基于ARM和DSP的地震加速度信號處理系統(tǒng)

　　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(luò)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(luò)傳輸控制、實時顯示以及TMS320VC5402的HPI引導(dǎo)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(fù)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(shè)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。

　　選擇MD芯片主要考慮的性能指標有分辨率、轉(zhuǎn)換速率、輸入通道數(shù)、信噪比、輸出接口等參數(shù)。因為所采集的加速度信號頻率在1 kHz以內(nèi)根據(jù)奈圭斯特定理采樣頻率 >2 kHz就能無失真地恢復(fù)原信號，輸入信號有3路，綜合考慮以上因素本系統(tǒng)選用Anolog Device公司生產(chǎn)的AD7655芯片。該芯片支持4路輸入（INA1、INA2、INB。、INB2），轉(zhuǎn)換位數(shù)達16位，1MSPS的轉(zhuǎn)換速率，單電源+5 V供電，串／并口輸出方式，雙通道同步采樣。采樣由A。引腳電平控制，A0=0，INA1／INB1采樣同步；A o=1，INA~NB2采樣同步問。參考電壓 面接2.5 V，分辨率為2×VREF／655 36，約為76-3 V.

　　3.2 ARM 和DSP的接口電路

　　ARM 和DSP通過HPI接口進行連接。ARM先向DSP寫入控制字，設(shè)置工作模式，然后將訪問地址寫入地址寄存器（HPIA），再對數(shù)據(jù)鎖存器（HPID）進行讀寫，即可讀出和寫入指定的存儲單元。主機由兩根地址線A 、A 可以尋址到HPI接口的控制寄存器、地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器[51；由HBIL、HCNTL1、HCNTL0區(qū)分16位數(shù)據(jù)的高、低字節(jié)。當(dāng)向HBIL=0的地址寫入數(shù)據(jù)時，表示是第1個字節(jié)，向HBIL=I的地址寫入數(shù)據(jù)表示第2個字節(jié)。并且在數(shù)據(jù)交互之前要設(shè)置控制寄存器中的BOB位，指示高地址在前還是低地址在前。這一步在程序初始化時由ARM來完成。DSP的片選信號接主機的nCS2，地址空間屬bankz組，即0）【82000000～0x82眥DSP可以通過HINT向主機發(fā)出中斷信號，通知主機一幀數(shù)據(jù)處理完畢。主機收到中斷信號后讀取約定的DSP內(nèi)部數(shù)據(jù)空間中的數(shù)據(jù)進行顯示或網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)忍幚聿僮鳌?P>　　DSP的引導(dǎo)裝載采用HPI方式，中斷2信號用于激活HPI自舉模式。有兩種方式可以用來獲取中斷2引腳上的輸入信號：①將主機中斷HINT與INT2直接相連：②在捕捉到DSP復(fù)位向量后的30個時鐘周期內(nèi)觸發(fā)一個有效的外部中斷INT2.由于本設(shè)計HINT信號用于向主機產(chǎn)生中斷信號，所以HPI自舉加載采用方式②。注意到在自舉加載的開始，HINT引腳會產(chǎn)生一個有效的中斷信號，所以ARM在初始化時要清除這個中斷。

　　3.3 ARM 和DM9Ooo網(wǎng)絡(luò)控制接口

　　DM90OOE是Davicom公司生產(chǎn)的以太MAC控制器。支持10／100 Mbps傳輸速率。電路使用16位總線方式進行控制。即數(shù)據(jù)總線D?！獶。與芯片的SD?！玈D。連接，地址線也進行相對應(yīng)的連接，片選線與芯片的AEN相連。DM9000E 以太網(wǎng)控制器的基地址為Ox300。而總線的地址線A 與芯片的命令／數(shù)據(jù)使能端CMD相連，所以對其進行操作的地址是0x300（地址端口）和0x304（數(shù)據(jù)端口），而結(jié)合ARM 的片選線得到的32位地址為0x83000300 （地址端口）和0x83000304（數(shù)據(jù)端口）。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計中，由于廣泛采用單任務(wù)順序機制因而編程復(fù)雜。同時系統(tǒng)安全性差而導(dǎo)致系統(tǒng)頻繁復(fù)位以至無法達到設(shè)計目標。本設(shè)計在軟件設(shè)計中引入tzCOS—II實時操作系統(tǒng)，使程序設(shè)計變得非常簡單，將操作系統(tǒng)移植到LPC2214中以提高系統(tǒng)實時性。

　　首先編寫好與硬件接口的驅(qū)動程序。應(yīng)用層程序以任務(wù)為編程對象。任務(wù)具有任務(wù)堆棧、優(yōu)先級等參數(shù)，根據(jù)任務(wù)的執(zhí)行順序和重要程度可分配不同的優(yōu)先級；在任務(wù)調(diào)度過程中可以通過OSTaskSuspend（os PRIO—SELF）、OSTaskResume（task_prio）函數(shù)進行任務(wù)之間的切換。本系統(tǒng)可分為DSP boot loader、 D采集、讀HPI、寫HPI、網(wǎng)絡(luò)傳輸、液晶顯示等6大任務(wù)。在主函數(shù)中創(chuàng)建任務(wù)，設(shè)置任務(wù)各項參數(shù)。主程序流程圖如圖4所示。