基于CPCI規(guī)范的生命探測(cè)系統(tǒng)研究

1 概述 

我國(guó)一直是個(gè)多地質(zhì)災(zāi)害的國(guó)家，尤其是近年以來(lái)，我國(guó)頻發(fā)礦井坍塌事故，因此對(duì)幸存人員實(shí)現(xiàn)探測(cè)是很有必要的。在生命救助系統(tǒng)中，聲音探測(cè)是救援隊(duì)的一項(xiàng)必不可少的裝備。減災(zāi)救助一直是我國(guó)比較重視但是也是相對(duì)比較落后的一個(gè)科研領(lǐng)域，在十五科技相關(guān)項(xiàng)目“聲波／振動(dòng)實(shí)用化研究”中，我們對(duì)前端的數(shù)據(jù)采集做一些比較具體而有成效的工作，但如何實(shí)現(xiàn)對(duì)有效信號(hào)識(shí)別方面還存在許多不足之處。

救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)為了進(jìn)一步的分析比對(duì)工作，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)是有必要的。通過(guò)科學(xué)的分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，可以為以后的減震救災(zāi)提供指導(dǎo)性和科學(xué)性的方法。基于CPCI規(guī)范而架構(gòu)的生命探測(cè)系統(tǒng)不僅可以很好的滿足現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)要求，同時(shí)也為進(jìn)一步的工作提供了數(shù)據(jù)樣本。

2 系統(tǒng)組成與基本工作原理

整個(gè)系統(tǒng)由一臺(tái)工控機(jī)，可選內(nèi)部板卡，外部信號(hào)調(diào)理子系統(tǒng)，重力加速度傳感器組成。其中每一個(gè)單獨(dú)的內(nèi)部工控機(jī)模塊可以獨(dú)立控制外部四個(gè)監(jiān)視傳感器，整機(jī)配置模塊可選。

整個(gè)系統(tǒng)是以探詢地下目標(biāo)所發(fā)出的聲音為信號(hào)源，通過(guò)上位機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)本地系統(tǒng)的配置。上位機(jī)通過(guò)與本地CPU的交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)調(diào)理子系統(tǒng)的管理，達(dá)到地下異常信號(hào)采集的目的，根據(jù)所采集到的信號(hào)特征，通過(guò)軟件過(guò)濾，從而確定目標(biāo)的方位和深度。上位機(jī)發(fā)送監(jiān)聽(tīng)通道選擇，增益選擇，以及截止頻率選擇指令。

而且，很好的實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，存儲(chǔ)，以及后期數(shù)據(jù)的處理，同時(shí)由于CPCI接口的熱插拔性能，使的整個(gè)系統(tǒng)在故障時(shí)候的修復(fù)過(guò)程得到了極大的提高。

3 硬件整體設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用了研華工控機(jī)ACP4320，該系統(tǒng)支持3U和6U板卡，完全支持熱插拔的特性。同時(shí)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分，本地工控機(jī)板卡設(shè)計(jì)部分，本地目標(biāo)信號(hào)調(diào)理部分。

3.1 工控機(jī)板卡設(shè)計(jì)

本地工控機(jī)板卡設(shè)計(jì)包括實(shí)現(xiàn)CPCI接口通信，實(shí)現(xiàn)本地系統(tǒng)的控制，以及存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

 

CPCI(Compact Peripheral ComponertInterconnect)總線即壓縮外圍部件互連總線，是一種先進(jìn)的高性能32／64位地址數(shù)據(jù)復(fù)用局部總線，可同時(shí)支持多組外圍設(shè)備，并且不受制于處理器，為中央處理器與高速外圍設(shè)備提供一座溝通的橋梁，提高了數(shù)據(jù)吞吐量(32位時(shí)最大可達(dá)132MB／s)，是當(dāng)今工控機(jī)領(lǐng)域中流行的總線。CPCI總線有嚴(yán)格的總線規(guī)范，保證了它有良好的兼容性，符合CPCI總線規(guī)范的擴(kuò)展卡可以插入任何CPCI系統(tǒng)可靠地工作。 一個(gè)CPCI接口包括一系列的寄存器，這些寄存器中的信息允許計(jì)算機(jī)自動(dòng)配置CPCI卡。其中在CPCI規(guī)范中，包括3U和6U兩種規(guī)范設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)中采用3U極卡設(shè)計(jì)，支持32位數(shù)據(jù)總線和32位地址總線，考慮到整個(gè)系統(tǒng)的特性，只用了CPCI規(guī)范中的P1端口。

目前實(shí)現(xiàn)CPCI接口一般采用兩種方案：使用可編程邏輯器件[3][5]和使用專用總線接口器件。采用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)PCI接口比較靈活，可以利用的器件也比較多，但由于PCI總線協(xié)議的復(fù)雜性，其接口的實(shí)現(xiàn)比ISA等總線要困難得多，這種方法難度較大，設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)。采用專用接口器件不僅對(duì)PCI協(xié)議有良好的支持，而且提供給設(shè)計(jì)者良好的接口，這些都大大減少了設(shè)計(jì)者的工作量，PCI專用接口芯片可供選擇的比較多，如PLX的PCI9054，9052，9056等系列，因此在本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中我們采用了專門(mén)的接口協(xié)議芯片PCI9054。其中PCI9054完全符合CPCI規(guī)范，支持熱插拔特點(diǎn)特性，極大縮短了系統(tǒng)的維修時(shí)間，接口電路也比較簡(jiǎn)單。接口電路如圖2所示。

 

本地的CPU采用三星公司的S3C2410作為本地的主控CPU，完成本地板卡的資源管理和實(shí)現(xiàn)與CPCI總線的數(shù)據(jù)交換。上位機(jī)和本地CPU通過(guò)雙口RAM實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的交換。同時(shí)在板卡上實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，達(dá)到實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集的目的。

3.2 外部信號(hào)調(diào)理板設(shè)計(jì)

外部信號(hào)調(diào)理板進(jìn)行信號(hào)的調(diào)理和模擬信號(hào)濾波，功能主要完成傳感器與放大板的恒流接口電路設(shè)計(jì)，其中重力加速度傳感器采集信號(hào)，并對(duì)微弱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大和處理；完成各道信號(hào)的調(diào)理；消除通道間干擾，提供分路的A／D轉(zhuǎn)換信號(hào)。調(diào)理部分由4路電路參數(shù)相同的單通道電路組成，信號(hào)調(diào)理板的單路原理框圖如3所示。

 

在調(diào)理板中，傳感器要求用恒流源進(jìn)行饋電，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)可以人機(jī)交互的操作，所有的放大和濾波器件均采用可編程器件。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的核心部分，主要包括三個(gè)部分：本地板卡的固件程序設(shè)計(jì)、上位工控機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，以及數(shù)據(jù)處理程序部分。

4.1 固件程序設(shè)計(jì)

固件程序設(shè)計(jì)指本地的CPU程序設(shè)計(jì)。本地CPU是S3C2410，該CPU采用ARM92T進(jìn)行匯編程序設(shè)計(jì)。整個(gè)程序主要包括主程序和中斷程序，采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的CPCI通訊，同時(shí)管理本地資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)本地資源的初始化和有效配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部模擬信號(hào)的采集。固件程序的工作過(guò)程是：系統(tǒng)初始化，等待上位機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，從而到共享數(shù)據(jù)區(qū)讀取相應(yīng)的命令，實(shí)現(xiàn)本地系統(tǒng)控制，若SDRAM中數(shù)據(jù)滿或半滿，則發(fā)出PCI請(qǐng)求，將數(shù)據(jù)放入雙口RAM，通知上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)的傳輸。整個(gè)固件程序流程圖如圖4所示。

 

4.2 工控機(jī)板卡驅(qū)動(dòng)程序

驅(qū)動(dòng)程序保證了整個(gè)系統(tǒng)的良好運(yùn)行，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供鏈接到CPCI板卡的軟件接口，文件擴(kuò)展名為.SYS的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。在Windows2000中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)稃序必須根據(jù)Windows驅(qū)動(dòng)程序模型(WDM)設(shè)計(jì)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的關(guān)鍵是如何完成硬件操作，基本功能是完成設(shè)備的初始化、對(duì)端口的讀寫(xiě)操作、中斷的設(shè)置和響應(yīng)及中斷的調(diào)用，以及對(duì)內(nèi)存的直接讀寫(xiě)。驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)主要有兩種方式：采用DDK直接面向最底層，應(yīng)用已有的工具實(shí)現(xiàn)底層架構(gòu)。前者的工作效率高，但難度較高。后者雖然效率比不上前者，但使用方便，成熟。

本系統(tǒng)選用Windriver來(lái)編寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，Windriver是美國(guó)KRF-Tech公司出品的用于編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序的另一種工具包。它以通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序Windrvr.vxd和Windrvr.svs為核心，包含一個(gè)類似QuickVxD的代碼生成器Windriver Wizard，一個(gè)Windriver發(fā)行包，兩個(gè)公用程序pci scan.exe和pci_dump.exe。用它編寫(xiě)的程序主要針對(duì)ISA／PCI設(shè)備，可同時(shí)工作在Windows 9x／NT兩種操作系統(tǒng)，其中Windrvr.vxd用于Windows 9x操作系統(tǒng)，Windrvr.sys用于Windows NT操作系統(tǒng)，因此，它是設(shè)計(jì)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的理想工具。

Windriver針對(duì)PLX和AMCC的專用接口芯片特別編寫(xiě)了API函數(shù)包，這些函數(shù)能夠方便地實(shí)現(xiàn)中斷處理、DMA傳輸、I／O操作、內(nèi)存映射以及即插即用等功能，為系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)提供了便利。

4.3 數(shù)據(jù)處理程序

數(shù)據(jù)處理程序是整個(gè)系統(tǒng)的最終目的，也給終端用戶提供了一個(gè)良好的平臺(tái)。在上位工控機(jī)中，我們采用了WINDOWS操作系統(tǒng)作為工作平臺(tái)，主要是考慮到操作人員對(duì)系統(tǒng)很容易熟悉和上手。數(shù)據(jù)處理程序主要包括界面程序和數(shù)據(jù)識(shí)別，目標(biāo)位置判斷程序。在其中涉及到整個(gè)數(shù)據(jù)的后期處理，如何實(shí)現(xiàn)整個(gè)板卡的控制和人機(jī)的交互。主要是數(shù)據(jù)的有效識(shí)別和目標(biāo)位置的計(jì)算等一系列的數(shù)字處理。數(shù)據(jù)處理程序流程圖如圖5所示。

 

從目標(biāo)源發(fā)出的信號(hào)，通過(guò)不同的介質(zhì)傳播后，會(huì)使信號(hào)的信噪比降低，這會(huì)給以后的處理帶來(lái)不利的影響。為了消除這種影響，就必須提高信噪比，即濾波。在此，本系統(tǒng)主要用了比較常見(jiàn)的去噪方法——自適應(yīng)濾波。

圖6是在實(shí)驗(yàn)中所采集初始的時(shí)域數(shù)據(jù)。從圖中可以看到，信號(hào)所帶的噪聲比較少，這是因?yàn)樵谛盘?hào)調(diào)理的過(guò)程中，已經(jīng)對(duì)噪聲進(jìn)行了一定的抑制。但為了計(jì)算的準(zhǔn)確和方便，還是應(yīng)該讓噪聲盡可能的少，所以再一次的自適應(yīng)濾波是有必要的是必要的。

 

圖7是經(jīng)過(guò)自適應(yīng)濾波處理后的數(shù)據(jù)。

 

濾波后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)小波變換后，我們可以在時(shí)域和頻域?qū)ζ溥M(jìn)行觀察，經(jīng)過(guò)計(jì)算以后可以確定信號(hào)的有效性，判斷月標(biāo)的位置和深度。

經(jīng)過(guò)實(shí)踐的檢驗(yàn)，該系統(tǒng)能夠可靠地識(shí)別在地下約10m處的有聲目標(biāo)。并能夠可靠的排除干擾。采用不同的傳感器，通過(guò)軟件的不同配置可以應(yīng)用到不同的場(chǎng)合。除了現(xiàn)場(chǎng)救援工作，還可以很方便的進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)處理。同時(shí)由于工控機(jī)的采用，和軟件平臺(tái)的普及對(duì)于今后的二次開(kāi)發(fā)提供了良好的工作平臺(tái)，對(duì)于產(chǎn)品的系列化開(kāi)發(fā)提供了可靠的技術(shù)保障和條件。