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基于STM32+FPGA的地震数据采集器软件设计，支持RK3568+FPGA平台

news 来源：原创 2025/8/24 4:45:52
0 引言
地震观测是地球物理观测的重点，是地震学和
地球物理学发展的基础 [1] 。地震数据采集器主要功
能是将地震计采集的地震波模拟信号转换为数字信
号并进行记录或传输 [2] ，为地震学提供大量的基础
数据。本文将介绍基FPGA+ARM的地震数据采集器软
件设计。
1 研究背景
系统架构。本设计采用STM32MP157作为主控
制单元，运行在Linux环境中。ADC采集模块将地震
计产生的三分量地震模拟信号通过采样转换成数字
信号。FPGA 主要负责数据采集、数据传输和对ADC
参数控制，采集GPS模块接收的IRIG-B码，向ARM转
发PPS秒脉冲授时，FPGA和ARM之间SPI总线进行数
据交互，Linux驱动和应用层都运行在ARM上，主要
接收数据、数据处理、数据存储和数据传输，外接
EMMC用于储存数据，网口连接远程客户端。串口用
于帮助开发人员对开发板进行调试，DS18b20获取
环境温度。系统整体设计结构图如图1所示。
2 Linux平台构建
本设计采用虚拟机Linux系统方式开发，安
装Ubantu18.04操作系统，在vscode上编写驱动
和Linux应用程序代码，构建交叉编译器，移植
U-boot，裁剪官方Linux内核，使用Buildroot构
建根文件系统。STM32MP157移植5.4.31版本Linux
操作系统。开发测试过程中，板子使用串口连接
PC端MobaXterm调试，设置U-boot参数让设备树、
内核镜像均通过TFTP方式加载，从PC端虚拟机中
Ubantu的NFS共享目录加载根文件系统，测试时驱
动均以.ko模块的形式加载到内核。完成所有测试
之后，将驱动Linux内核，设备树、内核镜像、根
文件系统烧写进核心板内部EMMC中。
3 系统软件设计
软件包括FPGA软件、ARM软件和客户端软件。
ARM软件包括驱动层和应用层，驱动有两层。（1）
与寄存器交互的底层驱动。（2）业务驱动层，主要
进行数据处理，编写系统调用接口，并在驱动中申
请为Linux系统/dev目录下的一个设备文件，Linux
应用程序通过系统调用联系驱动层，数据存储EMMC
中。通过网络与客户端建立连接，接收客户端数据
请求。客户端上位机软件主要用于显示波形、设置
参数和下达控制指令。软件结构如图2。
3.1 FPGA软件
FPGA芯片选用Intel Altera公司Cyclone系列
的EP4CE10F17C8N，在ISE软件使用Verilog语言编
程。FPGA采集AD芯片ADS1281的地震波数字信号,
ADS1281完成一次模数转换后，DADY引脚电平拉
低，FPGA可读取数据，实际采集有效位数为24 位。
GPS模块上电后会接收IRIG-B时间串码,一帧100 个
码元，每个码元周期10 ms [3] 。
FPGA采集IRIG-B码并将除P码外89 个有效0或1
码元编码成4 个32 位SPI帧发送给ARM。FPGA发送AD
采样数据和编码后的IRIG-B码给ARM。同时FPGA将
GPS接受的PPS秒脉冲转发给ARM。另一路SPI中FPGA
从，ARM为主，用于接收ARM发送的控制信号，控制
AD采样的量程和电源。
FPGA在本设计中另外一个作用是，在GPS信号
丢失的情况下仍可为其他设备授时，FPGA采用外界
晶振模拟PPS秒脉冲并发送至ARM。在有GPS信号的
条件下，FPGA会对晶振每秒产生的时钟计数，实际
计数值可能与晶振理论频率值存在偏差记录偏差，
每10 s一个循环周期，计算循环周期内累加总偏差
值为T，求周期平均偏差T0＝T/10 [4] 。当丢失GPS信
号后，FPGA将启用晶振结合T0来模拟精准度较高的
PPS秒脉冲为ARM授时。
3.2 底层驱动
串行外设接口SPI是一种高速的、全双工、同
步的通信总线 [5] 。本设计中FPGA与MP157使用SPI
总线传输协议完成数据传输，其中一路SPI中，
FPGA为主，MP157为从，因为是单主从结构，所以
SCLK、MOSI和CS片选三线可以完成数据传输任务。
因Linux开源代码中暂无ST芯片原厂的SPI从
机驱动，故需编写其驱动代码。将SPI从机驱动
建立在Platform虚拟总线平台上，实现驱动和设
备的分离。使用OF匹配表方式匹配设备和驱动，
匹配成功，执行probe函数。probe函数首先使用
spi_alloc_salve向内核申请SPI从机，然后通过
platform_get_resource函数从平台获取内存空间
作为SPI相关寄存器的映射，通过devm_ioremap_
resource函数返回这段内存的虚拟地址，程序通过
虚拟地址访问寄存器。虚拟地址和物理地址之间的
转换是通过MMU来完成 [6] 。接着对SPI寄存器进行初
始化，设置SPI一帧为32 位，CPOL和CPHA均为0，通
信方式为只接收，片选设置为SS PAD输入决定，硬
件片选。不使用片选进行时钟和数据同步会导致数
据移位问题。
FPGA与MP157通过SPI总线传输大量数据，使用
DMA传输减轻CPU负担。为避免出现cache与内存数
据不一致的问题，使用一致性DMA映射方式。使用
dma_alloc_cohernet函数申请DMA缓冲区，然后进
行DMA参数配置。dmaengine_perp_dma_cyclic绑定
回调函数。之后启动DMA的异步传输，等待数据到
来。另一路SPI，ARM作为主机，FPGA作为从机接收
控制信号。向Linux 内核注册成功spi_driver 以
后就可以使用SPI 核心层提供的API 函数来对设备
进行读写操作了。
3.3 业务驱动
MP157通过SPI总线从FGPA得到三通道原始数
据和IRIG-B码，数据量到达DMA缓冲区一半时，启
用DMA回调函数，在回调函数中启用tasklet中断下
半部中处理数据。接收到的三个通道的4 000Hz原
始数据放在三个环形缓冲队列，存放过去10 s钟的
数据。解析IRIG-B码可以得到当前的年、月、日、
时、分、秒等时间信息，计算出时间戳 [7] 。同时
FPGA会向MP157转发GPS模块的PPS秒脉冲信号，结
合解析的时间信息为数据打上时间标签。
在边缘端设备对原始数据进行FIR级联滤波降
采样处理，压缩数据量，降低网络频带要求。由于
滤波采用的是级联结构，减少资源的使用和计算
量，只设置2倍和5倍降采样滤波器，阶数分别为
N=72和N=24，从4 000 Hz先2倍降采样到2 000 Hz，
再5倍降采样到400 Hz，直到50 Hz，共5级。FIR软
件滤波器框图如图3所示。
原始数据和每一级的滤波数据均由环形缓冲区
存储，每一级保留10 s内数据，分为10个数据块，
如4 kHz原始数据的缓冲区偏移地址为0～4 000范
围内存放时间戳为1704377760s的采集数据，经过
滤波器2倍下采样将数据存放在2 kHz缓冲区偏移地
址为0～2 000范围内，每一级如此。当需要读取某
一分辨率的指定绝对秒时间内的数据的起始地址，
只需要找到绝对秒时间在原始数据缓冲区中块号即
可。采样率越低的数据，由于经过级数多，存在
数据延迟产生的问题。本设计使用多线程协同的
方式解决问题，它的核心思想是让每一级滤波用
kthread_create分配一个内核线程，每个线程分配
合理的时间，设定时间内即使没有完成新数据的滤
波工作，仍结束此次调度，进入等待队列，开始处
理下一级滤波器的滤波内核线程。
在应用程序和驱动交互中，驱动程序抽象为设
备文件的形式，在Linux下通过udev来实现设备文
件的创建与删除，应用程序对/dev目录下的设备文
件与驱动程序交互。业务驱动定义并实现其file_
operation结构体，ioctl接口传递采样设置参
数，定义lseek接口的whence参数设置缓冲区读指
针，read接口定义参数length读取样点数，并通过
copy_to_user返回给应用程序相应数据。
3.4 Linux应用程序
Linux应用程序使用C语言编写，驱动层设备文
件通过系统调用，每200 ms非阻塞的方式获取最新
数据，存储到外接的EMMC中，存放200 天的数据，
Linux操作系统提供相应的EMMC设备驱动和文件系
统方便用户对EMMC做读写操作。SSH服务可以让远
程客户端与开发板建立网络连接进行数据交互。
3.5 客户端软件
远程客户端采用有固定IP地址的PC机，用户交
互界面使用PyQt5平台实现。主要负责波形显示，也
可以向数据采集器下达控制指令，如采样率设置，
ADC量程设置，远程触发采集设置，以及电路电源，
通道开关功能。
4 结语
本文介绍了基于FPGA+ARM的地震数据采集器软
件设计方案。介绍FPGA软件、底层硬件驱动、业务
层驱动、Linux应用层到客户端一整套的软件设计逻
辑，系统实现数据从采集、处理、传输到显示，研
究成果对数据采集软件设计具有一定参考价值。

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编程日记 2025/8/20 10:29:18

Gladinet CentreStack Triofox 远程RCE漏洞(CVE-2025-30406)

免责声明 本文档所述漏洞详情及复现方法仅限用于合法授权的安全研究和学术教育用途。任何个人或组织不得利用本文内容从事未经许可的渗透测试、网络攻击或其他违法行为。使用者应确保其行为符合相关法律法规，并取得目标系统的明确授权。 对于因不当使用本文信息而造成的任何直…...

编程日记 2025/8/19 18:14:06

ASP.NET WEB 手动推送 URL 到百度站长工具实例

下面是一个完整的 ASP.NET Web 应用程序示例，演示如何手动推送 URL 到百度站长工具。 1. 创建推送页面 (PushToBaidu.aspx) <%@ Page Language="C#" AutoEventWireup="true" CodeBehind="PushToBaidu.aspx.cs" Inherits="BaiduPushEx…...

编程日记 2025/8/22 4:14:25

【Ragflow】18.更好的推理框架：vLLM的docker部署方式

概述 看到不少人说“Ollama就图一乐，生产环境还得用vLLM”。 本文决定使用docker对vLLM进行部署，并解决模型配置中，IP地址的硬编码问题。 Ollama与vLLM风评比较 查询相关资料，Ollama与vLLM主要特点及对比情况如下[1]: Ollama：轻量级本地大模型部署工具，面向个人用户…...

编程日记 2025/8/22 7:56:36

智能 GitHub Copilot 副驾驶® 更新升级！

智能 GitHub Copilot 副驾驶 迎来重大升级&#xff01;现在&#xff0c;所有 VS Code 用户都能体验支持 Multi-Context Protocol&#xff08;MCP&#xff09;的全新 Agent Mode。此外&#xff0c;微软还推出了智能 GitHub Copilot 副驾驶 Pro 订阅计划&#xff0c;提供更强大的…...

编程日记 2025/8/19 12:52:16

什么是高防服务器

高防服务器是具备高强度防御能力、专门应对网络攻击(如DDoS、 CC攻击)的服务器类 型&#xff0c;通过流量清洗、多层防护等技术保障业务稳定运行。具备高强度防御能力和智能攻击识别技术&#xff0c;可保障业务在极端网络环境下稳定运行。其核心特点及技术原理如下&#xff1a…...

编程日记 2025/8/21 11:09:33