轩志伟，轩春青，袁东磊

（1.河南蓝信科技股份有限公司，河南 郑州 450001；2.郑州成功财经学院，河南 郑州 450000；3.海马汽车有限公司，河南 郑州 450016）

基于ARM+FPGA的地震测试系统设计

轩志伟1，轩春青2，袁东磊3

（1.河南蓝信科技股份有限公司，河南 郑州 450001；2.郑州成功财经学院，河南 郑州 450000；3.海马汽车有限公司，河南 郑州 450016）

为了准确地测量地震并给予预警，研制了以arm+FPGA为控制核心的地震测试预警系统。本系统传感器选用DSU3加速度传感器，能够准确测量三维坐标下的各个方向的加速度分量，根据采集到的数据能够准确判定地震烈度等级并通过液晶屏显示，在地震时能够及的报警，采集数据能够存入外扩存储器在需要的时候能通过USB接口读出。

arm+FPGA；传感器；报警；

地震是一种十分有害的自然现象，地震对于当地的建筑和经济的破坏越来越严重。对天然地震信号进行准确检测并对采集到的信号进行有效分析和处理，以尽可能减少地震自然灾害对人类造成的损失，对地震预测、警报及确保人们安全具有重要意义

近年来，随着可编程逻辑器件的迅猛发展，可编程逻辑器件在数据采集、逻辑接口设计、电平接口转换和高性能数字信号处理等领域取得越来越广泛的应用。FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且开发周期短、投入少，同时不断下降的芯片价格极大推动了FPGA器件在广泛使用。文章介绍一种ARM微处理器+FPGA的硬件设计，融合嵌入式Linux技术，实现一种小型化、移动性强、网络耦合度高的地震数据采集系统。该系统以满足地震观测的需要、减小仪器尺寸和重量、降低功耗和提高数据采集工作效率为目标。

1 系统总体设计

采集系统由核心板、数据采集板和电源板等组成。地震仪利用加速度传感器DSU3输出x、y、z三个轴上的加速度信号，经信号调理后输出给数据采集模块。数据采集模块输出采样信号存入FPGA中，而后传输给ARM，ARM将数据存入存储器同时根据接收到的采集信号，进行相应的数据处理，判断地震烈度，并通过液晶在界面上进行显示及报警。为了功能上的完整性，系统增加了USB通信接口模块，在需要的时候上位机可以通过该接口读取采集到的数据。系统的总体框图如图1所示。

图1 系统结构图

2 系统硬件设计

（1）加速度传感器。DSU3是一个三个数字加速计。数字加速计基于微机电技术、低功耗且在任何倾斜角度能正常工作，具有高性能，低功耗、在所有操作下可靠的特点。其三个正交组件允许它能够准确记录在所有三个轴上的地面运动。

该传感器具有模拟传感器的相关性能并能和带有数字加速度计的设备链接使用。电源去耦方面，绝大多数情况下，单个电容可以消除噪声干扰，该电容应放置在电源旁边。该传感器具有带宽限制措施，在输出引脚上增加小容量电容可实现低通滤波功能。带宽选择为20Hz即可天然地震频率，选择合适的滤波电容，使得该带宽下分辨精度为x、y轴对应1.2mg，Z轴对应精度为2.5mg，符合检测精度要求。

（2）ARM核心模块。ARM板以Atmel AT91SAM9G20微处理器为核心，通过总线和通用IO管脚与存储器和FPGA通信。该处理器是Atmel公司推出的一款低功耗控制器。工作频率高达400MHz，具有丰富的片上设备，包括以太网、通用同/异步发送接收器、媒体存储接口等。

板上大容量CF卡安装有FAT文件系统，用于地震波形数据的本地存储、数据传输及系统控制功能，包括实时数据流传输。液晶屏显示系统工作参数。串口用于输出调试信息。高效的电源转换电路是实现系统低功耗的基础。电源板主要提供系统工作所需电源，包括地震计反馈电路供电，参考电压，标定电路和检波器控制电路供电。

（3）FPGA逻辑设计。FPGA芯片的功能主要包括：采集三个通道的数据。当三路数据准备就绪，启动由FPGA实现的SPI数据传输状态机，地震波形数据被缓冲到其内部的缓冲区中。当缓冲区中数据达到一个阈值时，向处理器发出中断信号。在中断处理程序中，通过系统数据总线把缓冲区中数据转移到内存缓冲区中。之后，把诸如数字信号滤波等耗时任务放到中断下半部中进行处理。

（4）A/D数据采集通道。A/D（模数转换器）采用TI公司的ADS1281。该转换器具有高分辨率、高精度特性，内置稳定的调制器，可配置滤波器，特别适合地震数据观测环境。在本设计中，模拟地动波形信号经差分放大后输入到转换器中。时钟驱动信号由FPGA分频产生，用于串行输出转换器转换的数据到FPGA的缓冲区。当转换器完成数据转化后，拉低相应管脚表示数据准备就绪，等待读取。转换器数据输出管脚连接至FPGA的相应端口上，用于数据到FPGA的串行传输。

（5）USB接口电路设计。USB通信采用FTDI公司的FT245R芯片来实现。该芯片的主要引脚按功能可划分为通用引脚，USB接口，发送缓冲区空标志，接收缓冲区非空标志，读、写控制信号等。该芯片的功能是进行USB和并行接口之间的协议转换。系统中该芯片采用总线供电方式，其通用数字管脚与ARM的数据端口相连。通过ARM控制其读、写信号使其工作。需要注意的是该芯片需要在计算机上配置合适的驱动。文章采用D2XX驱动，数据传输速率为1Mbit/s。

3 系统软件设计

系统软件设计的关键主要有2部分，信号采集部分和主程序数据处理部分。信号采集是对传感器输出的三路模拟信号进行循环采集并将采集的数据存入存储器。在采集的同时启用一个定时，时间一到将本段时间内采集的数据求中值，并根据中值判定地震等级并及时将等级通过液晶屏输出同时发出警报。Linux因其源代码开放性特点，成为嵌入式系统中应用最为广泛的操作系统之一。底层硬件驱动和数字信号滤波程序使用C语言，部分代码使用嵌入式汇编语言，上层应用程序开发则使用C语言。本系统的软件设计主要任务包括操作系统的移植、驱动程序开发(包括数据采集驱动、系统控制及标定驱动程序等模块)以及嵌入式应用软件和上位PC机应用软件开发。

（1）arm内核的配置。下载解压缩内核源文件。修改顶层目录下的Makefile文件，设定目标硬件并指定交叉编译环境路径。使用图形界面或文本行界面进行内核配置，根据硬件电路和软件系统功能对内核模块进行剪裁，完成操作系统镜像的定制、编译与调试，并在此环境上进行应用软件和驱动程序的开发在ARM中植入嵌入式linux平台，首先根据目标设备的硬件配置及需要，对内核进行基本定制，开发并安装驱动程序，生成镜像文件。而后，通过网卡将镜像文件下载到目标设备中进行调试，最终把内核及文件系统映像文件等烧写入Flash存储器。

（2）应用程序的设计。嵌入式应用软件运行在采集器ARM处理器上，具体实现为一个命令解析服务器，通过Socket接口连接到上位PC机，并接收PC机端发送来的控制命令，执行相应的操作。PC机应用软件由主线程和数据通信线程组成。主线程为文档——视图结构，实现参数查询与设置操作、实时波形显示与波形存储等功能；数据通信线程与硬件通信，接收波形数据。主要功能包括：①实时接收、存储波形数据；②实时浏览波形；③查询、设置系统工作参数；④查询GPS信息；⑤查询、设置标定参数、启动停止标定；⑥查询、设置触发参数；⑦设置数据采集器通信参数。

4 结语

应用DSU3加速度传感器的地震烈度速报仪可精确采集地震引起的震动信息；采用的多种软件滤波方法能简化并有效处理复杂的地震信号，液晶显示具有较好的可视化性能。FPGA具有强大的数据采集处理能力，arm具有很好的操作性及运算能力，可以对数据进行很快的处理。因此，本地震速报仪具有体积小、携带轻便，预报实时、准确，应用界面友好等特点，对家用地震速报仪器的普及、尽可能地减低地震带来的危害具有参考意义。

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勘 误

《时代农机》2017年第9期黄育忠文章《基于农业供给侧结构性改革之农机农艺融合发展思考》中，详见第3页第24行，“既可保护犁底层，同时又可深翻200cm”应为“既可保护犁底层，同时又可深翻20cm”。特此勘误，并向作者和读者致歉。

《时代农机》编辑部

2017年10月

轩志伟（1989-），男，河南太康人，硕士研究生，工程师，主要研究方向：数据采集与处理。