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。