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摘要：闡述基于三星ARM處理器S3C2410A和嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE．net構(gòu)造微型工程地震儀的設(shè)計原理和實現(xiàn)方法。在現(xiàn)有工程地震儀的基礎(chǔ)上，結(jié)合嵌入式技術(shù)構(gòu)造攜帶方便、功耗低、體積小的微型工程地震儀，可以適應(yīng)不同的工作場合，滿足工程勘探的需要。
1 引言
隨著嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在通訊、控制和消費電子等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的嵌入式CPU，與通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群設(shè)計的系統(tǒng)中，它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點，能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計趨于小型化，以動能力增強，與網(wǎng)絡(luò)的耦合也越來越緊密。
本文利用ARM嵌入式系統(tǒng)構(gòu)造微型化的工程地震儀雛形，以滿足特定條件的工作需要，降低功耗，節(jié)省能源以延長工作時間，減小儀器尺寸和重量，使儀器更為輕便。
2 現(xiàn)有工程地震儀簡介
工程地震儀應(yīng)用于地基、路基與基礎(chǔ)工程檢測；隧道工程檢測；大中型水庫的運行觀測；橋梁工程檢測；環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害檢測與評價等工程領(lǐng)域的地震檢測任務(wù)l2 。一般來講工程地震儀器利用錘擊、電火花或爆炸等作為激發(fā)震源，硬件上由前置放大器，數(shù)據(jù)采集卡，A／D轉(zhuǎn)換器，工控機(便攜式微機)等部分組成。而數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，分析軟件都存儲在工控機內(nèi)，可以隨時處理現(xiàn)場所采集的原始數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。其功能一般有：瞬態(tài)多點端雷波勘探淺層反射測量淺層折射測量波速(剪切波)測量多波高密度地震映像樁基檢測土建工程質(zhì)量檢測場地常時微動測量震動爆破測量。如圖1 所示
其中，數(shù)據(jù)的顯示，數(shù)據(jù)的處理和存儲都是用工業(yè)控制微機來完成的，下面是一款典型的現(xiàn)有工程地震儀器工業(yè)控制微機的硬件配置：
CPU ：PIII 500MHz
內(nèi)存：128MB
硬盤：不小于40GB
光驅(qū)：內(nèi)置
顯示屏：800×600點陣VGA液晶顯示屏(TFT真彩)
輸入設(shè)備：觸摸屏輸入、精致小鍵盤、光電鼠標
接口：雙串一并、雙USB口、鼠標口、鍵盤口等標準口
移動存儲：256M電子U盤
現(xiàn)有工程地震儀由于工控機功耗較高，體積尺寸大，野外攜帶不很方便，尤其是當野外工作需要電池支持時，受功耗的影響工作時間可能受一定的限制。對于某些特定場合，如煤礦井下作業(yè)時要考慮到防爆因素，必須在儀器外裝加防爆外殼，而防爆因素與功耗，體積等密切相關(guān)，這便要求有相對功耗小，體積重量小的微型工程地震儀的出現(xiàn)。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
3．1 工作原理
系統(tǒng)硬件主要分為ARM處理器模塊、協(xié)處理器FPGA模塊、預(yù)處理和A／D模塊、通用外設(shè)模塊4個部分，ARM處理器和現(xiàn)場可編程門陣列(FP.GA)共同組成監(jiān)控系統(tǒng)的核心處理單元。現(xiàn)場勘探檢測時，可利用爆炸的方式作為激發(fā)震源，當一次爆炸啟動后，傳感器信號通過模擬開關(guān)，先經(jīng)過前置放大和濾波等預(yù)處理，獲取符合A／D轉(zhuǎn)換芯片要求的信號，經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換，進入FIFO，然后由嵌入式微處理器讀取并處理數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)存儲到SIM卡或USB存儲設(shè)備中。在A／D轉(zhuǎn)換模塊中，采用多路模擬開關(guān)，可完成大數(shù)量點的數(shù)據(jù)采集。FPGA是整個系統(tǒng)的控制中心，控制采集通道的切換，A／D轉(zhuǎn)換芯片的啟停，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)在FIFO中的存放以及向主處理器$3C2410A產(chǎn)生中斷請求讀取FIFO中的數(shù)據(jù)。如圖2所示。
3．2 硬件介紹
3．2．1 協(xié)處理器模塊
系統(tǒng)的協(xié)處理器采用Xilinx公司的FPGA，型號為SPARTANIIE XC2SIOOE。該芯片共有2700個邏輯單元，10萬個邏輯門，片內(nèi)塊RAM為40KB。其具體實現(xiàn)以下功能：
· A／D模塊讀／寫時序控制；
· 生成FIFO，其主要功能是存儲經(jīng)A／D編碼的數(shù)據(jù)：
· 提供ARM處理器控制信號。
FPGA芯片分4部分來實現(xiàn)上述功能：
(1)內(nèi)部控制信號產(chǎn)生器
FPGA對50 MHz時鐘分頻產(chǎn)生A／D芯片采樣時鐘Sampleclk和ARM處理器外部時鐘Sysclk；Sysclk經(jīng)鎖相環(huán)電路(PLL)后產(chǎn)生ARM處理器工作所需的時鐘信號 。
(2)ARM控制器
提供ARM處理器正常工作所必須的各種控制信號；實現(xiàn)ARM處理器地址總線、數(shù)據(jù)總線和外部中斷信號接入 。
(3)A／D控制器
控制A／D模塊的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。產(chǎn)生A／D轉(zhuǎn)換起始信號(／HOLD)，檢測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成信號(／EOC)，產(chǎn)生FIFO寫入信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道選擇。
(4)FIFO存儲器
生成FIFO，完成A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的存儲。
3．2．2 ARM處理器模塊
ARM 處理器模塊由FLASH、SDRAM 和s3C2410共同構(gòu)建。系統(tǒng)選用Samsung公司的K9F1208UOA構(gòu)建8位FLASH 存儲器系統(tǒng)。K9F1208UOA單片容量為64 MB；選用兩片單片容量32 MB。數(shù)據(jù)寬度為16位HY57V561620CT，并聯(lián)構(gòu)建32位SDRAM存儲器系統(tǒng)，共64 MB的SDRAM空問可以滿足嵌入式操作系統(tǒng)和各種復(fù)雜算法的運行要求。ARM處理器對各模塊的控制則是通過底層驅(qū)動控制協(xié)處理器FPGA產(chǎn)生各種控制信號來實現(xiàn)。
3．2．3 預(yù)處理和A／D模塊
傳感器傳播的模擬信號比較微弱，需要經(jīng)過前置放大等預(yù)處理后方具備數(shù)據(jù)有效性。預(yù)處理主要是由前置放大電路構(gòu)成，A／D模塊主要由模擬開關(guān)和A／D轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成。模擬開關(guān)采用AD公司的AD7506，可實現(xiàn)12通道數(shù)據(jù)采集。A／D轉(zhuǎn)換芯片采用CIRRUS公司的CS5381，是120dB、192kHz高性能立體聲24位Σ 一△ A／D變換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換顯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個完整的A／D轉(zhuǎn)換器。
3．2．4 接口和顯示模塊
包括常用的接口和顯示器件。接口包括常用的串口等，用以進行數(shù)據(jù)的外部存儲。顯示模塊主要包括構(gòu)成操作的LCD和觸摸屏等外圍顯示設(shè)備。
4 嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件部分分為FPGA控制程序和ARM處理器兩部分，F(xiàn)PGA用VHDL來設(shè)計，基于s3C2410A的軟件設(shè)計主要任務(wù)有數(shù)據(jù)采集的驅(qū)動程序，操作系統(tǒng)的移植以及上層應(yīng)用軟件的設(shè)計。嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用WinCe．net，上層應(yīng)用軟件開發(fā)使用Em-bedded Visual C++，底層驅(qū)動和ARM處理器的調(diào)試則使用c語言。
系統(tǒng)開始工作后ARM處理器和FPGA協(xié)處理器 中的FIFO開始初始化。經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入對應(yīng)的FIFO中。FIFO中的數(shù)據(jù)容量達到一定限度即產(chǎn)生巾斷，ARM處理器中的主程序產(chǎn)生中斷等待線程；一旦中斷產(chǎn)生則進入中斷服務(wù)程序，讀取數(shù)據(jù)，之后進入ARM系統(tǒng)進行相應(yīng)的處理，然后存儲到存儲設(shè)備。如圖3所示。
4．1 嵌入式操作系統(tǒng)WindowsCE．net的裁減
使用集成開發(fā)環(huán)境Platform Builder根據(jù)提示完成操作系統(tǒng)鏡像的定制、編譯與調(diào)試工作，并可在此環(huán)境巾進行應(yīng)用軟件、驅(qū)動程序的開發(fā)。在ARM中植入Windows CE．net平臺，首先根據(jù)目標設(shè)備的硬件配置及需要，對Windows CE．net進行基本定制，開發(fā)并安裝驅(qū)動程序，增加必要的特性，生成鏡像文件，通過JTAG將bootloader寫入flash后，通過網(wǎng)卡將鏡像文件下載到目標設(shè)備中，進行調(diào)試 同時要導(dǎo)出SDK，以備后面用EVC開發(fā)應(yīng)用程序。
4．2 數(shù)據(jù)采集驅(qū)動程序
在數(shù)據(jù)采集中，主要對外部I／0口的訪問，Wince的BSP都實現(xiàn)WRITE—PORT—UCHAR和READ— PORT— UCHAR函數(shù)。訪問方式采用中斷方式。WinCE把中斷處理分為兩部分中斷服務(wù)例行程序ISR和中斷服務(wù)線程，用戶的中斷處理主要在IST中完成 。。這里采用基于中斷方式的非標準驅(qū)動，要實現(xiàn)兩個步驟：編寫中斷服務(wù)線程IST和注冊中斷服務(wù)線程。中斷信號由FIFO經(jīng)FPGA不斷產(chǎn)生，每發(fā)生一次中斷，運行在核心態(tài)的中斷服務(wù)例行程序就調(diào)用一次IST。
4．3 中斷控制
系統(tǒng)如果對A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采用實時讀取的方式，則必然導(dǎo)致ARM處理器工作效率較低，所以在電路設(shè)計時采用中斷方式。A／D模塊輸出數(shù)據(jù)以循環(huán)方式分別寫入FIFO中。一旦FIFO中可使用數(shù)據(jù)容量減小到一定限度則產(chǎn)生中斷，ARM處理器進入中斷服務(wù)程序并讀取FIFO中的數(shù)據(jù)。
4．4 上層應(yīng)用軟件
上層應(yīng)用軟件的開發(fā)包含以下模塊：
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：實施采集的控制和監(jiān)測。
數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：簡單處理采集到的數(shù)據(jù)，如數(shù)字濾波等。
圖形顯示系統(tǒng)：將采集到的數(shù)據(jù)以波形的形式顯示在顯示儀器L。
數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)：構(gòu)造數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，使數(shù)據(jù)以文件形式存入存儲設(shè)備(FLASH閃存，USB外設(shè)，存儲卡等)，硬件上還要求支持USB通用串行總線，支持設(shè)備的熱插拔，傳輸速度快．結(jié)構(gòu)簡單。
5 結(jié)束語
本文所研制的微型工程地震儀系統(tǒng)綜合利用了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，與傳統(tǒng)地震勘探設(shè)備相比大大提高了設(shè)備的便攜性和節(jié)能性。同時，該系統(tǒng)注重數(shù)據(jù)快速存儲的研究，并在實際系統(tǒng)中加以應(yīng)用。本系統(tǒng)在設(shè)計時充分考慮了電路的靈活性和通用性，可根據(jù)不同的功能要求編寫相應(yīng)的VHDL語言程序。系統(tǒng)所使用的Windows CE操作系統(tǒng)可以任意裁剪，這對于功能的轉(zhuǎn)換很有幫助。本系統(tǒng)已研制完畢，現(xiàn)處于現(xiàn)場實驗階段。隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式微處理器的性能的提高，嵌入式系統(tǒng)將在工業(yè)控制領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。
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