基于S3C2410A設(shè)計的工程地震儀方案

摘要：闡述基于三星ARM處理器S3C2410A和嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE．net構(gòu)造微型工程地震儀的設(shè)計原理和實現(xiàn)方法。在現(xiàn)有工程地震儀的基礎(chǔ)上，結(jié)合嵌入式技術(shù)構(gòu)造攜帶方便、功耗低、體積小的微型工程地震儀，可以適應(yīng)不同的工作場合，滿足工程勘探的需要。

1 引言

隨著嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在通訊、控制和消費電子等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的嵌入式CPU，與通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群設(shè)計的系統(tǒng)中，它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點，能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計趨于小型化，以動能力增強，與網(wǎng)絡(luò)的耦合也越來越緊密。
本文利用ARM嵌入式系統(tǒng)構(gòu)造微型化的工程地震儀雛形，以滿足特定條件的工作需要，降低功耗，節(jié)省能源以延長工作時間，減小儀器尺寸和重量，使儀器更為輕便。

2 現(xiàn)有工程地震儀簡介

工程地震儀應(yīng)用于地基、路基與基礎(chǔ)工程檢測；隧道工程檢測；大中型水庫的運行觀測；橋梁工程檢測；環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害檢測與評價等工程領(lǐng)域的地震檢測任務(wù)l2 。一般來講工程地震儀器利用錘擊、電火花或爆炸等作為激發(fā)震源，硬件上由前置放大器，數(shù)據(jù)采集卡，A／D轉(zhuǎn)換器，工控機(便攜式微機)等部分組成。而數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，分析軟件都存儲在工控機內(nèi)，可以隨時處理現(xiàn)場所采集的原始數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。其功能一般有：瞬態(tài)多點端雷波勘探淺層反射測量淺層折射測量波速(剪切波)測量多波高密度地震映像樁基檢測土建工程質(zhì)量檢測場地常時微動測量震動爆破測量。如圖1 所示

其中，數(shù)據(jù)的顯示，數(shù)據(jù)的處理和存儲都是用工業(yè)控制微機來完成的，下面是一款典型的現(xiàn)有工程地震儀器工業(yè)控制微機的硬件配置：
CPU ：PIII 500MHz
內(nèi)存：128MB
硬盤：不小于40GB
光驅(qū)：內(nèi)置
顯示屏：800×600點陣VGA液晶顯示屏(TFT真彩)
輸入設(shè)備：觸摸屏輸入、精致小鍵盤、光電鼠標
接口：雙串一并、雙USB口、鼠標口、鍵盤口等標準口

移動存儲：256M電子U盤

現(xiàn)有工程地震儀由于工控機功耗較高，體積尺寸大，野外攜帶不很方便，尤其是當野外工作需要電池支持時，受功耗的影響工作時間可能受一定的限制。對于某些特定場合，如煤礦井下作業(yè)時要考慮到防爆因素，必須在儀器外裝加防爆外殼，而防爆因素與功耗，體積等密切相關(guān)，這便要求有相對功耗小，體積重量小的微型工程地震儀的出現(xiàn)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3．1 工作原理

系統(tǒng)硬件主要分為ARM處理器模塊、協(xié)處理器FPGA模塊、預(yù)處理和A／D模塊、通用外設(shè)模塊4個部分，ARM處理器和現(xiàn)場可編程門陣列(FP.GA)共同組成監(jiān)控系統(tǒng)的核心處理單元。現(xiàn)場勘探檢測時，可利用爆炸的方式作為激發(fā)震源，當一次爆炸啟動后，傳感器信號通過模擬開關(guān)，先經(jīng)過前置放大和濾波等預(yù)處理，獲取符合A／D轉(zhuǎn)換芯片要求的信號，經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換，進入FIFO，然后由嵌入式微處理器讀取并處理數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)存儲到SIM卡或USB存儲設(shè)備中。在A／D轉(zhuǎn)換模塊中，采用多路模擬開關(guān)，可完成大數(shù)量點的數(shù)據(jù)采集。FPGA是整個系統(tǒng)的控制中心，控制采集通道的切換，A／D轉(zhuǎn)換芯片的啟停，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)在FIFO中的存放以及向主處理器$3C2410A產(chǎn)生中斷請求讀取FIFO中的數(shù)據(jù)。如圖2所示。