軒志偉，軒春青，袁東磊

（1.河南藍(lán)信科技股份有限公司，河南 鄭州 450001；2.鄭州成功財(cái)經(jīng)學(xué)院，河南 鄭州 450000；3.海馬汽車有限公司，河南 鄭州 450016）

基于ARM+FPGA的地震測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軒志偉1，軒春青2，袁東磊3

（1.河南藍(lán)信科技股份有限公司，河南 鄭州 450001；2.鄭州成功財(cái)經(jīng)學(xué)院，河南 鄭州 450000；3.海馬汽車有限公司，河南 鄭州 450016）

為了準(zhǔn)確地測(cè)量地震并給予預(yù)警，研制了以arm+FPGA為控制核心的地震測(cè)試預(yù)警系統(tǒng)。本系統(tǒng)傳感器選用DSU3加速度傳感器，能夠準(zhǔn)確測(cè)量三維坐標(biāo)下的各個(gè)方向的加速度分量，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確判定地震烈度等級(jí)并通過(guò)液晶屏顯示，在地震時(shí)能夠及的報(bào)警，采集數(shù)據(jù)能夠存入外擴(kuò)存儲(chǔ)器在需要的時(shí)候能通過(guò)USB接口讀出。

arm+FPGA；傳感器；報(bào)警；

地震是一種十分有害的自然現(xiàn)象，地震對(duì)于當(dāng)?shù)氐慕ㄖ徒?jīng)濟(jì)的破壞越來(lái)越嚴(yán)重。對(duì)天然地震信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行有效分析和處理，以盡可能減少地震自然災(zāi)害對(duì)人類造成的損失，對(duì)地震預(yù)測(cè)、警報(bào)及確保人們安全具有重要意義

近年來(lái)，隨著可編程邏輯器件的迅猛發(fā)展，可編程邏輯器件在數(shù)據(jù)采集、邏輯接口設(shè)計(jì)、電平接口轉(zhuǎn)換和高性能數(shù)字信號(hào)處理等領(lǐng)域取得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。FPGA不僅可以解決電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高可靠性等問(wèn)題，而且開發(fā)周期短、投入少，同時(shí)不斷下降的芯片價(jià)格極大推動(dòng)了FPGA器件在廣泛使用。文章介紹一種ARM微處理器+FPGA的硬件設(shè)計(jì)，融合嵌入式Linux技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一種小型化、移動(dòng)性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)耦合度高的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以滿足地震觀測(cè)的需要、減小儀器尺寸和重量、降低功耗和提高數(shù)據(jù)采集工作效率為目標(biāo)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)由核心板、數(shù)據(jù)采集板和電源板等組成。地震儀利用加速度傳感器DSU3輸出x、y、z三個(gè)軸上的加速度信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理后輸出給數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊輸出采樣信號(hào)存入FPGA中，而后傳輸給ARM，ARM將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器同時(shí)根據(jù)接收到的采集信號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，判斷地震烈度，并通過(guò)液晶在界面上進(jìn)行顯示及報(bào)警。為了功能上的完整性，系統(tǒng)增加了USB通信接口模塊，在需要的時(shí)候上位機(jī)可以通過(guò)該接口讀取采集到的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）加速度傳感器。DSU3是一個(gè)三個(gè)數(shù)字加速計(jì)。數(shù)字加速計(jì)基于微機(jī)電技術(shù)、低功耗且在任何傾斜角度能正常工作，具有高性能，低功耗、在所有操作下可靠的特點(diǎn)。其三個(gè)正交組件允許它能夠準(zhǔn)確記錄在所有三個(gè)軸上的地面運(yùn)動(dòng)。

該傳感器具有模擬傳感器的相關(guān)性能并能和帶有數(shù)字加速度計(jì)的設(shè)備鏈接使用。電源去耦方面，絕大多數(shù)情況下，單個(gè)電容可以消除噪聲干擾，該電容應(yīng)放置在電源旁邊。該傳感器具有帶寬限制措施，在輸出引腳上增加小容量電容可實(shí)現(xiàn)低通濾波功能。帶寬選擇為20Hz即可天然地震頻率，選擇合適的濾波電容，使得該帶寬下分辨精度為x、y軸對(duì)應(yīng)1.2mg，Z軸對(duì)應(yīng)精度為2.5mg，符合檢測(cè)精度要求。

（2）ARM核心模塊。ARM板以Atmel AT91SAM9G20微處理器為核心，通過(guò)總線和通用IO管腳與存儲(chǔ)器和FPGA通信。該處理器是Atmel公司推出的一款低功耗控制器。工作頻率高達(dá)400MHz，具有豐富的片上設(shè)備，包括以太網(wǎng)、通用同/異步發(fā)送接收器、媒體存儲(chǔ)接口等。

板上大容量CF卡安裝有FAT文件系統(tǒng)，用于地震波形數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸及系統(tǒng)控制功能，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流傳輸。液晶屏顯示系統(tǒng)工作參數(shù)。串口用于輸出調(diào)試信息。高效的電源轉(zhuǎn)換電路是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗的基礎(chǔ)。電源板主要提供系統(tǒng)工作所需電源，包括地震計(jì)反饋電路供電，參考電壓，標(biāo)定電路和檢波器控制電路供電。

（3）FPGA邏輯設(shè)計(jì)。FPGA芯片的功能主要包括：采集三個(gè)通道的數(shù)據(jù)。當(dāng)三路數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒，啟動(dòng)由FPGA實(shí)現(xiàn)的SPI數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)機(jī)，地震波形數(shù)據(jù)被緩沖到其內(nèi)部的緩沖區(qū)中。當(dāng)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)達(dá)到一個(gè)閾值時(shí)，向處理器發(fā)出中斷信號(hào)。在中斷處理程序中，通過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線把緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到內(nèi)存緩沖區(qū)中。之后，把諸如數(shù)字信號(hào)濾波等耗時(shí)任務(wù)放到中斷下半部中進(jìn)行處理。

（4）A/D數(shù)據(jù)采集通道。A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）采用TI公司的ADS1281。該轉(zhuǎn)換器具有高分辨率、高精度特性，內(nèi)置穩(wěn)定的調(diào)制器，可配置濾波器，特別適合地震數(shù)據(jù)觀測(cè)環(huán)境。在本設(shè)計(jì)中，模擬地動(dòng)波形信號(hào)經(jīng)差分放大后輸入到轉(zhuǎn)換器中。時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào)由FPGA分頻產(chǎn)生，用于串行輸出轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)到FPGA的緩沖區(qū)。當(dāng)轉(zhuǎn)換器完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后，拉低相應(yīng)管腳表示數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒，等待讀取。轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)輸出管腳連接至FPGA的相應(yīng)端口上，用于數(shù)據(jù)到FPGA的串行傳輸。

（5）USB接口電路設(shè)計(jì)。USB通信采用FTDI公司的FT245R芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。該芯片的主要引腳按功能可劃分為通用引腳，USB接口，發(fā)送緩沖區(qū)空標(biāo)志，接收緩沖區(qū)非空標(biāo)志，讀、寫控制信號(hào)等。該芯片的功能是進(jìn)行USB和并行接口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)中該芯片采用總線供電方式，其通用數(shù)字管腳與ARM的數(shù)據(jù)端口相連。通過(guò)ARM控制其讀、寫信號(hào)使其工作。需要注意的是該芯片需要在計(jì)算機(jī)上配置合適的驅(qū)動(dòng)。文章采用D2XX驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbit/s。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵主要有2部分，信號(hào)采集部分和主程序數(shù)據(jù)處理部分。信號(hào)采集是對(duì)傳感器輸出的三路模擬信號(hào)進(jìn)行循環(huán)采集并將采集的數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器。在采集的同時(shí)啟用一個(gè)定時(shí)，時(shí)間一到將本段時(shí)間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)求中值，并根據(jù)中值判定地震等級(jí)并及時(shí)將等級(jí)通過(guò)液晶屏輸出同時(shí)發(fā)出警報(bào)。Linux因其源代碼開放性特點(diǎn)，成為嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的操作系統(tǒng)之一。底層硬件驅(qū)動(dòng)和數(shù)字信號(hào)濾波程序使用C語(yǔ)言，部分代碼使用嵌入式匯編語(yǔ)言，上層應(yīng)用程序開發(fā)則使用C語(yǔ)言。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要任務(wù)包括操作系統(tǒng)的移植、驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)(包括數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)控制及標(biāo)定驅(qū)動(dòng)程序等模塊)以及嵌入式應(yīng)用軟件和上位PC機(jī)應(yīng)用軟件開發(fā)。

（1）arm內(nèi)核的配置。下載解壓縮內(nèi)核源文件。修改頂層目錄下的Makefile文件，設(shè)定目標(biāo)硬件并指定交叉編譯環(huán)境路徑。使用圖形界面或文本行界面進(jìn)行內(nèi)核配置，根據(jù)硬件電路和軟件系統(tǒng)功能對(duì)內(nèi)核模塊進(jìn)行剪裁，完成操作系統(tǒng)鏡像的定制、編譯與調(diào)試，并在此環(huán)境上進(jìn)行應(yīng)用軟件和驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)在ARM中植入嵌入式linux平臺(tái)，首先根據(jù)目標(biāo)設(shè)備的硬件配置及需要，對(duì)內(nèi)核進(jìn)行基本定制，開發(fā)并安裝驅(qū)動(dòng)程序，生成鏡像文件。而后，通過(guò)網(wǎng)卡將鏡像文件下載到目標(biāo)設(shè)備中進(jìn)行調(diào)試，最終把內(nèi)核及文件系統(tǒng)映像文件等燒寫入Flash存儲(chǔ)器。

（2）應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。嵌入式應(yīng)用軟件運(yùn)行在采集器ARM處理器上，具體實(shí)現(xiàn)為一個(gè)命令解析服務(wù)器，通過(guò)Socket接口連接到上位PC機(jī)，并接收PC機(jī)端發(fā)送來(lái)的控制命令，執(zhí)行相應(yīng)的操作。PC機(jī)應(yīng)用軟件由主線程和數(shù)據(jù)通信線程組成。主線程為文檔——視圖結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)查詢與設(shè)置操作、實(shí)時(shí)波形顯示與波形存儲(chǔ)等功能；數(shù)據(jù)通信線程與硬件通信，接收波形數(shù)據(jù)。主要功能包括：①實(shí)時(shí)接收、存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)；②實(shí)時(shí)瀏覽波形；③查詢、設(shè)置系統(tǒng)工作參數(shù)；④查詢GPS信息；⑤查詢、設(shè)置標(biāo)定參數(shù)、啟動(dòng)停止標(biāo)定；⑥查詢、設(shè)置觸發(fā)參數(shù)；⑦設(shè)置數(shù)據(jù)采集器通信參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用DSU3加速度傳感器的地震烈度速報(bào)儀可精確采集地震引起的震動(dòng)信息；采用的多種軟件濾波方法能簡(jiǎn)化并有效處理復(fù)雜的地震信號(hào)，液晶顯示具有較好的可視化性能。FPGA具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集處理能力，arm具有很好的操作性及運(yùn)算能力，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行很快的處理。因此，本地震速報(bào)儀具有體積小、攜帶輕便，預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確，應(yīng)用界面友好等特點(diǎn)，對(duì)家用地震速報(bào)儀器的普及、盡可能地減低地震帶來(lái)的危害具有參考意義。

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勘 誤

《時(shí)代農(nóng)機(jī)》2017年第9期黃育忠文章《基于農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革之農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合發(fā)展思考》中，詳見第3頁(yè)第24行，“既可保護(hù)犁底層，同時(shí)又可深翻200cm”應(yīng)為“既可保護(hù)犁底層，同時(shí)又可深翻20cm”。特此勘誤，并向作者和讀者致歉。

《時(shí)代農(nóng)機(jī)》編輯部

2017年10月

軒志偉（1989-），男，河南太康人，碩士研究生，工程師，主要研究方向：數(shù)據(jù)采集與處理。