引言
ARM和DSP作為嵌入式技術應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)設計方案，一方面發(fā)揮DSP的快速信號處理能力,，且能進行小數(shù)運算,，提高運算精度，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)絡傳輸和顯示，該方案僅通過改變軟件無需重構電路就能方便快捷地實現(xiàn)系統(tǒng)升級,。
1 系統(tǒng)構成及工作原理
地震加速度計由傳感探頭,、光電轉(zhuǎn)換及信號處理系統(tǒng)構成。傳感探頭由采用基于3x3耦合的光纖M—z干涉儀和相關機械部分組成,。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力,，光纖的長度產(chǎn)生變化±△L （應變效應）、光纖芯的直徑d產(chǎn)生變化±△d（泊松效應）,、纖芯折射率n產(chǎn)生變化±△n（光彈效應）,，這些變化將導致光纖中光波的相位發(fā)生變化。泊松效應相對應變效應和光彈效應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)換成光強變化,，輸出的光強信號經(jīng)PIN轉(zhuǎn)換為電流信號，輸出給信號處理系統(tǒng),，能進行地震加速度信號的解調(diào),、頻譜分析顯示及網(wǎng)絡傳輸控制等,。
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,，外擴信號調(diào)理,、A／D采集、網(wǎng)絡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)絡傳輸控制,、實時顯示以及TMS320VC5402的HPI引導裝載。而DSP主要進行信號運算,，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)進行運算,，而內(nèi)部RAM 空間有限且還要用于存放上電復位后的boot loader程序,，所以擴展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)設計,，ARM擴展的存儲器或外部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譯碼器進行地址空間細分,，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接口進行連接,。ARM先向DSP寫入控制字,，設置工作模式，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）進行讀寫,，即可讀出和寫入指定的存儲單元。主機由兩根地址線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的片選信號接主機的nCS2,，地址空間屬bankz組，即0）【82000000～0x82眥DSP可以通過HINT向主機發(fā)出中斷信號,，通知主機一幀數(shù)據(jù)處理完畢,。主機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)進行顯示或網(wǎng)絡傳輸?shù)忍幚聿僮鳌?/p>
DSP的引導裝載采用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將主機中斷HINT與INT2直接相連：②在捕捉到DSP復位向量后的30個時鐘周期內(nèi)觸發(fā)一個有效的外部中斷INT2.由于本設計HINT信號用于向主機產(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，地址線也進行相對應的連接,，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)軟件設計
傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)軟件設計中,，由于廣泛采用單任務順序機制因而編程復雜。同時系統(tǒng)安全性差而導致系統(tǒng)頻繁復位以至無法達到設計目標,。本設計在軟件設計中引入tzCOS—II實時操作系統(tǒng),，使程序設計變得非常簡單，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,。應用層程序以任務為編程對象。任務具有任務堆棧,、優(yōu)先級等參數(shù),，根據(jù)任務的執(zhí)行順序和重要程度可分配不同的優(yōu)先級；在任務調(diào)度過程中可以通過OSTaskSuspend（os PRIO—SELF）,、OSTaskResume（task_prio）函數(shù)進行任務之間的切換,。本系統(tǒng)可分為DSP boot loader、 D采集,、讀HPI,、寫HPI、網(wǎng)絡傳輸,、液晶顯示等6大任務,。在主函數(shù)中創(chuàng)建任務，設置任務各項參數(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)進行解調(diào)及頻譜分析網(wǎng)絡傳輸測試實驗,，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)絡數(shù)據(jù)包的傳輸情況,。其中PC機的IP地址設置為192.168.0.4,，本設計系統(tǒng)的IP地址設置為192.168.0.7，端*為10000.實驗證明所設計的嵌入式信號處理系統(tǒng)可以實現(xiàn)基于TCP／IP的網(wǎng)絡通信,。
6 結(jié)語
本文設計的雙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)絡傳輸，系統(tǒng)靈敏度達4.35 V／g,，支持10／100 Mbps速率的以太網(wǎng)傳輸,，其提供網(wǎng)絡控制接口對于實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡化、數(shù)據(jù)共享,、遠程監(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,。