在地球物理勘探中，电法及电磁法是一项重要的分支.由于种类多，适应性强等优点，被广泛用于能源、矿产资源勘探，海洋探测，水文及工程勘察等领域(邓明等，2013；何继善，1997；赵国泽等，2007).地球物理是一门观测性学科，地球物理仪器则是认识地球、资源探测、工程质量检测、环境监测以及地质灾害监测预测的重要手段(陆其鹄等，2007；林君等，2010；滕吉文，2010).所以方法的设计和发展都与仪器的发展紧密结合，息息相关.

嵌入式系统因具有实时性强，界面友好，接口丰富，编程方便，代码开源等优点而被广泛用于电法仪器中，其中以Linux系统被应用的最为广泛(仇洁婷等，2011).为满足各个领域对嵌入式系统的使用，从而使得该系统所采用的处理器构架，硬件电路平台，Bootloader等多种多样.嵌入式系统中没有类似PC中针对电源管理的统一规范，也没有通用的BIOS接口对电源管理(包括关机、休眠等)提供底层支持.虽然部分嵌入式系统提供了部分电源管理功能的接口，但并没有包含通过软件完成安全开关机的功能(赵霞等，2008；刘晖亮等，2011).

随着经济建设的快速发展，各行各业对矿产资源的需求越来越大.再加上露头矿和浅层矿的开采已处于枯竭状态，所以向深部矿产进军是当前研究的热点也是难点(刘光鼎，2013).要对深部矿产进行勘探，就必须在分辨率和抑制噪声能力上有大幅度提高，以同步技术和多次覆盖技术为基础的分布式观测系统是最好的选择(林品荣等，2006；Boivin，2007； Chalikakis et al., 2011；底青云等，2013；林婷婷等，2013).目前国外相对成熟的分布式电法采集系统主要有MIMEX公司的Titan-24(Garner and Thiel， 2000；Garner and Webb， 2000)，EMI公司的MT-24和Phoenix公司的SSMT(Kingman et al., 2007).国内技术相对成熟的有中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研制的阵列大功率多功能电磁探测系统(林品荣等，2010)和吉林大学的林君等人研制的拟地震式的分布式深部电磁探测系统(张文秀等，2012).对于分布式电法观测系统，一次观测就需要铺设几十台至数百台的仪器.在野外数据采集时，由于专业操作员很少，主要是非专业人员来对这些采集站进行管理，所以很容易出现各种各样的误操作.还有就是采集站工作时需要不时地保存大量的数据.所以如果没有一个安全的，有效的软开关机机制，在采集站突然关闭，突然掉电和电源直接被打开时，很容易导致数据文件的损坏，从而影响整个系统对测区的观测.针对这一问题，本文设计了一种基于CPLD的软开关机的方法.该方法具有很强的通用性.

1 软开关机的总体方案

如图 1所示为软开关机的总体硬件设计.

图 1

Fig. 1

图 1 软开关机的总体硬件设计图 Fig. 1 The overall hardware design of the soft power-off

该系统主要由复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)，微处理器，电源模块，外围电路和备用电源组成.微处理器是整个系统的核心，CPLD是根据接收微处理器的命令信息，从而打开和关闭相应的电源模块.系统开机只需CPLD控制电源模块即可，而软关机则需要CPLD和微处理器之间的协同工作才能实现.电源模块主要由三极管和各类 DC-DC开关电源组成.备用电源是一个1F的法拉电容.在仪器因突发情况断电后，系统则进入掉电模式，法拉电容作为备用电源给整个系统供电.微处理器和CPLD之间采用SPI总线进行通讯.SPI总线以单工模式进行工作，微处理器为主设备，CPLD为从设备，所以CPLD只接受数据.三色指示灯主要是辅助和直观的作用，根据灯光颜色和亮闪频率的不同来指示系统所处的状态.

2 软开机的设计

2.1 软开机状态机的设计

为实现软开关机的功能，仪器中必须有一个模块一直上电，从而保持待机.实际设计中以一款超低功耗的CPLD作为常供电模块.目前，自主研制的电法类仪器均采用模块化电源进行设计，即把仪器分成六个部分，每部分对应一个电源.这样设计的好处是可把故障风险分开，有效降低电源系统的故障率，增强整个仪器的稳定性.如表 1所示为电源模块的划分.

表 1(Table 1)

表 1 电源模块的划分 Table 1 The component part of the power module 电源 对应的工作模块 VDD_5V 微处理器 VDD_3.3V DSP芯片 VA_5.5V 采集通道 VGPS_3.3V 同步授时模块 VCC_ZB 无线通讯模块

表 1 电源模块的划分 Table 1 The component part of the power module

表中每个模块的电源均与一个三极管对应，三极管的基极则连接到CPLD的管脚上.在检测到按键按下的状态后，CPLD按程序中确定的顺序逐个开启三极管的基极，从而打开每个模块的电源.CPLD采用一个有限状态机(Finite-state machine，FSM)和一段组合逻辑来完成软开机的设计.

常上电模块的功耗决定了仪器待机的时间，考虑到功耗的问题，设计中规定待机时状态机不工作，只被下降沿检测电路产生的信号触发后才工作.如图 2所示为下降沿检测电路，Button_in为按键信号.按键开关复位时为高点平，按下后为低电平.在采集到下降沿后，该电路产生一个时钟周期的高电平，触发状态机.

图 2

Fig. 2

图 2 下降沿检测电路图 Fig. 2 The falling edge detection

如图 3所示为软开机状态机流程图.

图 3

Fig. 3

图 3 软开机状态机流程图 Fig. 3 The flow chart of the finite-state machine for the soft-startup machine

在检测到按键按下后，下降沿检测电路产生一个时钟周期的高电平，从而触发状态机.经过20 ms后，状态机首先打开微处器模块和授时模块的电源，下一个状态再打开其他模块的电源.其中，20 ms是按键抖动的时间.实际的键盘由于受制造工艺等影响，其输入特性不可能完美.当按键按下时，在触点即将接触到完全接触这段时间里，键盘的通断状态很可能已经改变了多次(邢自茹和史明健，2009).即在这段时间里，键盘输入了多次逻辑0和1.在触点即将分离到完全分离这段时间也是一样的.如果这些输入被系统响应，则系统暂时也将处于失控状态.人体按下按键的抖动时间在5 ms至10 ms之间(于晶等，2011).设计中选用20 ms来避开这段时间.为进一步降低误输入，设计中规定按键持续时间如果小于20 ms，则认为是抖动信号，系统不做响应.如大于20 ms则认为是正常的按键信号，系统响应按键输入.

2.2 三色指示灯的控制

三色指示灯根据灯光颜色和亮闪频率的不同来指示系统所处的状态.它由CPLD和微处理器共同控制，并且与软开机系统同时启动.当嵌入式系统未启动完成时，三色灯由CPLD控制.在按键才按下后，CPLD以2 Hz频率轮流点亮红黄绿三色灯.当嵌入式系统启动完成后，微处理器通过SPI串口给CPLD发送接管三色灯的指令.CPLD接收到该指令后，则把三色灯的控制权移交给微处理器.仪器在不同状态下三色指示灯的亮闪情况如2表所示.

表 2(Table 2)

表 2 三色指示灯的状态表 Table 2 The different state list of three-color light 仪器状态 控制源 三色指示灯亮灭情况 开机启动 CPLD 红黄绿灯以2 Hz循环闪烁 电池电压不足 微处理器 黄灯以1 Hz频率闪烁 数据采集状态 微处理器 绿灯以1 Hz频率闪烁 微处理器执行下电程序 微处理器 红灯以1 Hz频率闪烁

表 2 三色指示灯的状态表 Table 2 The different state list of three-color light

3.1 关机模式的标志信号的设置

仪器的软关机与软开机不同，它需要CPLD和微处理器协同工作才能实现.关机有三个模式，一是按键关机，二是掉电关机，三是软件关机.按键关机顾名思义就是按下按键来关机.掉电关机是仪器遇到突发情况断电时，法拉电容作为备用电源对整个系统进行供电，CPLD检测到该模式后则开始执行关机程序.软件关机是通过主机的软件界面关机.在一条测线完成后，准备把接收机移到下一条测线时，为减少电池电量的浪费，需要通过软件对其进行关机.由于嵌入式系统存在启动时间，所以与前两种关机模式不同的是，软件关机不是关闭所有的模块的电源，而是保留微处理器的电源.

为便于CPLD对这三种关机模式进行区分，设计中为这三种模式均设置了一个标志信号.

(1)按键关机的标志信号.如图 4所示为按键关机的标志信号的产生电路图.在采集到上升沿后，与门输出一个时钟周期的高电平，该信号则是按键关机的标志信号.

图 4

Fig. 4

图 4 按键关机标志信号的产生电路图 Fig. 4 The flag signal of button-shutdown machine

(2)软关机的标志信号.主机与采集站之间通过Zigbee无线网络进行通讯.当采集站上的Zigbee天线接收到主机的关机命令后，则传输给CPLD.CPLD解析该命令数据，然后开始执行下电程序.其中相应的命令数据则是软关机的标志信号.

(3)掉电关机.如图 4所示为掉电关机标志信号产生示意图.开机启动后，电池电源通过二极管给法拉电容充电，并通过DC-DC电源给系统供电.这时标志信号为高电平.当突然掉电后，法拉电容作为备用电源开始放电，DC-DC电源则给系统提供一个稳定的电源.由于二级管的单向导电性，标志信号则由高电平变为低电平，CPLD检测到该标志信号的变化后，则开始执行下电程序.

3.2 软关机状态机的设计

软件关机与其它两种关机不同，它不会关闭所有的电源模块.为防止两种关机或者三种关机模式刚好同时被启动时产生的误判断和满足各种突发事件而要求仪器进行关机，设计中采用设置关机优先级的方法来解决.其中，掉电关机的优先级最高，按键关机其次，软件关机最低.在CPLD中采用一个有限状态机来对这三种关机模式进行判断和解析.如图 5所示，为状态机程序流程图.

图 5

Fig. 5

图 5 掉电关机标志信号产生示意图 Fig. 5 The flag signal of brown-out protection

图 6

Fig. 6

图 6 软关机状态机程序流程图 Fig. 6 The flow chart of finite-state machine for soft-shutdown machine

实际设计中，系统时钟的频率为4.096 MHz，所以可在满足速度要求的前提下对三个关机的标志信号进行顺序检查.系统采用低电平进行复位，复位后状态机进入空闲状态idle.接着按照优先级由高到低的顺序进行关机判断.当有较高优先级的关机请求时，则直接跳转到执行下电程序状态，而不再对较低优先级的关机标志信号进行检测.

关机模式判断完以后则一方面拉低信号CPLD_MCU0，另一方面，启动定时器开始计时.信号CPLD_MCU0连接微处理器的外部中断接口.当嵌入式系统响应中断后，则开始执行关闭内部进程，保存采集的数据等一系列下电操作.当这些处理完成后，则通过SPI总线发送一个指令给CPLD.CPLD首先判断校验位是否正确，如不正确则通过拉低信号CPLD_MCU1告知微处理器.CPLD_MCU1也与微处理器的外部中断源相连.在检测到该中断后，微处理器重新发送该命令数据.校验位正确后则开始解析命令数据，得知微处理器已做好下电准备，则关闭模块的电源.图中flag信号是用来区分关机模式，当为1时，则表明关闭所有的模块的电源，当为0时，则关闭除微处理器和无线通讯模块外所有的模块电源.

为防止嵌入式系统在关机过程中死机这一情况，采用在CPLD内设计一个定时器来解决.设计规定，当开始执行下电程序8秒后，CPLD还未接收到微处理器发送的已做好关机准备的指令时，则表明嵌入式系统已死机，这时定时器产生一个信号强制关闭每个模块的电源.

图 7

Fig. 7

图 7 数据包结构 Fig. 7 The structure of the data packet

CPLD与微处理器之间采用SPI总线进行通讯.微处理器为主设备，CPLD为从设备.为确保每次数据传输的正确性，本文设计了一个基于数据包的简洁、灵活的通讯命令协议.该协议一共包含包头标志header，数据类型标志flag，长度标志length，信息区info，校验码check和包尾标志end.各区段意义如下：

(1)包头标志header.作为数据的开头部分，每次发送数据之前都会发送一次.CPLD不接受包头标志数据，只逐位检测.如不符合事先设定的包头标志，则不对数据进行接收.设计中规定0x0206为包头标志.

(2)数据类型标志flag.该标志用2位数来表示.00为复位状态，01表示信息区为命令数据，10表示信息区为常规数据，11为预留设计，不表示任何意义.

(3)长度标志length.该标志用2位数来表示.为增加传输的灵活性，设计中没有把信息区的位数固定，而是有几种情况可选.00为复位状态，默认为8 bits，01表示信息区的数据位数为16 bits，10表示位数为32 bits，11为预留设计，不表示任何意义.

(4)信息区info.存放传输的有效数据.由于系统的数据并不复杂，所以本次设计信息区选用16 bits.

(5)校验码check.为确保每次数据传输的正确性，设计中采用奇偶校验的方法来检测信息传输的误码.如传输错误，则通过拉低CPLD_MCU1要求微处理器重新发送数据.

(6)包尾标志end.该标志位用两个字节的数据表示.设计中规定为0x0203.

4 实际应用

目前，自主研制的电法仪器采用的微处理器是SAM9G45.该ARM芯片是Amtel公司推出的一款低功耗，集成度高的高速处理器.CPLD选用Lattice公司生产的LCMXO1200.需要提出的是，该CPLD的主要功能是负责采集通道数据的接收，管理，发送和数据的误差消除等工作.为简化电路，节省资源消耗，软开关机系统只在CPLD中开辟一个部分资源来完成，所以消耗资源少.如图 8所示为软开关机实体调试图.

图 8

Fig. 8

图 8 软开关机实体调试图 Fig. 8 Diagram of model machine debugging

实测可得，该系统在工作时，电压为12 V，电流为30 mA左右，功耗为0.36 W.所选电池的容量为11000 mA·h，完成充电一次可待机15天左右，所以满足野外勘探需求.法拉电容的容值为1 F，实测表明，在系统掉电后，作为备用电源可给整个系统提供60 s左右的供电时间.这对整个系统的关机时间来说已明显足够.

该方案在自主研制的激电(IP)，音频大地电磁(AMT)和可控源音频大地电磁(CSAMT)仪器中得到了具体的应用.长期使用表明，该软开关机系统可以有效应对各种突发事件对仪器电路和文件数据的影响，增强了系统的稳定性.

5 结 论

本文设计了一种基于CPLD的电法仪器软开关机系统的方法，介绍了系统实现的程序流程和通讯协议的定义.实际应用表明，在分布式观测系统中，该方法不仅可以有效保护电路而且可以应对各种突发事件对文件数据的破坏，增强了电法仪器的稳定性，丰富了产品的功能.同时，该系统可以应用到其它仪器中，具有很强的借鉴性和通用性.