ARM和DSP設(shè)計(jì)的地震加速度信號(hào)處理系統(tǒng)

摘 要：為滿足光纖傳感地震加速度計(jì)對(duì)實(shí)時(shí)性、高精度以及網(wǎng)絡(luò)化的要求，提出了基于ARM 和DSP雙核微處理器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案．對(duì)3x3耦合器輸出的相位已調(diào)加速度信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、頻譜分析，并提供了以太網(wǎng)傳輸控制接口．文中介紹了信號(hào)解調(diào)原理．給出了關(guān)鍵電路的具體設(shè)計(jì)及其輸出信號(hào)的數(shù)字信號(hào)處理的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明。該系統(tǒng)在處理精度和實(shí)時(shí)性方面都能達(dá)到要求。性價(jià)比高，有一定實(shí)用價(jià)值．

光纖加速度計(jì)是一種光一機(jī)一電技術(shù)一體化的新型慣性系統(tǒng)，與傳統(tǒng)加速度計(jì)相比具有抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)．干涉型光纖傳感地震加速度信號(hào)的檢測(cè)和處理在能源勘探、橋梁建設(shè)、汽車碰撞試驗(yàn)、爆破作業(yè)、航空航天等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用．目前出現(xiàn)的檢{貝 處理系統(tǒng)從解調(diào)技術(shù)上主要選用下列技術(shù)來提取被測(cè)物理且：(1)掃描激光光源的波長(zhǎng)；(2)將干涉儀的一個(gè)臂繞在PZT上；(3)用移頻器(如聲光調(diào)制器)實(shí)現(xiàn)外差；(4)采用3x3或4x4耦合器使其輸出正交或互成120。相位．相對(duì)于前3種技術(shù)，采用3x3耦合器來使干涉儀的輸出成120o的解調(diào)技術(shù)精度高．動(dòng)態(tài)范圍寬．更可靠穩(wěn)定．傳統(tǒng)的加速度解調(diào)采用模擬電路完成．能實(shí)時(shí)處理信號(hào)，但所需電路繁雜，且模擬運(yùn)算的誤差較大；采用FPGA進(jìn)行解調(diào)編程靈活，也是硬件實(shí)現(xiàn)，但不能進(jìn)行小數(shù)運(yùn)算，解調(diào)精度受到限制且成本較高．因此，本文提出ARM+DSP的雙CPU設(shè)計(jì)方案，這一方面發(fā)揮DSP的快速信號(hào)處理能力，且能進(jìn)行小數(shù)運(yùn)算，提高運(yùn)算精度，完成地震加速度已調(diào)信號(hào)的解調(diào)和頻譜分析；另一方面充分利用ARM豐富的片上系統(tǒng)資源，能實(shí)現(xiàn)解調(diào)信號(hào)及其頻譜信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸和顯示，該方案僅通過改變軟件無需重構(gòu)電路就能方便快捷地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級(jí)．

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

地震加速度計(jì)由傳感探頭、光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理系統(tǒng)構(gòu)成．傳感探頭由采用基于3x3耦合的光纖M—z干涉儀和相關(guān)機(jī)械部分組成．如圖1所示，干涉儀的輸入端是一只2x2耦合器，輸出端是一只3x3耦合器，被測(cè)信號(hào)加在干涉儀的傳感臂上．

干涉儀的兩臂光纖分別纏繞在傳感頭中的上下兩個(gè)力臂圓筒上，當(dāng)外部施加振動(dòng)時(shí)，簡(jiǎn)諧振子施加給信號(hào)臂光纖一個(gè)縱向的應(yīng)力，光纖的長(zhǎng)度產(chǎn)生變化±△L (應(yīng)變效應(yīng))、光纖芯的直徑d產(chǎn)生變化±△d(泊松效應(yīng))、纖芯折射率n產(chǎn)生變化±△n(光彈效應(yīng))，這些變化將導(dǎo)致光纖中光波的相位發(fā)生變化．泊松效應(yīng)相對(duì)應(yīng)變效應(yīng)和光彈效應(yīng)造成的相位變化非常小，可以忽略不計(jì)，從而即完成加速度信號(hào)對(duì)光信號(hào)的相位調(diào)制．參考臂和信號(hào)臂在3x3耦合器內(nèi)發(fā)生十涉，將相位變化轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)變化，輸出的光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)PIN轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，輸出給信號(hào)處理系統(tǒng)，能進(jìn)行地震加速度信號(hào)的解調(diào)、頻譜分析顯示及網(wǎng)絡(luò)傳輸控制等．

2 信號(hào)解調(diào)原理

對(duì)傳感系統(tǒng)中的簡(jiǎn)諧振子進(jìn)行分析可以得出，光波相位變化 Φ(t)與簡(jiǎn)諧振子感受的加速度a(t)有如

下關(guān)系。

式中，E為光纖的楊氏模量；A為光纖的橫截面積；為彈簧片剛度系數(shù)：為有效光纖長(zhǎng)度；m為簡(jiǎn)諧振子質(zhì)量．從(1)式可以看出被測(cè)加速度與光相位變化呈線性關(guān)系．

在3x3耦合對(duì)稱情況下，從干涉儀輸出的3路電流信號(hào)，經(jīng)I，v變換電路和放大電路后的輸出為：

式中，C 、B ( i=1，2，3)分別為3路輸出的直流分量和交流增益；為被測(cè)信號(hào)引起的光相位差．從(2)中解出Φ(t)，再結(jié)合(1)式就可以得到加速度信號(hào)．求解Φ(t)的算法框圖如圖2所示．