基于S3C2410A设计的工程地震仪方案

摘要：阐述基于三星ARM处理器S3C2410A和嵌入式操作系统Windows CE．net构造微型工程地震仪的设计原理和实现方法。在现有工程地震仪的基础上，结合嵌入式技术构造携带方便、功耗低、体积小的微型工程地震仪，可以适应不同的工作场合，满足工程勘探的需要。

1 引言

随着嵌入式微处理器和嵌入式操作系统的发展，嵌入式系统在通讯、控制和消费电子等诸多领域得到了广泛的应用。嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU，与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，以动能力增强，与网络的耦合也越来越紧密。
本文利用ARM嵌入式系统构造微型化的工程地震仪雏形，以满足特定条件的工作需要，降低功耗，节省能源以延长工作时间，减小仪器尺寸和重量，使仪器更为轻便。

2 现有工程地震仪简介

工程地震仪应用于地基、路基与基础工程检测；隧道工程检测；大中型水库的运行观测；桥梁工程检测；环境与地质灾害检测与评价等工程领域的地震检测任务l2 。一般来讲工程地震仪器利用锤击、电火花或爆炸等作为激发震源，硬件上由前置放大器，数据采集卡，A／D转换器，工控机(便携式微机)等部分组成。而数据采集，数据处理，分析软件都存储在工控机内，可以随时处理现场所采集的原始数据，发现问题及时处理。其功能一般有：瞬态多点端雷波勘探浅层反射测量浅层折射测量波速(剪切波)测量多波高密度地震映像桩基检测土建工程质量检测场地常时微动测量震动爆破测量。如图1 所示

其中，数据的显示，数据的处理和存储都是用工业控制微机来完成的，下面是一款典型的现有工程地震仪器工业控制微机的硬件配置：
CPU ：PIII 500MHz
内存：128MB
硬盘：不小于40GB
光驱：内置
显示屏：800×600点阵VGA液晶显示屏(TFT真彩)
输入设备：触摸屏输入、精致小键盘、光电鼠标
接口：双串一并、双USB口、鼠标口、键盘口等标准口

移动存储：256M电子U盘

现有工程地震仪由于工控机功耗较高，体积尺寸大，野外携带不很方便，尤其是当野外工作需要电池支持时，受功耗的影响工作时间可能受一定的限制。对于某些特定场合，如煤矿井下作业时要考虑到防爆因素，必须在仪器外装加防爆外壳，而防爆因素与功耗，体积等密切相关，这便要求有相对功耗小，体积重量小的微型工程地震仪的出现。

3 系统硬件设计

3．1 工作原理

系统硬件主要分为ARM处理器模块、协处理器FPGA模块、预处理和A／D模块、通用外设模块4个部分，ARM处理器和现场可编程门阵列(FP.GA)共同组成监控系统的核心处理单元。现场勘探检测时，可利用爆炸的方式作为激发震源，当一次爆炸启动后，传感器信号通过模拟开关，先经过前置放大和滤波等预处理，获取符合A／D转换芯片要求的信号，经过A／D转换，进入FIFO，然后由嵌入式微处理器读取并处理数据，然后将数据存储到SIM卡或USB存储设备中。在A／D转换模块中，采用多路模拟开关，可完成大数量点的数据采集。FPGA是整个系统的控制中心，控制采集通道的切换，A／D转换芯片的启停，转换后的数据在FIFO中的存放以及向主处理器$3C2410A产生中断请求读取FIFO中的数据。如图2所示。

3．2 硬件介绍

3．2．1 协处理器模块

系统的协处理器采用Xilinx公司的FPGA，型号为SPARTANIIE XC2SIOOE。该芯片共有2700个逻辑单元，10万个逻辑门，片内块RAM为40KB。其具体实现以下功能：
· A／D模块读／写时序控制；
· 生成FIFO，其主要功能是存储经A／D编码的数据：
· 提供ARM处理器控制信号。
FPGA芯片分4部分来实现上述功能：
(1)内部控制信号产生器
FPGA对50 MHz时钟分频产生A／D芯片采样时钟Sampleclk和ARM处理器外部时钟Sysclk；Sysclk经锁相环电路(PLL)后产生ARM处理器工作所需的时钟信号 。

(2)ARM控制器
提供ARM处理器正常工作所必须的各种控制信号；实现ARM处理器地址总线、数据总线和外部中断信号接入 。

(3)A／D控制器
控制A／D模块的数据转换。产生A／D转换起始信号(／HOLD)，检测数据转换完成信号(／EOC)，产生FIFO写入信号，实现数据转换通道选择。

(4)FIFO存储器
生成FIFO，完成A／D转换数据的存储。

3．2．2 ARM处理器模块
ARM 处理器模块由FLASH、SDRAM 和s3C2410共同构建。系统选用Samsung公司的K9F1208UOA构建8位FLASH 存储器系统。K9F1208UOA单片容量为64 MB；选用两片单片容量32 MB。数据宽度为16位HY57V561620CT，并联构建32位SDRAM存储器系统，共64 MB的SDRAM空问可以满足嵌入式操作系统和各种复杂算法的运行要求。ARM处理器对各模块的控制则是通过底层驱动控制协处理器FPGA产生各种控制信号来实现。