（信号与信息处理专业论文）声波振动探生仪实用化研究.pdf

摘要 在本论文中介绍了一种新型的用于地震灾害救援中的实用声波振动探生仪 的设计与实现方法，并给出了系统设计方案和电路设计。在系统方案设计中，从 可靠性、实用性和经济性出发，采用d s p 作为主控c p u 实现对系统的控制，使 用c p l d 作为逻辑控制和l c d 接口转换。 实用声波振动探生仪的新研制是在已研制完成的“声波振动生命搜索与定 位仪”科研样机的基础上，又进行了大量实验后，提出的一项具有代表性的实用 化研究专题。主要的研究原理是：捕捉、放大废墟下的敲击、移动、呼喊等微弱 信号，并对信号进行筛选放大。以分道声音监听和数字波形峰值液晶显示的方式 提供给救援人员，进而对求救者进行快速定位初步判断。 该实用设备的主要研究目的是使原有设备更加轻便、省电，使用更加方便灵 活，符合现场救援设备要求。该设备同前期科研原理样机相比，具有如下优点： 取消了笔记本电脑，数字信号采集卡。并有效地减少了系统的体积和功耗，保证 了系统满足设计指标要求。代之以l c d 作为波形显示，可以实时地检测异常振动 信号，同时也大大的降低了整个系统的成本。 【关键词】滤波r e s e t 时序a nc p l d a b s t r c t i nt h i sp a p e r , i ti sb r i e f l yi n t r o d u c e sat e c l l n i q u eo fd e s i g n i n ga n dp r o d u c i n ga n i m p l e m e n to ft h er e s c u i n gs y s t e mw h i c h c a l lb eu s e di nt h er e s c u i n gp r o c e s so ft h e e a r t h q u a k e a n df u r t h e rm o r e ，w es u p p l yt h es c h e m eo fs y s t e md e s i g na n dt h e d e t a i le l e c t r oc i r c u i td e v i s a l i nt h es c h e m eo fs y s t e md e s i g n ，t h et h e s i sp r i m a r i l ys e t s f o r t hr e l i a b i l i t y , p r a c t i c a l i t y , e c o n o m i c w er e a l i z et h ec o n t r o lf o rt h es y s t e mw i t h d s pa st h em a i nc p u ，f o rl o g i cc o n t r o la n di n t e r f a c eo fl e dw i t hc p l d t h en e wd e s i g no ft h i si m p l e m e n ti sb a s e do nt h ep r e c e d i n g “t h ei m p l e m e n to f d e t e c t i n gs y s t e mb a s e do ns o u n d i n g v i b e r a t i n g “m o d e ld e v i c e t h e n ，w ep r o v i d ea r e p r e s e n t a t i v ep r a c t i c a b i l i t ys u b i e c t , a f t e rw ew e n t o nm u c he x p e r i m e n t t h es t u d y i n g t h e o r y f o l l o w sa s ：i tc o l l e c t st h ep i c k i n gs i g n a lb yt h ew r e c k e dm a l lv i at h es e n s o r b a s e do nt h ea c c e l e r a t i o no f g r a v i t y ，s u c ha ss t r i k i n g , m o v i n g ，h e l p i n g , a n ds oo n t h e nt h es y s t e mp r o c e s st h es i g n a lb ym a g n i f y i n g , f i l t e r i n g ，a n ds o m eo t h e r p r o c e s s i n g , a n da g a i n ，t h ep r o c e s s e ds i g n a lw i l lb ed i v i d e dt w os i g n a l ，o n et ot h ew a y o fh e a d p h o n em o n i t o r , a n t h e rt ot h ew a yl c d ，t h i ss i g n a lw i l lb ed i s p l a y e do nt h e l c d t h e s ew a y sm a k et h a ts u c c o rc a ne n s u r et h el o c a t i o no ft h es u r v i v e rf a s t l y t h ep u r p o s eo fp r o d u c i n gt h i si m p l e m e n ti sm a k i n gi tm o r ep o r t a b l e ，m o r e s a v i n gp o w e r , m o r ec o n v e n i e n c e ，f i t t i n gt h er e q u i r e m e n to fs a l v i n gs c e n e b yc o n t r a s t w i t ho l dd e v i c e ，t h en e ws y s t e mh a sv i r t u e si nt h e s ew a y s ：c a n c e l i n gt h en o t e b e e l c o l l e c t i n g - d a t a - c a r d 1 e s s e n i n gt h ev o l u m ea n dt h ep o w e rc o 璐u m c ，e n s u r i n gt h e d e v i c es a t i s f i e dt h ep l a n n i n gt a r g e t w er e p l a c en o t e b o o kw i t hl e df o rd i s p l a y i n g s o u n dw a v e ，d e t e c tt h ea b n o r m a ls i g n a li nr e a l t i m e t h i sw a yl e s s e n st h ec o s to f s y s t e ml a r g e l y k e y w o r d ：f i l t e r , r e s e t , t i m i n gs e q u e n c e , a d ，c p l d 第1 章前言 1 1 课题研究意义 第1 章前言 国内外历次大地震抢救生命的事实证明，对压埋人员抢救越快速越及时， 救出救活的可能性越大。据有关专家调查统计，唐山地震后，震后第一天内将被 压埋人员救出，救活率为8 l ；第二天内救出，救活率为5 3 ；第三天内救出， 救活率为3 6 7 ；第四天内救出，救活率为1 9 ；第五天内救出，救活率为7 4 ；再晚，救活的希望就很小了。上述数据表明，实施救助的时间越早，救出的 人员越多，尤其震后7 2 小时内是救助被困人员的关键时期。 随着我国现代化、城市化建设的加快，城市建筑物的规模、高度以及跨度 都逐渐增加，人口密度也越来越大。一旦发生地震灾害，人员伤亡、建筑物破坏 程度会更加严重，救援工作难度越来越大，这对我们的救援技术和设备提出了更 高的要求。 在我国以往震后的救助现场，救助人员曾用双手和撬、镐、锹、锯、斧头等 常规或更简陋的工具谱写过多次可歌可泣的生死场面，但同时也留下诸多遗憾， 大量的被压埋人员都是因为难以实施及时有效的抢救而窒息、失血死亡或在余震 中罹难。在社会现代化飞速发展的今天，城市化进程逐渐加快，人口更加密集， 建筑物在建筑造型、建筑材料、结构形式、房屋高度、密集程度等方面比过去都 有很大变化，仅依靠原有方法和工具只能对低层简单的建筑物中的遇险人员起作 用，根本不能完成当今震后救助的重任。 为了对被困人员实施高效有序的救援，除了要确保紧急救援队伍反应迅速、 机动性高和突击性强之外，同样重要的是要配备必要的高新救助技术设备。先进 的救助技术与装备是提高救助成功率，最大限度减轻人员伤亡的技术保障。然而， 我国在地震应急救助高新技术领域几乎是空白，缺乏实用有效的救助设备，迫切 需要国家在“十五”期间，开展高新救助技术的攻关，研究地震救助技术中的关 键技术。因此，研制出一批安全高效、功能全面、坚固耐用的搜救设备，将极大 地提高我国地震应急救助能力。 重点监视防御区内的省、市人民政府将根据国务院的要求，积极筹备组建本 成都理工大学硕士学位论文 地的地震紧急救援队，建立应急物资储备系统。因此，许多部门和地方，都迫切 需要用系列化、现代化的专用救助技术和工具设备装备应急救灾队伍，以提高救 助能力和效率。地震应急和救灾工作是政府的行为，具有先进的地震应急救助技 术与装备是救灾取得成效的关键，国家应尽快研究开发系列化、现代化高新救助 技术和工具，才能适应当今城市地震灾害现场救援工作的需要。为了改变我国高 新地震应急救助技术与装备空白的局面，国家立项支持开展研究急需的、科学适 用的地震应急救助技术与装备是当务之急，也是国家利益的体现。 因此，救助技术与装备的市场需求是巨大的，同时由于搜救行为也是一种 政府行为，也有很高的社会意义。在本课题中，通过对原理科研样机的外置配置、 结构、体积、重量按照实用化的要求来进行改进，优化主机与传感器的连接方式， 使其在野外工作更加方便、实用。使得前期的原理科研样机可以走出实验室，具 体的应用到实际救援中。 1 2 国内外技术现状 国外先进的生命搜索与定位技术，已在震后救灾中取得了极大的成功。这方 面工作，有许多国家政府是通过立法或采取其它措施将其落到实处的。如美国、 加拿大、澳大利亚、俄罗斯和日本等国家，一方面建立了国家资助研究和储备的 制度，另一方面，利用先进的微电子、微光、热红外阵列成像、仿生等高新技术 研制开发了生命搜寻和定位技术和设备，并在墨西哥、亚美尼亚、伊朗、菲律宾、 土耳其，以及最近的印度和阿尔及利亚的震后救灾工作中发挥了重要的作用，救 出了许多幸存者。 我国从2 0 0 0 年起开始关注救援装备、技术的研究与开发工作。此前，也有 不少专家学者对此进行呼吁，也有部分装备问世，但迄今为形成完整的研究与开 发体系，也未有值得信赖的产品和技术问世。同年，中国地震局委托中国地震局 地球物理研究所就国家地震灾害紧急救援队的组建可行性研究和方案编制为契 机，开始了地震应急救助技术与装备的调研工作。 参照国外的相关救援队的装备，在国家十五重点科技攻关课题“地震救助生 命搜索与定位技术研究”课题中，我国也成功研制了相应的基于光学，声学，红 外的救援探生科研原理样机设备。 本课题组的前辈们在前期经过3 年的艰苦努力并顺利的研制成功了声波振 2 第1 章前言 动探测仪原理样机。在前期的研发过程中，由于工作时间短，任务重，研究工作 主要集中在实现探生仪的功能，技术指标等，对探生仪的实用性和人机交互功能 以及生产成本相对考虑较少。 1 3 课题的来源以及主要研究工作 “地震救助生命搜索与定位技术实用化研究”是国家十五重点科技攻关课题 “地震救助生命搜索与定位技术研究”课题的后续实用化研制项目。该子专题“声 波振动探生仪实用化研究”由成都理工大学承担，专题编号为： 2 0 0 4 b a 6 0 1 8 0 3 0 卜0 2 。智能化声波振动探生仪的新研制是本子专题的研究重点。 智能化声波振动探生仪的研究是是基于前辈们所做的大量工作的，并在已 研制完成的“声波振动生命搜索与定位仪”科研样机的基础上，又进行了大量 实验后，提出的一项具有代表性的实用化研究专题。整个项目的实用化方面包括 如下内容：1 ) 元器件标准化；2 ) 电路的优化设计；3 ) p c b 设计标准化；4 ) 接 口的标准化；5 ) 结构设计标准化。该实用化研究的目的是更加注重设备可靠、 经济、功能更加完善，并能更好的应用于现场救助，同时可以大量的生产，装备 各救援队。考虑到救援中的复杂性，快捷性，要求设备更加轻便、省电，使用更 加方便灵活。 在设计中，本人的设计思路主要考虑如下：取消前期科研原理样机中的笔记 本电脑，用d s p 结合l c d 实现原本用笔记本实现的功能。同时通过前期的实践证 明，考虑到现场的实际情况，没有必要实现精确定位。因此，在整个系统的设计 中，我们通过耳机输出监“听”在掩埋体下通过介质传播的声振波，根据所“听” 到的声音量大小来判定搜索方位，进行快速搜索定位。同时，为了既“听”又“看”， 在仪器内置屏幕上显示多道波形( 已经过滤波或相关处理的输出) ，通过同源信 号振幅值的对比确定搜索方向，缩小搜索范围，进行快速搜索和定位。采用这种 方式，系统增加了信息约束，可让l c d 屏幕上显示的异常信号与耳机监听到的信 号进行对比，并进行人为的进一步判断，排除非规则的干扰信号，以减少失误。 整个系统的设计方案我们主要安排如下：整个系统的设计分为软件部分和硬 件部分。硬件设计是整个系统的基础，软件是整个声波振动探生仪系统的核心， 它与硬件紧密配合。在硬件系统中前端使用振动传感器作为有效信号的拾取，然 后对微弱小信号进行可选择的程控增益，滤波截止频率控制，再将调理以后的模 1 成都理工大学硕士学位论文 拟信号进行a d 转换以后进行处理，最后通过软件实现信号在l c d 上的显示，峰 值报警，人机的交互控制。系统框图如下： 图i - i 系统整体框图 在本项目中，本人作为主要人员完成了整个系统的软硬件设计工作，参与了 其中大部分的软硬件调试工作。 1 4 课题研究的特色及创新 在本设计中，和前期仪器，以及国内外同类产品相比，主要存在以下特色 和创新点： 1 ) 各道所产生的声波振动信号，通过l c d 数字显示。 2 ) 用耳机进行监听振动信号的异常特征，而不测各道到达的时间初值和道 间时差，这样可以加快搜索工作的速度。 3 ) 体积小，重量轻。由于采用了l c d 数显和监听，省略了笔记本电脑，这 样使设备更加省电，工作更方便，同时也大大的降低了整个系统的成本。 4 第2 章声波胀动探生仪系统研制方案 第2 章声波振动探生仪系统研制方案 2 1 系统主要设计原理 声波振动探生仪的系统研制主要是建立一个由高灵敏传感器、信号调理， 以及信号数字处理的一体系统，通过探测和分析幸存者的移动、敲击和呼叫等微 小振动信号，确定被困人员的位置。该系统是一套以重力加速度传感器为探测源， 以人机交互作为操作的探测系统，它包括信号的检测、监听、选取、处理和显示 几个部分。整个系统处理和显示部分按模块化来设计实现，从而使得系统的升级 更快捷方便。 声波振动探生仪设计的主要原理是：当发生各种灾害情况时，不论是自然 灾害，还是人为灾难，如地震，矿井瓦斯爆炸等。在这些情况下，造成人员被掩 埋在地下或废墟之中，一般情况下，如果还有幸存人员，他们一般会发出各种求 救信号，如呼救，敲击周围物体。因此如果可以有效的获取这些有用信号，那么 可以提供给救援人员很多的帮助。救援人员可以大致确定被救者的方位，从而采 取相应的救援方式。 经过分析，被救人员可能发出的几种振源形式： 被困者出的呼救声所转换的振动波信号。 被困者用手、石块、铁具敲击泥土和钢筋水泥土产生的低频间隔波。 被困者移动产生的振动波。 被困者敲击金属管道产生的振动波。 研制的声波振动探生仪不仅要求仪器能够发现异常信号，而且要通过异常 数据大致确定被困者的空间位置和敲击类型。因此有效捕获这些信号，是一种比 较有效的救援探生手段。 前期的声波振动探生仪科研样机主要就是用于捕捉被困人员在废墟下发出 的敲击、移动、呼喊等求救信号，将这些微弱信号筛选放大后，以声音和数字( 或 波形) 显示的方式提供给仪器操作人员，进而对求救者进行准确定位以实施救援。 该设备主要以振动波形的观察、处理来进入精确定位。其优点是测试点以动态波 形显示，可以实时地监测异常振动信号，并通过数理模型计算处理确定被困人员 的空间位置。但该设备成本较高、体积大、搜索速度较慢。为加快声波振动探 5 成都理工大学硕士学位论文 测救生仪系列化产品的开发，因此研制一种成本低、体积小、搜索速度快且能广 泛应用于其它领域的声波振动探测仪，具有十分重要的意义。 在前期的“声波振动生命搜索探测定位仪”原理样机研制工作中，关于有 效特征信号的提取，干扰噪声的抑制，信号通道的建立，通道电路的设计，数据 采集等工作，课题组积累了诸多经验，建立了用于震后生命探测的硬、软件条件。 为后续实用化项目的展开提供了软件和硬件基础，并为后续项目提供了丰富的第 一手实验数据。 “智能化声波振动探生仪的实用研制”是“地震救助生命搜索与定位技术 实用化研究”专题的研究重点。“智能化声波振动探生仪的研究“是在己研制完 成的“声波振动生命搜索与定位仪”科研样机的基础上，又进行了大量实验后， 提出的一项具有代表性的实用化研究专题。同时要求该套系统达到课题组要求的 技术指标。 “声波振动实用探测仪“主要以振动信号作为探测源，通过多通道信号采 集，对各通道所产生的异常振动信号( 波形和幅度) 进行处理并将数据以波形方 式显示在液晶屏上，同时可用耳机监听振动信号的异常特征。与前期科研原理样 机相比，不测各道到达的时间初值和道间时间差。 在震后现场，利用多个传感器的幅度数据指示，以及耳机的监听可以进行快 速的物理平面定位，无需进行精确计算。搜索的方向是朝振幅最大的数据显示传 感器靠近。通常情况下只需二次移动传感器就可大致判断振源的平面位置。同前 期的科研原理样机相比而言，“声波振动实用探测仪“由于采用l c d 作为数据显 示，整个设备就省去了笔记本电脑，同时也无需动态信号显示卡。这样一来，整 个系统的体积、重量、成本就大大降低，适用于生产和市场化，产品也具有较强 的竞争力。 在本“智能声波振动探测仪系统“的设计中，信号的截止频率可以分段设 置。根据不同的需要，使用不同类型的传感器。如在用于救生时，可以使用频率 在3 0 0 3 0 0 0 h z 左右的传感器；如果用于低频微振的浅层信号源测试时，可使用 频率在0 1 - 5 0 0 h z 的传感器。在特殊情况下，保持信号通路不变，只更换其它种 类的传感器( 接近式传感器，压力传感器，磁性传器等) ，可用于军事、公安、 电力、工业控制等部门，这样就大大拓展了产品的应用面和应用价值。 6 第2 章声波艉动探生仪系统研制方案 2 2 系统设计目标 2 2 1 完善技术方案，使样机达到实用化的要求 在前期的科研样机中，为了实现空间物理层面的精确定位，我们使用了笔记 本电脑来作为数据的存储和分析。但在实际的救援过程中，考虑到现场的实际情 况，我们发现要实现精确定位不仅是困难的，而且也是没有必要的。在现场救援 中，我们只需要能够实现被困人员的物理平面定位，就可以进行施救工作了，因 此我们的目的就是研制一种基于物理平面定位快速搜索的，设备轻便、价格低廉 的智能化声波振动探生仪。 在解决设备从科研样机到定型样机的实用化问题。研究如何设定声波振动 探生仪的采样频率、滤波参数，放大倍数。确认传感器的布置方式等对生命搜索 与定位的影响，研究声波振动探生仪的工作方法。以振动声音监听和信号波形， 峰值数显的方式，研制一种基于物理平面定位的，快速搜索的，设备轻便的，价 格低廉的智能化声波振动探生仪。： 原样机的外置配置、结构、体积、重量上要进一步按照实用化的要求来进行 改进，改进主机与传感器的连接方式，使其野外工作更加方便、适用。 2 2 2 要求达到的技术指标 通道数 传感器频率范围 信号采样频率( 显示部分) 传感器灵敏度 显示通道增益范围 程控滤波范围( l p ) 主机重量 使用环境温度 一次充电可使用时间 2 3 系统整体实现方案 大于4 道 0 1 2 5 0 0 赫兹( 根据实际，可考虑分段配置) l o k h z l _ 2 9 g 一一2 v g l 一8 0 0 倍 1 3 0 0 0h z ( 多档调节) 不大于5 0 0 0 克 一l o 。5 0 。c 2 0 。c 时大于4 小时 整个系统的设计分为软件部分和硬件部分。硬件部份是整个系统的平台， 7 成都理工大学硕上学位论文 完成了前端小信号的拾取，实现了对信号的放大和滤波，同时提供了数字处理的 硬件平台。而软件部份则实现了系统的整和，实现了程控滤波和程控放大，对 a d 后的信号进行了相应的处理，同时让控制变的简单实用，能够更好的应用于 现场救援行动。 2 3 1 系统硬件设计方案 硬件设计是整个系统的基础，为了满足自动化发展的要求，我们在系统中提 供了l c d 界面，键盘控制，为人机交互提供了硬件平台。整个系统需要完成信号 的调理和数据采集，以及处理。同时为了调试和装配的方便，也有利于减小数字 信号对模拟信号的干扰。我们将硬件系统按照功能分为四个部分，模拟板，数字 板，电源板和l c d 显示，其总体功能框图如下： 2 3 。2 系统软件设计方案 图2 1 声振探测仪硬件原理框图 软件是整个声波振动探生仪系统的核心，它与硬件紧密配合，来实现系统 的功能。在本系统中软件设计主要分为两部份，d s p 软件和c p l d 软件它们分别 完成不同的功能。 d s p 主要完成以下功能： 1 ) 系统初始化和对模拟信号的a d 转换。 8 第2 章声波振动探生仪系统研制方案 2 ) 对数据的处理和对波形的实时反映。 3 ) 完成人机的交互功能。 其流程图如下： d s p 死循环 图2 - 2d s p 软件流程图 c p l d 软件主要完成以下功能： 1 ) d s p 和l c d 的接口。 2 ) 根据d s p 的输出驱动相应的逻辑控制。 3 ) 生成可变时钟。 9 成都理工大学硕士学位论文 3 1 概述 第3 章系统硬件实现 硬件系统是整个声波振动探生仪的实现基础，也是软件系统的实现平台， 因此硬件系统的设计是整个系统的载体，需要精心设计和多次实验，整个系统硬 件主要包括三个部份的设计：模拟板设计，数字板设计，电源板的设计。 3 2 模拟板电路设计 3 2 1 模拟板总体设计 模拟板作为信号调理的载体，其主要是完成如下功能： 完成传感器与模拟板的恒流接口电路设计，对传感器提供激励电流。 对微弱振动信号进行两级程控放大和可选程控滤波处理。 完成各道信号的调理和异常峰值采样检测。 消除道间干扰提供分路的a d 转换信号和通道异常监听信号。 模拟板的总体原理框图如下： 图3 - 1 模拟板原理框图 模拟部份由4 路电路参数相同的单通道调理电路和单独的耳机监听电路组 成，其中单通道首先提供前端重力加速度传感器4 i i l a 恒定激励电流( 使用不同传 感器时，该电流值可以调节) ，然后进行放大，滤波，最后送入数字板进行数字处 理。单通道模拟部份原理框图具体如下： 1 0 第3 章系统硬件实现 陌磊司 a d 6 9 4 l i - j 堙日圈日甲 图3 - 2 模拟板单通道原理框图 经过前期的设计，并进行了实验验证以后，课题组已经调试完成了一块调试 模拟板，下图是已调试完成的模拟板实物图( 2 0 7 m m * 1 3 0 m m ) ： 3 2 2 模拟板具体单元电路设计 3 2 2 1 振动信号传感器 图3 - 3 模拟板实物图 前端振动信号使用重力加速度传感器进行采集，信号源的好坏对整个系统的 影响是关键性的。在前期科研样机设计阶段，课题组的前辈在这方面作了非常成 成都理工大学硕士学位论文 功的研制。在本系统中，我们沿用了前期的成果，传感器采用l c 一0 1 5 6 t ( 对此 传感器，成都理工大学拥有专利权) ，该传感器具有以下特点： 低阻抗输出，抗干扰，噪声小，可以在复杂环境中提取微弱的有用信号。 体积小、重量轻、稳定可靠、性能价格比高，尤其适于多点测量。 抗潮湿、抗粉尘、抗有害气体。 低漂移，抗过载能力强。 外加4 m a 恒流源激励。 重力加速度传感器。 l c 一0 1 5 6 t 外观图： 图3 - 4 传感器实物图 由于工艺的原因，很难加工出各参数都相同的高灵敏度传感器，同一型号 l c 一0 1 5 6 1 的灵敏度也会有微小的差异，下面是本仪器所使用的四个l c o l 5 6 t 传 感器的性能指标。 第3 章系统硬件实现 表格3 2 2 一卜1 编号 3 3 6 8激励电压1 8 3 0 v d c 灵敏度( m y g ) 2 0 0 5 输出偏压 9 5 v d c 频率范围1 - 3 0 0 0 h z安装螺纹m 5 抗冲击 3 0 0 9 重量1 2 8 9 m 外形尺寸m3 2 m m * 4 9 m m量程 2 5 9 表格3 _ 2 2 一卜2 编号3 3 6 5激励电压1 8 3 0 v d c 灵敏度( m y g ) 2 0 0 3 输出偏压 9 5 v d c 频率范围 1 - 3 0 0 0 h z 安装螺纹 m 5 抗冲击3 0 0 9重量1 2 8 9 m 外形尺寸 巾3 2 m * 4 9 m m 量程 2 5 9 表格3 2 - 2 一卜3 编号 3 3 6 6 激励电压 1 8 - 3 0 v d c 灵敏度( m y g ) 2 0 0 7 输出偏压 9 5 v d c 频率范围 1 - 3 0 0 0 h z 安装螺纹 m 5 抗冲击3 0 0 9重量1 2 8 9 i n 外形尺寸巾3 2 m m 4 9 量程 2 5 9 表格3 2 2 - 卜4 编号 3 3 6 7 激励电压 1 8 - 3 0 v d c 灵敏度( m y g ) 2 0 0 6 输出偏压 9 5 v d c 频率范围 1 - 3 0 0 0 h z 安装螺纹 m 5 抗冲击 3 0 0 9 重量 1 2 8 9 i n 外形尺寸 巾3 2 r m * 4 9 m m 量程2 5 9 成都理工大学硕上学位论文 3 2 2 2 恒流源单元设计 a 2 v l 砣车 f b 1 6 s m g 1 5 7 1 g n d4 + 岛g 1 4 ，g n d 5 2 v f sv s 1 3+ 1 2 v c o mb o o s r 1 2c 5 4 m aio u t 玉一1 0 i | a 2 v 广f 1 0 va l 删 9+ 5 v1 0 6 2 v0 n 0 f f 3 。 a - i ) 6 9 4 圃， 幅游湄曲弄* + 7 在“声波振动生命搜索与定位仪”样机研制过程中，我们采用的传感器要求 系统提供恒定电流大小为4 m a ，我们选用a d 6 9 4 来提供所要求的恒流，动态范围 0 - 2 0 m a ，这样可以满足大多数重力加速度传感器的要求。同时对于不同的传感器 只需通过人机接口改变电流大小即可。a d 6 9 4 是a d 公司的产品，它是一种4 2 0 m a 转换器，a d 6 9 4 是一种单片电压一电流转换器( v i ) 。它将输入电压信号 转换成标准的4 “2 0 m a 电流信号可广泛应用于压力、流量、温度等信号的参数传 递和对阀、调节器以及过程控制中一些常用设备的控制。它具有输入缓冲放大器、 v i 转换电路、4 m a 电流偏置及其选通和微调电路、参考电压电路、输入量程选 择端、开路和越限报警输出端，功能较强，使用时不接或只接很少的外部元件。 它能达到0 0 0 2 的非线性度，精度高，且抗干扰性强，是过程控制、工业自动 化和系统监测等领域中取代分立元件设计的一种理想集成电路。 由于传感器采用需要恒流激励，在系统中采用a d 6 9 4 对传感器供电，a d 6 9 4 的性能参数如下： 非线性： 4 0 m 0 ( 4 2 0 m a ) 电流输出范围：0 - 2 0 m a ，4 - 2 0 m a 电压输入范围：0 - 2 v ，0 - 1 0 v 基准电压：2 0 0 0 v ，1 0 0 0 0 v 静态电流： c 二 骶r 而、厂 罹弋厂弋厂一 丽厂 厂 厂弋 一蔓d 刊国冱匦d 圆强西互d 一 图3 - 2 0i ) s p 写外部存储器时序 下图为d s p 2 4 0 7 a 的读外部存储器时序图： 成都理工大学硕士学位论文 r n 4 l o r yl n 巾d dt i m i n gt u d ， 1 ， 、 一j 疑 i l卜乒= ； - q 一h | ； t， ； 1 ： 卜 - 卜1 一t 一 xx ，x j 、_ 萋l li器= 矧卜o * 而 l ： ：一一 _ | 1 悔。 兰_求 ll 一一 lll i ，5 r 、一 t l j 5 2 a ， 1 _ 一i 3 ；1 图3 - 2 1d s p 读外部存储器时序 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 数据总线宽度为1 6 位，工作电压3 3 v ，而c y 7 c 1 0 2 1 v 也为 1 6 位，电源电压为3 3 v ，所以数据总线可以直接连上。数据程序存储器直接 通过d s p s 信号进行片选，这样处理器工作时，就可以不加入任何等待周期，保 持全速运转。数据程序存储器也可以用来保存采样信号。 3 3 2 5 d s p 电路注意事项 在高速d s p 系统的设计中，尤其要注意到以下问题： 3高速系统特别是模拟数字混合系统要特别注意接地问题。除了电源端相连 外，数字地和模拟地分开。另外，对于高速系统使用大面积地阻抗非常重要。 印制电路板最好采用多层布线，其中的一层作为地层，且地层应尽量覆盖到 高速器件的下方。 4妥善解决电源去耦问题对于高速数字系统也很重要。为防止电源输入端的电 缆或连线引入分布电感，电源与器件尽量靠近，并在总的电源输入端跨接大 容量的去耦电容。 5信号走线时，应避免数字、模拟信号交叉走线，如必须交叉，尽可能直角交 叉。尽量采用多层布线，相邻层的走线尽量正交。 一二一 n 第3 章系统硬件实现 3 3 2 6 d s p 部分电路图 经过实验的验证后，课题组整理出d s p 单元的综合电路图如下： 。一，审静 t 卜l jr q 3 3 3 逻辑控制c p l d 部份 3 3 3 1 c p l d 简介 图3 2 2d s p 核心电路图 逻辑控制部份主要完成两种功能：d s p 和l c d 的接口，对前级模拟板的控制以 及时钟信号的产生。 自2 0 世纪6 0 年代以来，数字集成电路己经历了s s i , m s i 到l s i ，v l s i 的 发展过程，大规模集成电路“l s i ) 在2 0 世纪7 0 年代初问世以后，微电子技术得 到迅猛发展，集成电路的集成规模以1 8 个月翻一番的惊人速度迅速增长。集成 技术的发展也大大促进了电子设计自动化( e d a e l e c t r o n i c sd e s i g na u t o m a t i o n ) 技术的进步，2 0 世纪9 0 年代以后，由于新的e d a 工具不断出现，使设计者可 以直接设计出系统所需要的专用集成电路，从而给电子系统设计带来了革命性的 变化。由于一个复杂电子系统所需要的元件往往种类数量多，连线复杂，因而所 设计的系统体积大、功耗大、可靠性差。先进的e d a 技术使传统的“自下而上” 的设计方法，变为一种新的“自顶而下”方法，设计者可以利用计算机对系统进 匿髋睁 成都理工大学硕士学位论文 行方案设计和功能划分。系统的关键电路可以采用一片或几片专用集成电路 ( a s i c ) 来实现，因而使系统的体积、重量减小，功耗降低，而且具有高性能、高 可靠性和保密性好等优点。 专用集成电路( a s i c a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 是指专门 为某一应用领域和为专门用户需要而设计、制造的l s i 或v l s i 电路，它可以将 某些专用电路或电子系统设计在一个芯片上，构成单片集成系统。a s i c 可分为 数字a s i c 和模拟a s i c 。 数字a s i c 又分为全定制和半定制两种。全定制a s i c 芯片的各层掩膜都是按 特定电路功能专门制造的。设计人员从晶体管的版图尺寸、位置和互连线开始设 计，以达到芯片面积利用率高、速度快、功耗低的最优功能，但是设计费用高、 周期长，因此只适用于批量较大的产品。半定制的设计方式是约束性的。约束的 主要目的是简化设计、缩短设计周期和提高芯片成品率。 目前半定制a s i c 主要有门阵列、标准单元和可编程逻辑器件三种。 门阵列( g a t ea r r a y ) 是一种预先制造好的硅阵列( 母片) ，内部包括几种基本 逻辑门、触发器等，芯片中留有一定的连线区。用户根据所需要的功能设计电路， 确定连线方式，然后再交生产厂家布线。 标准单元( s t a n d a r dc e l l ) 是厂家将预先配置好的经过测试的、具有一定功 能的逻辑块作为标准单元存储在库中，设计人员在电路设计完成之后，利用c a d 工具在版图级完成与电路一一对应的最终设计。和门阵列相比，标准单元设计灵 活、功能强，但设计制造周期较长，开发费用较高。 可编程逻辑器件( p l d p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 是a s i c 的一个重要分 支。与上述两种半定制的电路不同，p l d 是厂家作为一种通用型器件生产的半定 制电路，用户可以通过对器件编程使之实现所需要的逻辑功能。p l d 是用户可配 置的器件，它的成木比较低，使用灵活，设计周期短，而且可靠性高，承担的风 险小，因而得到了很快的普及，发展迅速。 2 0 世纪8 0 年代中期a l t e r a 公司推出了一种新型的可擦除、可编程逻辑器 件( e p l de r a s a b l ep r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ，它采用c m o s 和e p r o m 工艺制 作，集成度比p a l 和g a l 高得多，设计也更加灵活，但内部互连能力比较弱。1 9 8 5 年x i l i n x 公司首家推出了现场可编程逻辑器件( f p g a - f i e l dp r o g r a n m a b l eg a t e a r r a y ) ，它是一种新型的高密度p l d ，采用c m o s s r a m 工艺制作。其结构和阵 列型p l d 不同，内部由许多独立的可编程逻辑模块组成，逻辑块之间可以灵活地 相互连接，具有密度高、编程速度快、设计灵活和可再配置等许多优点。f l e a 出现后立即受到世界范围内电子设计工程师的普遍欢迎，得到迅猛发展。 2 0 世纪8 0 年代末l a t t i c e 公司提出了在系统可编程技术以后，相继出现了 一系列具备在系统可编程能力的复杂可编程逻辑器件( ( c p l d c o m p l e xp l d ) 。 第3 章系统硬件实现 c p l d 是在e p l d 的基础上发展起来的，它采用了e z c m o s 工艺制作，增加了内部 连线，改进了内部结构体系，因而比e p l d 性能更好，设计更加灵活，其发展也 非常迅速。 进入2 0 世纪9 0 年代，高密度p l d 在生产工艺、器件的编程和测试技术等方 面有了飞速发展。例如c p l d 的集成度一般可达数千甚至上万门，a l t e r a 公司推 出的e p m 9 5 6 0 其单密度达到了1 2 0 0 0 个可用门，包含多达5 0 个宏单元，2 1 6 个 i 0 引脚，并能提供1 5 n s 的脚间延时，1 6 位技术的最高工作频率为l l o m h z 。目 前c p l d 的集成度最多可达到数百万等效门，最高工作速度已达1 8 0 m h z 。在系统 可编程技术、边界扫描技术的出现也使器件在编程技术和测试技术及系统可重构 技术方面有了很快的发展。 目前世界各著名半导体公司，如x i l i n x ，a l t e r a ，l a t t i c e 和a m da t m e l 等公司，均提供不同类型的c p l d ，e p l d 产品。众多公司的竞争促进了可编程集 成电路技术的提高，使其性能不断完善，产品日益丰富。可以预计，可编程器件 将在结构、密度、功能、速度和性能等各方面得到进一步发展，并在现代电子系 统设计中得到更广泛的应用。 基于s r a m 的可编程器件的缺点是，编程信息在断电后会丢失，也就是是易 失性器件。f p g a 是基于s r a m 的可编程器件。每次上电需要非易失器件来将编程 信息写入器件的s r f i m 中。这类器件的优点是可进行任意次数的编程，并在工作 中可以快速编程，实习板级和系统级的动态配置，因而也称为在线重配置( i n c i r c u i tr e c o n f i g u r a b l e ，简称i c r ) 的可编程器件或可熏配置硬件。 2 0 世纪9 0 年代以来，微电子技术以惊人的速度发展，其工艺水平已达到深 亚微米级，在一个芯片上可集成数百万至上千万只晶体管，对e d a 系统提出了更 高的要求，大大促进了e d a 技术的发展。2 0 世纪9 0 年代以后，主要出现高级语 言描述，系统仿真和综合技术为特征的第三代e d a 技术，极大提高了系统设计效 率，而且使设计者摆脱了大量的辅助性工作，将精力集中于创造性的方案与概念 的构思上。采用硬件描述语言h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 来描述1 0 万门以上的设计，并形成了v h d l 和v e r i l o gh d l 两种标准硬件描述语言。它们 均支持不同层次的描述，使得复杂i c 的描述规范化，便于传递、交流、保存与 修改，并可建立独立的工艺设计文档，便于设计重用。建立并行设计框架结构的 集成化设计环境，以适用当今a s i c 的如下特点：规模大而复杂，数字与模拟电 路并存，硬件与软件设计并存，产品上市速度要快。 在i n t e r n e t 迅速发展的今天，a s i c 设计所要用到的e d a 工具和元件( i p 模 块) 均可在网上流动。从而使a s i c 的设计变得迅速、经济、高效。此外，基于因 特网的虚拟设计组亦已出现，因而可将世界范围内最优秀的设计人才资源恰当地 成都理工大学硕上学位沦文 组合起来，来解决日益复杂的电子系统设计问题。 a l t e r a 的可编程逻辑器件能达到最高性能和集成度，不仅仅是因为采用了 先进的工艺和全新的逻辑结构，还得益于a l t e r a 提供了现代的设计工具q u a r t u s i i 。这一软件操作环境具有开发周期短，易学，易用，支持符合工业标准的其他 e d a 设计工具的特点，是一种与平台无关、与结构无关的设计环境。它使设计者 能方便的进行输入、快速处理器件和编程。q u a r t u si i 的设计可以是图形输入、 文本输入或波形输入。 图形输入可以使用软件中的图形器件库和大多数的标准e d a 设计工具，例如 可识别标准e d i f 网表文件、v h i ) l 网表文件、o r c a d 原理图和x i l i n x 网表文件等。 文本输入可以是v h d l ，v e r i l o gh d l 和a l t e r a 公司的a h d l 语言。q u a r t u si i 的 编译器可以将设计输入文件自动生成用于器件编程、波形仿真以及延时分析等所 需的数据文件，并可通过仿真器和时延分析器进行设计仿真调试以及器件编程等 工作。使用q u a r t u si i ，设计者无需精通器件内部的复杂结构，就可在所选的 c p l d 器件物理地实现所需要的逻辑。由于有关结构的详细知识已装入开发工具， 设计者不需手工设计自己的设计，因此设计速度非常快。使用q u a r t u si i ，从 设计输入到器件编程完毕，用户拿到设计好的逻辑电路，大约只需几小时。设计 处理一般可在数分钟内完成，这样一天就可以做几个设计。 在本声波振动探生仪的逻辑电路设计中，主要采用a l t e r a 的7 0 0 0 s 系列的 e p m 7 1 2 8 s 可编程器件来完成。e p m 7 1 2 8 s ic 8 4 1 5 是在a l t c r a 公司的第二代m a x 结构基础上，采用先进的氧化物半导体e 2 p r o m 技术制造的。可容纳各种各样、 独立的组合逻辑和时序逻辑函数。可以快速而有效的重新编程，并保证可编程擦 除1 0 0 次。 e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 1 5 包含1 2 8 个宏单元。每1 6 个宏单元组成一个逻辑阵列块， 同时，每个宏单元有一个可编程的“与”阵和固定的“或”阵，以及一个具有独 立可编程时钟、时钟