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(gòu)電路就能方便快捷地實現(xiàn)系統(tǒng)升級。

　　1 系統(tǒng)構(gòu)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(gòu)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。