ARM+FPGA 的地震测试系统设计方法分析

苏志敏

（武汉地震科学仪器研究院有限公司，湖北咸宁 437012）

0 引言

伴随可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件）+FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门列阵）的技术水平不断提升，其功能日渐强大，效能越发突出，水平不断升高，诸如电平接口转换、逻辑接口设计、高性能数字信号处理及数据采集等技术，均在各领域中得到广泛应用。可编程逻辑器件实现了电子系统高可靠性、低功耗和小型化，具有投资少、开发周期较短等优点，随着芯片价格的不断下降，CPLD+FPGA 器件的应用发展得到助力。围绕ARM 处理器（精简指令集微处理器）+FPGA，从软、硬件对地震测试系统展开深层化设计，探讨如下。

1 系统设计的具体思路

采集系统主要由电源板、数据采集板、核心板等构成。地震仪借助加速度传感器DSU3，将位于x、y、z 三个轴上的加速度信号对外传送，经过信号调理后，向数据采集模块持续输出。数据采集模块将所采集到的采样信号输出，储存在FPGA 中，然后向ARM 传送，ARM 把数据高效率地存入到储存器中；依据所接收到的采集信号，高效化且有目的性地处理数据，以此判断地震烈度；由液晶显示器实时显示相关数据，若发生异常或有地震可能，会即刻发出警报。为了使系统功能变得更加健全与优化，系统中额外设置了USB 通信接口模块，上位机可由此接口读取采集到的数据。

2 系统设计

2.1 系统硬件设计

（1）ARM 核心模块。ARM 板的核心为Atmel AT91SAM9G20微处理器，通过总线、存储器、通用IO 管脚与FPGA 保持通信。此处理器由Atmel 公司开发，为一款功耗降低的控制器，工作频率能够达到4000 MHz，片上设备丰富，如媒体存储接口、通用同/异步发送接收器及以太网等。ARM 板上设置有大容量CF卡，安装FAT 文件系统，对地震波形数据进行传输和本地储存，还能用于系统控制，如实时传输数据流等。液晶屏能够实时显示系统当前的工作状态及各项参数。串口将调试信息对外输出。高效化的电源转换电路可降低系统功耗，电源板实时提供系统运作所需的电源，如供电给地震计反馈电路、检波器控制电路、标定电路等。

（2）加速度传感器。DSU3 是3 个数字加速计，基于微机电技术设计，具有较低功耗，在所有的倾斜角度均能够维持正常工作状态，在全部操作状态下均稳定、可靠，性能突出。其内部设置的3 个正交组件，准许其对全部3 个轴上的地面运动进行记录。此传感器拥有与模拟传感器相同的功能，且能够实现与带有数字加速计的设备联合使用。大部分状态下的电源去耦能力，单一电容便能够消除噪声干扰，通常将此电容置于电源周围。此传感器还有带宽限制功能，通过在输出引脚上设置小容量电容，能够获得低通滤波功能。如果将带宽设定成20 Hz，即天然地震频率，合理选择滤波电容，此带宽下的分辨精度是：x、y 轴，1.2×10-3g；z轴，2.5×10-3g；与检测精度要求相符。

（3）FPGA 逻辑设计。FPGA 芯片的主要功能是采集3 个通道的数据，如果3 路数据均已经完成各项准备工作，由FPGA 将SPI 数据传输至状态机启动；启动后，地震波形数据会被缓冲至内部缓冲区，如果缓冲区中的数据超过特定阀值，会将中断信号发送给处理器。在整个中断处理程序当中，借助系统数据程序，将位于缓冲区的各种数据传送至内存缓冲区。此后，将数字信号滤波等耗时任务置于中段下半部，然后进行处理。

（4）USB 接口电路设计。USB 通信可借助FTDI 公司的FT245R 芯片实现，此芯片的引脚依据功能不同，可分为写控制信号、发送缓冲区空标志、USB 接口及通用引脚等。在整个系统中，此芯片所用的是总线供电方式，其在具体的数字管脚上，连接于ARM 数据端口，通常可借助ARM 对其读、写信号进行控制。

2.2 系统软件设计

（1）配置ARM 内核。下载压缩内核源文件，修改位于顶层目录中的Make File 文件，设定目标硬件，明确交叉编译环境路径。利用文本行界面或者图形界面配置内核，依据硬件电路与软件系统功能剪裁内核模块，定制、编译和调试操作系统镜像，且在该环境上开展驱动程序、应用软件的开发，将嵌入式Linux 平台植入ARM 中：依据目标设备所对应的硬件配置情况及现实需要，定制内核，开发、安装驱动程序，生成镜像文件，借助网卡把镜像文件下载至目标设备，调试后向Flash 存储器烧写内核及文件系统映像文件等。

（2）设计应用程序。嵌入式应用软件通常在采集器ARM处理器上运行，而在实际运作中，其会借助Socket 接口与上位PC 机相连，实时接收PC 机端发送的控制命令，执行各项操作。PC 机应用软件主要由两部分组成，一为数据通信线程，二是主线程。主线程采用的文档-视图结构，不仅能为参数查询提供方便，而且便于操作、波形存储、实时波形显示等功能的设置。数据通信线程能够与硬件之间保持实时通信，且对波形数据进行实时接收：①对触发参数进行查询与设置；②对系统工作参数进行查询与设置；③对波形数据进行实时接收与储存；④对数据采集器的各项通信参数进行设置；⑤对标定参数、进行查询与设置，且能启、停标定；⑥对波形进行实时浏览。

3 结语

应用地震烈度速报仪DSU3 加速度传感器，能够精确采集地震的震动信息，利用各种软件滤波方法，将原本复杂的地震信号进行简化与处理，由液晶显示设备显示各种数据参数，可视化功能强大。FPGA 有强大的数据采集处理功能，ARM 则在运算、可操作性上有着不错效果，能够高效处理数据。所以，基于ARM+FPGA 对地震测试系统展开软、硬设计，能使系统更为高效稳定，应用效能更突出。