基于ARM和DSP的地震加速度信号处理系统（1） 微处理器, 系统升级, 加速度, 嵌入式, 地震

yuyang911220

引言
　　ARM和DSP作为嵌入式技术应用在地震信号处理系统中，能很好地满足地震加速度计对实时性、高精度以及网络化的要求，因此，利用光线传感基于ARM 和DSP双核微处理器的嵌入式系统设计方案，一方面发挥DSP的快速信号处理能力，且能进行小数运算，提高运算精度，完成地震加速度已调信号的解调和频谱分析；另一方面充分利用ARM丰富的片上系统资源，能实现解调信号及其频谱信息的网络传输和显示，该方案仅通过改变软件无需重构电路就能方便快捷地实现系统升级。
　　1 系统构成及工作原理
　　地震加速度计由传感探头、光电转换及信号处理系统构成。传感探头由采用基于3x3耦合的光纤M—z干涉仪和相关机械部分组成。如图1所示，干涉仪的输入端是一只2x2耦合器，输出端是一只3x3耦合器，被测信号加在干涉仪的传感臂上。

干涉仪的两臂光纤分别缠绕在传感头中的上下两个力臂圆筒上，当外部施加振动时，简谐振子施加给信号臂光纤一个纵向的应力，光纤的长度产生变化±△L （应变效应）、光纤芯的直径d产生变化±△d（泊松效应）、纤芯折射率n产生变化±△n（光弹效应），这些变化将导致光纤中光波的相位发生变化。泊松效应相对应变效应和光弹效应造成的相位变化非常小，可以忽略不计，从而即完成加速度信号对光信号的相位调制。参考臂和信号臂在3x3耦合器内发生十涉，将相位变化转换成光强变化，输出的光强信号经PIN转换为电流信号，输出给信号处理系统，能进行地震加速度信号的解调、频谱分析显示及网络传输控制等。
　　2 信号解调原理
　　对传感系统中的简谐振子进行分析可以得出，光波相位变化 Φ（t）与简谐振子感受的加速度a（t）有如下关系。

式中，E为光纤的杨氏模量；A为光纤的横截面积；为弹簧片刚度系数：为有效光纤长度；m为简谐振子质量。从（1）式可以看出被测加速度与光相位变化呈线性关系。
　　在3x3耦合对称情况下，从干涉仪输出的3路电流信号，经I，v变换电路和放大电路后的输出为：

式中，C 、B （ i=1，2，3）分别为3路输出的直流分量和交流增益；为被测信号引起的光相位差。从（2）中解出Φ（t），再结合（1）式就可以得到加速度信号。求解Φ（t）的算法框图如图2所示。

解调输出信号：

结合式（1）和式（3）即可求出加速度a（t）。
　　3 信号处理的硬件实现
　　信号处理子系统的原理框图如图3所示。

以ARM（选用飞利浦公司的LPC2214）和DSP（Ti公司的TMS320VC5402）为核心，外扩信号调理、A／D采集、网络控制及液晶显示模块。以ARM作为系统控制中心，控制A／D转换器进行地震加速度已调信号的采集，经DSP的HPI接口将数据存储到DSP内部RAM 中。完成解调信号的网络传输控制、实时显示以及TMS320VC5402的HPI引导装载。而DSP主要进行信号运算，完成解调和FFT频谱分析。
　　LPC2214控制器片内有16 kbits RAM和256 kbitsFLASHl 31.为了便于系统升级，扩展了128 kbits的外部RAM 和2 Mbits的外部FLASH.由于DSP要对大量的数据进行运算，而内部RAM 空间有限且还要用于存放上电复位后的boot loader程序，所以扩展128 kbits外部RAM.
　　LPC2214有bank。 bank 4个外部存储器组，而对于图3中的系统设计，ARM扩展的存储器或外部I／O器件有6个。所以利用片选信号CS3、地址线A23、A22、A21和一片138译码器进行地址空间细分，此片外存储器或I／O 器件属于bank，组， 所用地址为0x83000000～0x83ffffff。
　　3.1 信号调理及A，D采集电路
　　信号调理最主要目的是为了去除信号中的噪声，使被测电压范围和AD采样范围相匹配以提高采样精度。本系统选用Anolog Device公司的ADA4861—3专用放大芯片。该芯片集成了3路放大器。采用单5 V供电。通过调节外接电阻的阻值可以获得1～1 900的放大增益，输出具有良好的线性度和温度稳定性。由于放大电路集成在芯片中。故减少了噪声的引入。
　　选择MD芯片主要考虑的性能指标有分辨率、转换速率、输入通道数、信噪比、输出接口等参数。因为所采集的加速度信号频率在1 kHz以内根据奈圭斯特定理采样频率 >2 kHz就能无失真地恢复原信号，输入信号有3路，综合考虑以上因素本系统选用Anolog Device公司生产的AD7655芯片。该芯片支持4路输入（INA1、INA2、INB。、INB2），转换位数达16位，1MSPS的转换速率，单电源+5 V供电，串／并口输出方式，双通道同步采样。采样由A。引脚电平控制，A0=0，INA1／INB1采样同步；A o=1，INA~NB2采样同步问。参考电压 面接2.5 V，分辨率为2×VREF／655 36，约为76-3 V.
　　3.2 ARM 和DSP的接口电路
　　ARM 和DSP通过HPI接口进行连接。ARM先向DSP写入控制字，设置工作模式，然后将访问地址写入地址寄存器（HPIA），再对数据锁存器（HPID）进行读写，即可读出和写入指定的存储单元。主机由两根地址线A 、A 可以寻址到HPI接口的控制寄存器、地址寄存器和数据寄存器[51；由HBIL、HCNTL1、HCNTL0区分16位数据的高、低字节。当向HBIL=0的地址写入数据时，表示是第1个字节，向HBIL=I的地址写入数据表示第2个字节。并且在数据交互之前要设置控制寄存器中的BOB位，指示高地址在前还是低地址在前。这一步在程序初始化时由ARM来完成。DSP的片选信号接主机的nCS2，地址空间属bankz组，即0）【82000000～0x82眦DSP可以通过HINT向主机发出中断信号，通知主机一帧数据处理完毕。主机收到中断信号后读取约定的DSP内部数据空间中的数据进行显示或网络传输等处理操作。
　　DSP的引导装载采用HPI方式，中断2信号用于激活HPI自举模式。有两种方式可以用来获取中断2引脚上的输入信号：①将主机中断HINT与INT2直接相连：②在捕捉到DSP复位向量后的30个时钟周期内触发一个有效的外部中断INT2.由于本设计HINT信号用于向主机产生中断信号，所以HPI自举加载采用方式②。注意到在自举加载的开始，HINT引脚会产生一个有效的中断信号，所以ARM在初始化时要清除这个中断。