基于ARM和DSP的地震加速度信号处理系统

  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。传感探头由采纳基于3x3耦合的光纤光纤

　　光纤是一种传输介质，是依照光的全反射的原理制造的。光纤是一种将讯息从一端传送到另一端的媒介，是一条以玻璃或塑胶纤维作为让讯息通过的传输媒介。通常光纤与光缆两个名词会被混淆。多数光纤在使用前必须由几层守护结构包覆，包覆后的缆线即被称为光缆。光纤外层的守护结构可防止周遭环境对光纤的损害，如水，火，电击等。光缆分为：光纤、缓冲层及披覆。光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。在多模光纤中，芯的直径是15mm~50mm， 大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为8mm~10mm。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套， 以使光纤保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套，用来守护封套。光纤通常被扎成束，外面有外壳守护。 纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，它质地脆,易断裂,因此需要外加一守护层。 [全文]

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耦合器耦合器

　　耦合器是在微波系统中,能够将一路微波功率按比例分配成几路的元件。耦合器的作用是将信号不均匀地分成几分(称为主干端和耦合端，也有的称为直通端和耦合端)，主要包括: 定向耦合器、功率分配器以及各种微波分支器件。 这些元器件一般都是线性多端口互易网络, 因此可用微波网络理论进行分析 。 [全文]

，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产生变化。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耦合器内产生十涉，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操纵等。

　　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路输出的直流重量和交流增益；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、网络操纵及液晶显示模块显示模块

　　用于显示数据的模块。 [全文]

。以ARM作为系统操纵中心，操纵A／D转换器转换器

　　转换器从原理上可分为协议转换器、接口转换器两大类。从应用上又可以分光纤转换器、光电转换器、视频转换器等等。例如视频转换器就是一种连接电脑和电视的设备，它可以把电脑上的内容转换并显示在电视机上，让人们可以在电视上学电脑，上网，玩游戏，做商业演示，看股票等等。 [全文]

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操纵、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操纵器片内有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个外部存储器存储器

　　存储器是用来存储程序和数据的部件，有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。它根据操纵器指定的位置存进和取出信息。 [全文]

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。采纳单5 V供电。通过调节外接电阻电阻

　　电阻，物质对电流的阻碍作用就叫该物质的电阻。电阻小的物质称为电导体，简称导体。电阻大的物质称为电绝缘体，简称绝缘体。 [全文]

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，单电源电源

电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供给器，它提供计算机中所有部件所需要的电能。[全文]

+5 V供电，串／并口输出方式，双通道同步采样。采样由A。引脚电平操纵，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写入操纵字，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接口的操纵寄存器、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操纵寄存器中的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的引导装载采纳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猎取中断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自举加载采纳方式②。注重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。

　　3.3 ARM 和DM9Ooo网络操纵接口

　　DM90OOE是Davicom公司生产的以太MAC操纵器。支持10／100 Mbps传输速率。电路使用16位总线方式进行操纵。即数据总线D。～D。与芯片的SD。～SD。连接，地址线也进行相对应的连接，片选线与芯片的AEN相连。DM9000E 以太网操纵器的基地址为Ox300。而总线的地址线A 与芯片的命令／数据使能端CMD相连，所以对其进行操作的地址是0x300（地址端口）和0x304（数据端口），而结合ARM 的片选线得到的32位地址为0x83000300 （地址端口）和0x83000304（数据端口）。

　　4 系统软件设计

　　传统的嵌入式系统软件设计中，由于广泛采纳单任务顺序机制因而编程复杂。同时系统安全性差而导致系统频繁复位以至无法达到设计目标。本设计在软件设计中引入tzCOS—II实时操作系统，使程序设计变得非常简洁，将操作系统移植到LPC2214中以提高系统实时性。

　　首先编写好与硬件接口的驱动程序。应用层程序以任务为编程对象。任务具有任务堆栈、优先级等参数，根据任务的执行顺序和重要程度可分配不同的优先级；在任务调度过程中可以通过OSTaskSuspend（os PRIO—SELF）、OSTaskResume（task_prio）函数进行任务之间的切换。本系统可分为DSP boot loader、 D采集、读HPI、写HPI、网络传输、液晶显示等6大任务。在主函数中创建任务，设置任务各项参数。主程序流程图如图4所示。

　　5 实验结果及分析

　　用丹麦产PM4808型振动台振动台

　　振动台又称振动激励器或振动产生器。它是一种利用电动、电液压、压电或其他原理获得机械振动的装置。 [全文]

模拟产生地震信号，将光纤传感器传感器

　　凡是利用一定的物性（物理、化学、生物）法则、定理、定律、效应等把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。传感器是测试系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测试的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的系统”。传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测试信号输入的第一道关口。 [全文]

输出信号输入到本系统进行解调及频谱分析网络传输测试实验，解调实验结果分别如图5所示。

　　从图5可以看出，系统能较正确地解调出原始信号，其误差主要来源有光纤传感耦合器的非对称、A／D量化误差、模拟电路中残留的热噪声干扰等等。

　　图6所示为网络数据包的传输情况。其中PC机的IP地址设置为192.168.0.4，本设计系统的IP地址设置为192.168.0.7，端*为10000.实验证实所设计的嵌入式信号处理系统可以实现基于TCP／IP的网络通信。

　　6 结语

　　本文设计的双微处理器光纤传感地震加速度信号处理系统能实时地完成信号解调、频谱分析及其网络传输，系统灵敏度达4.35 V／g，支持10／100 Mbps速率的以太网传输，其提供网络操纵接口对于实现传感器网络化、数据共享、远程监控等具有重要意义采纳双微处理器的处理方案，实现了对光纤传感地震加速度信号的高精度采集和快速处理，并具有以太网传输功能，实现了地震加速度数据的共享。

  来源:alexe

该文章来至网络或用户，仅供学习交流之用，版权归原作者所有。
如有侵权，请及时与我们联系！

基于DSP的光纤光栅解调系统的设计

0 引言　　光纤布拉格光栅传感器(FBGS)是用光纤布拉格光栅(FBG)作敏感元件的功能型光纤传感器，可用于直接检测温度和应变，以及与温度和应变有关的其他许多物理量和化学量...

音频信号采集与AGC算法的DSP设计方案

过去，对大音频信号采纳限幅方式，即对大信号进行限幅输出，小信号不予处理。这样，仍然存在音频信号过小时，用户自行调节音量，也会影响用户的收听效果。随着电子技术，计...

DSP程序的加密守护体制设计

目前，DSP以其卓越的性能、独有的特点，已经成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件。同时，随着对知识产权的重视，在利用DSP进行产品设计时，如何守护自己的成...

现代通信系统与DSP实验平台

1 引言　　近些年来，通信电子技术和计算机技术进展较快，不断推陈出新，尤其是无线电通信技术在近几年得到了迅猛进展。针对日新月异的新技术，大中专院校通信类专业的理论...

采纳DSP的声音采集系统硬件原理及设计

声音信号无处不在，同时也包含着大量的信息。在日常的生产生活中，我们分析声音信号，便可以简化过程，得到我们想要的结果。随着 DSP芯片的性价比不断攀升，使 DSP得以从军...