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對實時性,、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力臂圓筒上,，當(dāng)外部施加振動時，簡諧振子施加給信號臂光纖一個縱向的應(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,，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,、實時顯示以及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個外部存儲器組,，而對于圖3中的系統(tǒng)設(shè)計,，ARM擴(kuò)展的存儲器或外部I／O器件有6個。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)。因為所采集的加速度信號頻率在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,，表示是第1個字節(jié),，向HBIL=I的地址寫入數(shù)據(jù)表示第2個字節(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個時鐘周期內(nèi)觸發(fā)一個有效的外部中斷INT2.由于本設(shè)計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)生一個有效的中斷信號,，所以ARM在初始化時要清除這個中斷。

　　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

　　傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計中,，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)計目標(biāo)。本設(shè)計在軟件設(shè)計中引入tzCOS—II實時操作系統(tǒng),，使程序設(shè)計變得非常簡單,，將操作系統(tǒng)移植到LPC2214中以提高系統(tǒng)實時性。

　　首先編寫好與硬件接口的驅(qū)動程序,。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)各項參數(shù)。主程序流程圖如圖4所示,。

　　5 實驗結(jié)果及分析

　　用丹麥產(chǎn)PM4808型振動臺模擬產(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)傳輸測試實驗，解調(diào)實驗結(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，其誤差主要來源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)計系統(tǒng)的IP地址設(shè)置為192.168.0.7,，端*為10000.實驗證明所設(shè)計的嵌入式信號處理系統(tǒng)可以實現(xiàn)基于TCP／IP的網(wǎng)絡(luò)通信。

　　6 結(jié)語

　　本文設(shè)計的雙CPU光纖傳感地震加速度信號處理系統(tǒng)能實時地完成信號解調(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，實現(xiàn)了地震加速度數(shù)據(jù)的共享,。