傳統的無人值守地面探測系統可以探測一定范圍內的地面運動目標。其工作模式是把采集到的信號發送回地面接收站再進行處理。此方法不能實現終端實時信號處理，且反應時間較長。另外，信號在傳輸和接收的過程中會受到不同程度的干擾，這樣就會使識別效果出現偏差，特別是在復雜電磁環境條件下，無線通信時間越長，傳輸數據量越大，則受到的干擾越多，且探測系統越容易被敵方發現。本文所設計的探測系統提出了一種實時處理信號的方法，直接將處理的結果發送給決策者，這樣既避免了震動和聲音信號在傳輸過程中的失真，又縮短了反應時間，同時還增加了探測系統的隱蔽性。

系統總體方案設計

無人值守探測系統一般由地震動和聲音傳感器、中央處理芯片、運算放大電路以及無線收發裝置等模塊組成，通過傳感器系統采集震動和聲音信號經過濾波電路、運算放大電路以及AD轉換電路將模擬信號轉換為數字信號，再對這些信號進行時頻分析，以期達到識別目標性質的目的。根據系統探測和監視的需求，地震動傳感器應能探測到200m以內的運動車輛及20m以內人員腳步的信號，聲音傳感器應能感應到600m以內的車輛噪聲。

由于DSP處理器具有效率高，適合數據量較大、算法較復雜的信號處理等特點，因此本文選取DSP作為無人值守地面探測系統運算處理芯片。

本文所設計的地面探測系統主要由前端探測識別——地面探測主系統和后端顯示——接收顯示子系統兩部分組成。當探測區域出現激勵時，系統開始工作，DSP的集成A/D采樣接口開始采集地震動和聲音傳感器經過放大調理的信號。DSP模塊識別目標性質以后，通過串口發送相應的編碼到無線收發模塊，然后經過無線傳輸，發送到接收顯示子系統的無線收發模塊，最后通過單片機串口將編碼發送給單片機，將編碼代表的目標屬性在液晶模塊上顯示出來。系統工作原理如圖1所示。

圖1 系統工作原理圖

設計所需器件選型

傳感器的選型

（1）地震動傳感器

系統所使用的地震動傳感器安裝在探測系統中并布設到地面上，用于檢測目標運動引起的地震動信號。

動圈磁電式傳感器是地震勘探中廣泛使用的一種成熟的傳感器，其性能可靠、價格低廉，而且輸出信號對后續電路要求不高，可以簡化系統電路設計。本文選用DX20動圈磁電式傳感器。

（2）聲音傳感器

聲音傳感器主要用于檢測目標發動機引起的噪聲和聲壓變化，是由探測到的聲音信號的頻率和聲強級來識別目標的出現。常用的聲音傳感器可分為電容式、碳粉式、壓電式和光纖聲音傳感器。其中電容式聲音傳感器具有較高的靈敏度、較低的自生噪聲及較低的失真，性能優良，其性能可以滿足本系統的要求。本系統選用電容式聲音傳感器。

電子元件的選型

為了使該系統在野外長期穩定地工作，系統需采用低功耗設計。在該系統中，DSP、運算放大器和無線收發模塊的功耗占系統功耗的很大部分。所以對此三種器件的選擇需特別注意功耗的問題。

（1）DSP的選型

隨著半導體科技的發展，DSP的種類越來越多。選擇DSP處理器主要從以下幾個方面考慮：

② 性能：描述DSP性能的最重要的指標是運算速度。

②片內硬件資源：片內硬件資源主要包括片內RAM、ROM的數量，I/O接口的種類和個數，總線驅動能力，外部可擴展的程序和數據空間等。

③系統運算量。

④通常，DSP的功耗是較大的，系統采用的DSP芯片需具有空閑模式，能夠做到有目標的時候探測，沒有目標的時候休眠的要求，以降低功耗。

TI公司是DSP主要生產廠家，它的產品主要包括TMS320C6000、TMS320C5000、TMS320C2000系列。其中，C5000DSP可達200MHz左右的工作時鐘頻率，被廣泛應用于語音信號處理和調制解調器等領域，其價格適中，且硬件設計要求比較高。

本系統所必需的DSP片內外設主要包括集成ADC轉換器、DPLL時鐘產生器、DMA控制器、EMIF、MCBSPS、通用定時器、看門狗定時器等，同時本系統具有一定的運算量。因此，本系統選用C5000DSP作為主要運算處理芯片。C5000 DSP包括C55x和C54x兩代產品。充分考慮到系統的實時性和低功耗要求，本系統選取TI公司生產的TMS320VC5509A作為核心計算單元，它的處理能力可達到400MIPS，其資源可以完成地震動和聲音信號采樣以及目標識別功能。該型DSP具有休眠功能，當探測區域內沒有目標時，主系統DSP進入旁路模式，處于空閑模式，其工作電流僅為16μA，大大降低了DSP的功耗；當目標出現時，DSP開始工作。

TMS320VC5509A集成一個雙通道10位的模數轉換(ADC)模塊。模數轉換器不能工作在連續模式下，DSP必須向ADC控制寄存器(ADCctl)的ADCstart位寫入1來初始化每次轉換。一旦轉換開始，DSP必須等到轉換完成才能選擇另外一個通道或者初始化另外一次新的轉換。ADC不會向DSP發出中斷信號，所以DSP只有通過查詢ADC數據寄存器(ADCdata)的ADCBusy位來獲取ADC的狀態。當轉換完成時，ADCBusy由1被置為0，表示轉換數據已經存放在數據寄存器ADCData中，然后DSP能夠從ADCData讀取數據。ADCData中也包含寄存器ADCctl中表示多路選擇器通道選擇值的ChSelect的值，所以DSP能夠鑒別是從哪個通道獲取的采樣值。

（2）外設控制和擴展芯片的選型

本系統的可編程邏輯器件需滿足上電即可工作，其作用是作為DSP外設控制和擴展的芯片，設計的組合邏輯比較多，因此首選CPLD。隨著大規模可編程器件的發展，采用DSP+CPLD結構的信號處理系統顯示出了優越性，該結構具有結構靈活，通用性較強，適于模塊化設計，易于維護和擴展。

可編程邏輯器件(CPLD)采用ALTERA公司的EPM570T100C5N來實現系統的接口邏輯。該邏輯器件采用FPGA結構，配置芯片集成在內部，和普通PLD一樣滿足上電即可工作。

（3）集成運放的選型

地震動傳感器需探測200m以內的運動車輛及20m以內人員腳步的信號，聲音傳感器需感應600m以內的車輛噪聲（探測距離與傳感器的靈敏度關系非常密切）。在如此遠距離情況下，由傳感器檢測得到的目標信號很微弱，通常只有毫伏級。如此小的信號必須先經過前置放大和預處理后才能進行采集處理。另外，信號放大處理電路功耗應盡量小。

由于原始信號極其微弱，很容易被噪聲所淹沒，為了能有效抑制干擾，設計選用美國TI公司生產的OPA4336運算放大器，它的內部集成了四個運算放大器，具有精度高、功耗低等特點。

（4）其他器件的選型

SDRAM選用HY57V641620ETP，FLASH選用S29AL800D；選用78M05（12V-5V電壓轉換芯片）作為輔助芯片。

DSP系統設計

DSP工作模塊設計

在此主要介紹硬件電路設計，通常是指以DSP為中心的外圍電路設計，包括前向通道（輸入數據通道）和后向通道（輸出數據通道），以及復位電路、電源設計等。DSP工作模塊原理如圖2所示。

圖2 DSP工作模塊原理框圖

DSP系統采用四節3V高效能電池串聯供電（供電電壓DC12V），采用78M05轉換出來的DC5V，再由TLV1117-3.3和TLV1117-ADJ穩壓芯片提供的3.3V與1.6V兩種電壓作為DSP的工作電壓，并用JTAG口硬件仿真并下載程序，SDRAM用于動態存儲采集到的數據，FLASH保存DSP運行程序，待復位后重新載入DSP內部RAM中運行，CPLD負責外圍器件的選擇控制。DSP通過16根數據線和14根地址線與SDRAM、FLASH、CPLD進行通信。DSP作為系統的核心，完成信號采集、過零數分析、短時能量分析、功率譜相似性識別算法等處理過程。

系統電源模塊設計

主系統額定輸入電壓DC12V，78M05（圖3中U22）轉換出DC5V（供無線通信模塊使用）再由TLV1117-3.3（圖3中U2）和TLV1117-ADJ（圖3中U1）轉換DC3.3V和DC1.6V供DSP系統使用，系統電源電路如圖3所示。

圖3 系統電源電路圖

由于本系統需要將采集到的信號做信號分析和變換等工作，對DSP的時鐘信號有較高的要求，因此采用12M有源晶振作為DSP系統工作時鐘源。DSP等各個芯片的濾波電容均放置于芯片的底層，一方面可以節省頂層布線空間，另一方面可以較好地濾除電源產生的毛刺等干擾信號。另外將10uF和0.1uF的電容交叉放置可以產生更好的濾波效果，系統晶振與DSP的濾波電容電路如圖4所示。

圖4 系統晶振和DSP的濾波電容電路圖

DSP與SDRAM和FLASH的接口電路設計

本系統硬件設計中涉及較多的DSP與存儲器的連接與訪問。TMS320VC5509A的外部存儲器接口除了對異步存儲器的支持以外，還提供對同步突發靜態存儲器(SBSRAM)和同步動態存儲器(SDRAM)的支持。異步存儲器可以是靜態隨機存儲器(SRAM)、閃存等存儲設備，也可以是A/D轉換器件、并行顯示設備等。DSP與SDRAM和FLASH的接口電路如圖5所示。