基于ARM 和DSP的地震加速度信号处理系统设计

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