采用光線傳感與DSP嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)地震加速度信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

ARM和DSP作為嵌入式技術(shù)應(yīng)用在地震信號處理系統(tǒng)中，能很好地滿足地震加速度計(jì)對實(shí)時(shí)性、高精度以及網(wǎng)絡(luò)化的要求，因此，利用光線傳感基于ARM 和DSP雙核微處理器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，一方面發(fā)揮DSP的快速信號處理能力，且能進(jìn)行小數(shù)運(yùn)算，提高運(yùn)算精度，完成地震加速度已調(diào)信號的解調(diào)和頻譜分析；另一方面充分利用ARM豐富的片上系統(tǒng)資源，能實(shí)現(xiàn)解調(diào)信號及其頻譜信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸和顯示，該方案僅通過改變軟件無需重構(gòu)電路就能方便快捷地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

地震加速度計(jì)由傳感探頭、光電轉(zhuǎn)換及信號處理系統(tǒng)構(gòu)成。傳感探頭由采用基于3x3耦合的光纖M—z干涉儀和相關(guān)機(jī)械部分組成。如圖1所示，干涉儀的輸入端是一只2x2耦合器，輸出端是一只3x3耦合器，被測信號加在干涉儀的傳感臂上。

干涉儀的兩臂光纖分別纏繞在傳感頭中的上下兩個(gè)力臂圓筒上，當(dāng)外部施加振動(dòng)時(shí)，簡諧振子施加給信號臂光纖一個(gè)縱向的應(yīng)力，光纖的長度產(chǎn)生變化±△L （應(yīng)變效應(yīng)）、光纖芯的直徑d產(chǎn)生變化±△d（泊松效應(yīng)）、纖芯折射率n產(chǎn)生變化±△n（光彈效應(yīng)），這些變化將導(dǎo)致光纖中光波的相位發(fā)生變化。泊松效應(yīng)相對應(yīng)變效應(yīng)和光彈效應(yīng)造成的相位變化非常小，可以忽略不計(jì)，從而即完成加速度信號對光信號的相位調(diào)制。參考臂和信號臂在3x3耦合器內(nèi)發(fā)生十涉，將相位變化轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)變化，輸出的光強(qiáng)信號經(jīng)PIN轉(zhuǎn)換為電流信號，輸出給信號處理系統(tǒng)，能進(jìn)行地震加速度信號的解調(diào)、頻譜分析顯示及網(wǎng)絡(luò)傳輸控制等。

2 信號解調(diào)原理

對傳感系統(tǒng)中的簡諧振子進(jìn)行分析可以得出，光波相位變化 Φ（t）與簡諧振子感受的加速度a（t）有如下關(guān)系。

式中，E為光纖的楊氏模量；A為光纖的橫截面積；為彈簧片剛度系數(shù)：為有效光纖長度；m為簡諧振子質(zhì)量。從（1）式可以看出被測加速度與光相位變化呈線性關(guān)系。

在3x3耦合對稱情況下，從干涉儀輸出的3路電流信號，經(jīng)I，v變換電路和放大電路后的輸出為：

式中，C 、B （ i=1，2，3）分別為3路輸出的直流分量和交流增益；為被測信號引起的光相位差。從（2）中解出Φ（t），再結(jié)合（1）式就可以得到加速度信號。求解Φ（t）的算法框圖如圖2所示。

解調(diào)輸出信號：

結(jié)合式（1）和式（3）即可求出加速度a（t）。

3 信號處理的硬件實(shí)現(xiàn)

信號處理子系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示。

以ARM（選用飛利浦公司的LPC2214）和DSP（Ti公司的TMS320VC5402）為核心，外擴(kuò)信號調(diào)理、A／D采集、網(wǎng)絡(luò)控制及液晶顯示模塊。以ARM作為系統(tǒng)控制中心，控制A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行地震加速度已調(diào)信號的采集，經(jīng)DSP的HPI接口將數(shù)據(jù)存儲到DSP內(nèi)部RAM 中。完成解調(diào)信號的網(wǎng)絡(luò)傳輸控制、實(shí)時(shí)顯示以及TMS320VC5402的HPI引導(dǎo)裝載。而DSP主要進(jìn)行信號運(yùn)算，完成解調(diào)和FFT頻譜分析。

LPC2214控制器片內(nèi)有16 kbits RAM和256 kbitsFLASHl 31.為了便于系統(tǒng)升級，擴(kuò)展了128 kbits的外部RAM 和2 Mbits的外部FLASH.由于DSP要對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，而內(nèi)部RAM 空間有限且還要用于存放上電復(fù)位后的boot loader程序，所以擴(kuò)展128 kbits外部RAM.

LPC2214有bank。 bank 4個(gè)外部存儲器組，而對于圖3中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，ARM擴(kuò)展的存儲器或外部I／O器件有6個(gè)。所以利用片選信號CS3、地址線A23、A22、A21和一片138譯碼器進(jìn)行地址空間細(xì)分，此片外存儲器或I／O 器件屬于bank，組， 所用地址為0x83000000～0x83ffffff。

3.1 信號調(diào)理及A，D采集電路

信號調(diào)理最主要目的是為了去除信號中的噪聲，使被測電壓范圍和AD采樣范圍相匹配以提高采樣精度。本系統(tǒng)選用Anolog Device公司的ADA4861—3專用放大芯片。該芯片集成了3路放大器。采用單5 V供電。通過調(diào)節(jié)外接電阻的阻值可以獲得1～1 900的放大增益，輸出具有良好的線性度和溫度穩(wěn)定性。由于放大電路集成在芯片中。故減少了噪聲的引入。

選擇MD芯片主要考慮的性能指標(biāo)有分辨率、轉(zhuǎn)換速率、輸入通道數(shù)、信噪比、輸出接口等參數(shù)。因?yàn)樗杉募铀俣刃盘栴l率在1 kHz以內(nèi)根據(jù)奈圭斯特定理采樣頻率 >2 kHz就能無失真地恢復(fù)原信號，輸入信號有3路，綜合考慮以上因素本系統(tǒng)選用Anolog Device公司生產(chǎn)的AD7655芯片。該芯片支持4路輸入（INA1、INA2、INB。、INB2），轉(zhuǎn)換位數(shù)達(dá)16位，1MSPS的轉(zhuǎn)換速率，單電源+5 V供電，串／并口輸出方式，雙通道同步采樣。采樣由A。引腳電平控制，A0=0，INA1／INB1采樣同步；A o=1，INA~NB2采樣同步問。參考電壓 面接2.5 V，分辨率為2×VREF／655 36，約為76-3 V.

3.2 ARM 和DSP的接口電路

ARM 和DSP通過HPI接口進(jìn)行連接。ARM先向DSP寫入控制字，設(shè)置工作模式，然后將訪問地址寫入地址寄存器（HPIA），再對數(shù)據(jù)鎖存器（HPID）進(jìn)行讀寫，即可讀出和寫入指定的存儲單元。主機(jī)由兩根地址線A 、A 可以尋址到HPI接口的控制寄存器、地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器[51；由HBIL、HCNTL1、HCNTL0區(qū)分16位數(shù)據(jù)的高、低字節(jié)。當(dāng)向HBIL=0的地址寫入數(shù)據(jù)時(shí)，表示是第1個(gè)字節(jié)，向HBIL=I的地址寫入數(shù)據(jù)表示第2個(gè)字節(jié)。并且在數(shù)據(jù)交互之前要設(shè)置控制寄存器中的BOB位，指示高地址在前還是低地址在前。這一步在程序初始化時(shí)由ARM來完成。DSP的片選信號接主機(jī)的nCS2，地址空間屬bankz組，即0）【82000000～0x82眥DSP可以通過HINT向主機(jī)發(fā)出中斷信號，通知主機(jī)一幀數(shù)據(jù)處理完畢。主機(jī)收到中斷信號后讀取約定的DSP內(nèi)部數(shù)據(jù)空間中的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)忍幚聿僮鳌?/p>

DSP的引導(dǎo)裝載采用HPI方式，中斷2信號用于激活HPI自舉模式。有兩種方式可以用來獲取中斷2引腳上的輸入信號：①將主機(jī)中斷HINT與INT2直接相連：②在捕捉到DSP復(fù)位向量后的30個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)觸發(fā)一個(gè)有效的外部中斷INT2.由于本設(shè)計(jì)HINT信號用于向主機(jī)產(chǎn)生中斷信號，所以HPI自舉加載采用方式②。注意到在自舉加載的開始，HINT引腳會產(chǎn)生一個(gè)有效的中斷信號，所以ARM在初始化時(shí)要清除這個(gè)中斷。

3.3 ARM 和DM9Ooo網(wǎng)絡(luò)控制接口

DM90OOE是Davicom公司生產(chǎn)的以太MAC控制器。支持10／100 Mbps傳輸速率。電路使用16位總線方式進(jìn)行控制。即數(shù)據(jù)總線D?！獶。與芯片的SD?！玈D。連接，地址線也進(jìn)行相對應(yīng)的連接，片選線與芯片的AEN相連。DM9000E 以太網(wǎng)控制器的基地址為Ox300。而總線的地址線A 與芯片的命令／數(shù)據(jù)使能端CMD相連，所以對其進(jìn)行操作的地址是0x300（地址端口）和0x304（數(shù)據(jù)端口），而結(jié)合ARM 的片選線得到的32位地址為0x83000300 （地址端口）和0x83000304（數(shù)據(jù)端口）。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，由于廣泛采用單任務(wù)順序機(jī)制因而編程復(fù)雜。同時(shí)系統(tǒng)安全性差而導(dǎo)致系統(tǒng)頻繁復(fù)位以至無法達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。本設(shè)計(jì)在軟件設(shè)計(jì)中引入tzCOS—II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，使程序設(shè)計(jì)變得非常簡單，將操作系統(tǒng)移植到LPC2214中以提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

首先編寫好與硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序。應(yīng)用層程序以任務(wù)為編程對象。任務(wù)具有任務(wù)堆棧、優(yōu)先級等參數(shù)，根據(jù)任務(wù)的執(zhí)行順序和重要程度可分配不同的優(yōu)先級；在任務(wù)調(diào)度過程中可以通過OSTaskSuspend（os PRIO—SELF）、OSTaskResume（task_prio）函數(shù)進(jìn)行任務(wù)之間的切換。本系統(tǒng)可分為DSP boot loader、 D采集、讀HPI、寫HPI、網(wǎng)絡(luò)傳輸、液晶顯示等6大任務(wù)。在主函數(shù)中創(chuàng)建任務(wù)，設(shè)置任務(wù)各項(xiàng)參數(shù)。主程序流程圖如圖4所示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

用丹麥產(chǎn)PM4808型振動(dòng)臺模擬產(chǎn)生地震信號，將光纖傳感器輸出信號輸入到本系統(tǒng)進(jìn)行解調(diào)及頻譜分析網(wǎng)絡(luò)傳輸測試實(shí)驗(yàn)，解調(diào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖5所示。

從圖5可以看出，系統(tǒng)能較準(zhǔn)確地解調(diào)出原始信號，其誤差主要有光纖傳感耦合器的非對稱、A／D量化誤差、模擬電路中殘留的熱噪聲干擾等等。

圖6所示為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的傳輸情況。其中PC機(jī)的IP地址設(shè)置為192.168.0.4，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的IP地址設(shè)置為192.168.0.7，端*為10000.實(shí)驗(yàn)證明所設(shè)計(jì)的嵌入式信號處理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)基于TCP／IP的網(wǎng)絡(luò)通信。

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的雙CPU光纖傳感地震加速度信號處理系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地完成信號解調(diào)、頻譜分析及其網(wǎng)絡(luò)傳輸，系統(tǒng)靈敏度達(dá)4.35 V／g，支持10／100 Mbps速率的以太網(wǎng)傳輸，其提供網(wǎng)絡(luò)控制接口對于實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)共享、遠(yuǎn)程監(jiān)控等具有重要意義采用雙CPU的處理方案，實(shí)現(xiàn)了對光纖傳感地震加速度信號的高精度采集和快速處理，并具有以太網(wǎng)傳輸功能，實(shí)現(xiàn)了地震加速度數(shù)據(jù)的共享。