基于ARM+FPGA的地震測試系統(tǒng)設計

軒志偉，軒春青，袁東磊

（1.河南藍信科技股份有限公司，河南 鄭州 450001；2.鄭州成功財經學院，河南 鄭州 450000；3.海馬汽車有限公司，河南 鄭州 450016）

基于ARM+FPGA的地震測試系統(tǒng)設計

軒志偉1，軒春青2，袁東磊3

（1.河南藍信科技股份有限公司，河南 鄭州 450001；2.鄭州成功財經學院，河南 鄭州 450000；3.海馬汽車有限公司，河南 鄭州 450016）

為了準確地測量地震并給予預警，研制了以arm+FPGA為控制核心的地震測試預警系統(tǒng)。本系統(tǒng)傳感器選用DSU3加速度傳感器，能夠準確測量三維坐標下的各個方向的加速度分量，根據采集到的數據能夠準確判定地震烈度等級并通過液晶屏顯示，在地震時能夠及的報警，采集數據能夠存入外擴存儲器在需要的時候能通過USB接口讀出。

arm+FPGA；傳感器；報警；

地震是一種十分有害的自然現象，地震對于當地的建筑和經濟的破壞越來越嚴重。對天然地震信號進行準確檢測并對采集到的信號進行有效分析和處理，以盡可能減少地震自然災害對人類造成的損失，對地震預測、警報及確保人們安全具有重要意義

近年來，隨著可編程邏輯器件的迅猛發(fā)展，可編程邏輯器件在數據采集、邏輯接口設計、電平接口轉換和高性能數字信號處理等領域取得越來越廣泛的應用。FPGA不僅可以解決電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高可靠性等問題，而且開發(fā)周期短、投入少，同時不斷下降的芯片價格極大推動了FPGA器件在廣泛使用。文章介紹一種ARM微處理器+FPGA的硬件設計，融合嵌入式Linux技術，實現一種小型化、移動性強、網絡耦合度高的地震數據采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以滿足地震觀測的需要、減小儀器尺寸和重量、降低功耗和提高數據采集工作效率為目標。

1 系統(tǒng)總體設計

采集系統(tǒng)由核心板、數據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三個軸上的加速度信號，經信號調理后輸出給數據采集模塊。數據采集模塊輸出采樣信號存入FPGA中，而后傳輸給ARM，ARM將數據存入存儲器同時根據接收到的采集信號，進行相應的數據處理，判斷地震烈度，并通過液晶在界面上進行顯示及報警。為了功能上的完整性，系統(tǒng)增加了USB通信接口模塊，在需要的時候上位機可以通過該接口讀取采集到的數據。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

2 系統(tǒng)硬件設計

（1）加速度傳感器。DSU3是一個三個數字加速計。數字加速計基于微機電技術、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。其三個正交組件允許它能夠準確記錄在所有三個軸上的地面運動。

該傳感器具有模擬傳感器的相關性能并能和帶有數字加速度計的設備鏈接使用。電源去耦方面，絕大多數情況下，單個電容可以消除噪聲干擾，該電容應放置在電源旁邊。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現低通濾波功能。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軸對應1.2mg，Z軸對應精度為2.5mg，符合檢測精度要求。

（2）ARM核心模塊。ARM板以Atmel AT91SAM9G20微處理器為核心，通過總線和通用IO管腳與存儲器和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400MHz，具有豐富的片上設備，包括以太網、通用同/異步發(fā)送接收器、媒體存儲接口等。

板上大容量CF卡安裝有FAT文件系統(tǒng)，用于地震波形數據的本地存儲、數據傳輸及系統(tǒng)控制功能，包括實時數據流傳輸。液晶屏顯示系統(tǒng)工作參數。串口用于輸出調試信息。高效的電源轉換電路是實現系統(tǒng)低功耗的基礎。電源板主要提供系統(tǒng)工作所需電源，包括地震計反饋電路供電，參考電壓，標定電路和檢波器控制電路供電。

（3）FPGA邏輯設計。FPGA芯片的功能主要包括：采集三個通道的數據。當三路數據準備就緒，啟動由FPGA實現的SPI數據傳輸狀態(tài)機，地震波形數據被緩沖到其內部的緩沖區(qū)中。當緩沖區(qū)中數據達到一個閾值時，向處理器發(fā)出中斷信號。在中斷處理程序中，通過系統(tǒng)數據總線把緩沖區(qū)中數據轉移到內存緩沖區(qū)中。之后，把諸如數字信號濾波等耗時任務放到中斷下半部中進行處理。

（4）A/D數據采集通道。A/D（模數轉換器）采用TI公司的ADS1281。該轉換器具有高分辨率、高精度特性，內置穩(wěn)定的調制器，可配置濾波器，特別適合地震數據觀測環(huán)境。在本設計中，模擬地動波形信號經差分放大后輸入到轉換器中。時鐘驅動信號由FPGA分頻產生，用于串行輸出轉換器轉換的數據到FPGA的緩沖區(qū)。當轉換器完成數據轉化后，拉低相應管腳表示數據準備就緒，等待讀取。轉換器數據輸出管腳連接至FPGA的相應端口上，用于數據到FPGA的串行傳輸。

（5）USB接口電路設計。USB通信采用FTDI公司的FT245R芯片來實現。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)空標志，接收緩沖區(qū)非空標志，讀、寫控制信號等。該芯片的功能是進行USB和并行接口之間的協(xié)議轉換。系統(tǒng)中該芯片采用總線供電方式，其通用數字管腳與ARM的數據端口相連。通過ARM控制其讀、寫信號使其工作。需要注意的是該芯片需要在計算機上配置合適的驅動。文章采用D2XX驅動，數據傳輸速率為1Mbit/s。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計的關鍵主要有2部分，信號采集部分和主程序數據處理部分。信號采集是對傳感器輸出的三路模擬信號進行循環(huán)采集并將采集的數據存入存儲器。在采集的同時啟用一個定時，時間一到將本段時間內采集的數據求中值，并根據中值判定地震等級并及時將等級通過液晶屏輸出同時發(fā)出警報。Linux因其源代碼開放性特點，成為嵌入式系統(tǒng)中應用最為廣泛的操作系統(tǒng)之一。底層硬件驅動和數字信號濾波程序使用C語言，部分代碼使用嵌入式匯編語言，上層應用程序開發(fā)則使用C語言。本系統(tǒng)的軟件設計主要任務包括操作系統(tǒng)的移植、驅動程序開發(fā)(包括數據采集驅動、系統(tǒng)控制及標定驅動程序等模塊)以及嵌入式應用軟件和上位PC機應用軟件開發(fā)。

（1）arm內核的配置。下載解壓縮內核源文件。修改頂層目錄下的Makefile文件，設定目標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行內核配置，根據硬件電路和軟件系統(tǒng)功能對內核模塊進行剪裁，完成操作系統(tǒng)鏡像的定制、編譯與調試，并在此環(huán)境上進行應用軟件和驅動程序的開發(fā)在ARM中植入嵌入式linux平臺，首先根據目標設備的硬件配置及需要，對內核進行基本定制，開發(fā)并安裝驅動程序，生成鏡像文件。而后，通過網卡將鏡像文件下載到目標設備中進行調試，最終把內核及文件系統(tǒng)映像文件等燒寫入Flash存儲器。

（2）應用程序的設計。嵌入式應用軟件運行在采集器ARM處理器上，具體實現為一個命令解析服務器，通過Socket接口連接到上位PC機，并接收PC機端發(fā)送來的控制命令，執(zhí)行相應的操作。PC機應用軟件由主線程和數據通信線程組成。主線程為文檔——視圖結構，實現參數查詢與設置操作、實時波形顯示與波形存儲等功能；數據通信線程與硬件通信，接收波形數據。主要功能包括：①實時接收、存儲波形數據；②實時瀏覽波形；③查詢、設置系統(tǒng)工作參數；④查詢GPS信息；⑤查詢、設置標定參數、啟動停止標定；⑥查詢、設置觸發(fā)參數；⑦設置數據采集器通信參數。

4 結語

應用DSU3加速度傳感器的地震烈度速報儀可精確采集地震引起的震動信息；采用的多種軟件濾波方法能簡化并有效處理復雜的地震信號，液晶顯示具有較好的可視化性能。FPGA具有強大的數據采集處理能力，arm具有很好的操作性及運算能力，可以對數據進行很快的處理。因此，本地震速報儀具有體積小、攜帶輕便，預報實時、準確，應用界面友好等特點，對家用地震速報儀器的普及、盡可能地減低地震帶來的危害具有參考意義。

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勘 誤

《時代農機》2017年第9期黃育忠文章《基于農業(yè)供給側結構性改革之農機農藝融合發(fā)展思考》中，詳見第3頁第24行，“既可保護犁底層，同時又可深翻200cm”應為“既可保護犁底層，同時又可深翻20cm”。特此勘誤，并向作者和讀者致歉。

《時代農機》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：數據采集與處理。