可能。C S5373A是Cirrus Logic公司第四代地震产品开发的新产品。CS5373A与CS3301差分放大器及CS5378数字放大器共同组成了Cirrus Logic公司的Single—S芯片组。它适用于单传感器路上及海上地震检测产品应用，占板面积小、低功耗。
2 系统设计
系统采用32位ARM芯片、结合24位A／D、SD卡海量存储技术等构建嵌入式硬件平台，利用开源嵌入式Linux操作系统，完成系统功能配置、数据采集以及数据回收等功能。该仪器可实现单站3通道信号采集，各仪器之间利用GPS信号以及高精度时钟芯片实现时间的精确同步。系统总体框图如图1所示。
系统具有以下功能：
(1)电源模块。实现对系统中各个模块的供电管理，提供数字3．3 V、5 V，模拟2．5 V，-2．5 V的供电。该部分实现镍氢电池到各部分电压输出的转换，并实现本安电源。
(2)中央控制单元。本文采用三星S3c2440A核心控制板，该芯片是基于ARM920T核心，嵌入式技术的32位ARM处理器，其工作频率高达400 MHz，处理速度更快、能耗更低。
(3)采集模块。采用Cirrus Logic公司提供的CS3301A+CS5373A+CS5378组成的单通道采集芯片，构成三通道采集模块，可实现三分量地震信号的采集功能。系统最高采样率达4 000 sample·s-1。
(4)对时模块。采用实时时钟芯片，利用GPS授时器可实现对系统的准确对时。另外系统利用中央控制单元进行仪器的工作时间调度。
(5)存储模块。系统采用大容量工业SD卡实现对采集数据的实时存储。
(6)网络通信。系统采用以太网实现仪器工作参数的配置以及数据的回传功能。
3 硬件设计
矿用地震仪的硬件电路设计主要由电源电路、采集电路、控制电路、对时电路等组成。其中采集电路和控制电路是系统的关键。
电源电路部分就是要将电池输出变换成模拟和数字5路不同的工作电压，且要实现对各路电源的管理，以适应整个系统的低功耗要求。
3．1 采集电路
采集电路的功能是将检波器的模拟输出信号转换成为数字信号，并通过SPI接口与中央控制单元相连接，向控制单元输出转换结果，并可以通过控制单元配置采集的放大倍数、采样率等参数。该部分电路包括放大、24位ADC和数字滤波3个部分组成。文中采用Cirrus Logic公司提供的CS3301A+CS5373A+CS5378芯片组实现信号采集和转换。图2为采集电路结构框图，图3为采集电路的原理图。
3．2 控制电路
中央控制单元利用ARM核心板实现对采集的控制和管理。CS5378与中央控制单元的接口电路如图4所示，中央控制单元对采集部分进行控制。
4 软件设计
系统采用模块化设计的思想，完成各个功能器件的驱动程序，最后实现系统的数据采集和存储。图5为系统软件功能框图，图6为系统工作流程图。
整个嵌入式采集系统分为采集控制、SD卡读写控制。这些功能分别由系统底层的各种硬件驱动程序来完成。包括时钟驱动、按键驱动、LED驱动、SD卡驱动、文件系统、AD驱动以及看门狗驱动等。
系统开机(重启)后初始化各个功能端口，并对各功能器件进行初始化。
当系统达到采样条件(采样时间到)时，系统进入采样环节。采样过程中主要靠INT0中断程序进行数据的采集和处理。INT0是CS5378数据准备好的中断。中央控制单元的INT0中断接CS5378的DRDY信号，在CS5378转换完成一次采样后就触发该中断，从而采集程序就会读取数据并进行SD卡存储。为提高写SD卡的速度，该程序开辟了4 MByte的数据缓冲区，将写满的数据缓冲区一次性写入SD卡中，这样避免了频繁进行SD卡写操作，从而提高了系统的效率。在整个采样过程中，将系统时钟和采样数据一一对应存放，保证了数据的完整性。
5 性能测试
对于仪器的性能，在实验室分别对本底噪声、最大信号、前放增益、采样率等参数进行了逐一测试。其各项指标，达到了预期的设计目标。仪器的各项技术指标如下：
带道能力：单站三道(一道三分量)；触发方式：定时触发；采集分辨率：24位；采样间隔：0．25 ms，0．5 ms，1 ms，2 ms，4 ms，8 ms可选；放大倍数：0～64倍可选；本底噪声：优于1μV(有效值)；动态范围：优于120 dB；存储能力：0．25 ms采样，连续存储48 h数据；通信协议：TCP／IP；防爆类型：本质安全型。
现已研制了20套样机，并已取得了防爆证和MA认证，仪器样机如图7所示。
通过计算，采集通道在采样率为1 000 sample·s-1时等效输入噪声0．84μV(RMS)，测试数据如图8所示，达到了仪器预期的指标1μV。
为验证本文所设计仪器的采集性能，将其与加拿大ARIES地震仪在某一地面工地并联接在同一个检波器上进行数据采集，其波形如图9所示。从图中可以看出，本文设计的地震仪其波形形态与Aries仪器完全一致。ARIES地震仪与本文研制的地震仪参数对比如表1所示，可以看出本文研制的地震仪其性能达到了矿井地震勘探的要求。目前已部分矿井用本文研制的防爆地震仪进行了多次井下地震勘探施工，取得了较好的勘探效果。
6 结束语
从分析Cirrus Logic公司的地震勘探芯片特点触发，采用CS3301A+CS5373A+CS5378芯片组，设计了一种高性能、低功耗、适用于煤矿井下工作的防爆便携式地震仪。该仪器采用先进的ARM9嵌入式处理器，集成了GPS对时、大容量数据存储功能，仪器的各项性能指标均达到设计目标。该仪器的研制成功，对于煤矿井下二维地震勘探以及超大工作面的槽波勘探具有重要的意义。