摘 要: 介紹了用于地震勘探工作中的三分量全光纖加速度檢波器" title="三分量全光纖加速度檢波器">三分量全光纖加速度檢波器數字信號處理" title="數字信號處理">數字信號處理系統。該系統以高性能的TMS320VC5410" title="TMS320VC5410">TMS320VC5410為核心,輔以必要的外圍電路,實現了對加速度信號的高精度檢測。測試結果表明,檢波器數字信號處理系統在共振頻率以上有較好的頻率響應,輸入信號與輸出信號吻合較好。
關鍵詞: 三分量全光纖加速度檢波器 數據采集" title="數據采集">數據采集 數字信號處理 TMS320VC5410
地震檢波器是地震勘探工作中不可或缺的設備。三分量全光纖加速度檢波器[3]相比于其它類型的地震檢波器而言,具有靈敏度高、檢測范圍大、抗電磁干擾等諸多優點,是地震檢波器的發展方向,具有廣闊的應用前景。
三分量全光纖加速度檢波器具有并行、實時、高分辨率、高靈敏度及抗電磁干擾等諸多特點[4]。其信號處理電路是三分量全光纖加速度檢波器中相當重要的組成部分,信號處理電路性能的高低在很大程度上決定了整個檢波器系統性能的高低。
1 檢波器數字信號處理系統工作原理
基于TMS320VC5410的三分量全光纖加速度檢波器數字信號處理系統的原理圖如圖1所示。
由于采用分立元件構成的模擬信號處理電路在穩定性、靈活性、抗干擾能力上不如數字信號處理電路,因此本設計采用數字信號處理電路。本數字信號處理系統以TI公司的高性能數字信號處理芯片TMS320VC5410為核心,輔之以必要的外圍電路,實現了對加速度信號的高精度檢測和對誤差信號的精確補償。本系統工作原理如下:首先,將三個從三分量全光纖加速度檢波器中的光電二極管輸出的電流信號經高精密放大器放大變成電壓信號;然后,對三路電壓信號用帶通濾波器進行抗混疊濾波后送入模/數轉換器,將模擬電壓信號轉換成數字信號;接著,由TMS320VC5410芯片讀取模/數轉換器輸出的數字信號并進行處理。TMS320VC5410的功能如下:一方面,對輸入的數字信號進行解調、帶通濾波等運算,得到待測加速度數字信號;然后把此數字信號送到數/模轉換器,得到待測加速度模擬信號。另一方面,把解調得到的數字信號經過濾波、變換后,與信號發生器產生的信號相加后送入數/模轉換器,再把數/模轉換器輸出的的模擬信號送入壓電陶瓷,以實現對光波相位進行調制和反饋補償。
2 硬件電路設計
根據三分量全光纖加速度檢波器的功能要求,檢波器數字信號處理系統的硬件電路主要由運放電路、抗混疊濾波電路、數據采集電路、電源電路和DSP自舉加載電路等五部分組成。
2.1 TMS320VC5410芯片
作為DSP家族高性價比代表的16位定點DSP芯片,TMS320VC5410適用于實時數字信號處理應用場合。TMS320VC5410具有高度靈活的可操作性和高速信號處理能力。特點[2]如下:先進的多總線結構(一條程序總線,3條數據總線);40位算術邏輯運算單元(ALU),包括1個40位桶形移位寄存器和兩個獨立的40位累加器;17位×17位并行乘法器和40位專用加法器;雙地址生成器;比較、選擇、存儲單元;指數譯碼器;快速中斷返回;條件存儲指令;10ns的單周期定點指令執行時間(100MIPS);片上RAM和ROM;片上多個外圍電路等。所有這些特點,都極大地提高了TMS320VC5410的數字信號處理能力。
2.2 運放電路
由三分量全光纖加速度檢波器中的光電二極管輸出的電流信號非常微弱。為了便于AD電路進行采樣,需經過高精密運算放大器進行放大。
本電路采用BB公司的高精密放大器OPA27GP,運放電路圖如圖2所示。
由光電二極管輸出的電流信號接到接頭J5,經OPA27GP放大后從out端輸出電壓信號。放大倍數由RP4和R1決定。R11、RP1、R12起失調電壓調整作用。
2.3 抗混疊濾波電路
從運放電路圖out端輸出的信號在送入A/D電路進行采樣時,需經過抗混疊濾波處理,這樣既可以防止在得到的數字信號中產生頻譜混疊,也濾除了一些不必要的干擾信號,減少了數字信號處理軟件編寫的復雜度和工作量。
本電路采用MAXIM公司的低通濾波器MAX7401,抗混疊濾波電路圖如圖3所示。MAX7401為8階低通貝塞爾開關電容濾波器。從運放電路out端輸出的信號引入到本電路的in端,經過低通濾波后從本電路out端輸出。
2.4 電源電路
TMS320VC5410的內核電壓典型值為2.5V,電壓范圍為2.3～2.7V;外部接口電壓典型值為3.3V,電壓范圍為3.0～3.6V。另外運放電路需±5V供電;A/D、D/A、EPROM、抗混疊濾波電路及一些門電路需5V供電;電平轉換電路需3.3V供電;故電源系統有5V、-5V、3.3V和2.5V四種電壓。電系統的±5V電壓由外部穩壓電源供給；3.3V和2.5V由系統內部線性電壓調節器提供,采用TI公司的TPS767D301線性調壓電路芯片,能滿足系統設計要求。
TPS767D301為雙輸出低漏電壓調整器,其特點如下:具有快速瞬態響應功能;3.3V/2.5V可調電壓輸出;輸出電流范圍為0～1A;200ms延遲的雙通道上電復位;熱關斷保護;超低靜態電流,典型值為80μA;關斷電流為1μA。
采用TPS767D301構成的電源電路如圖4所示。從外部穩壓電源引入5V電壓。+5V電壓一方面輸入給TPS767D301,經TPS767D301后輸出電壓2.5V和3.3V;另一方面還給A/D、D/A、EPROM、抗混疊濾波電路及一些門電路供電。-5V電壓給系統的運放電路供電。
2.5 數據采集電路
本系統采用MAXIM公司的MAX115 A/D芯片、MAX547 D/A芯片和TMS320VC5410芯片DSP構成數據采集電路,如圖5所示。
MAX115是2×4通道同時采樣的模/數轉換器,雙復用輸入的四通道同時采樣跟蹤保持放大器,每通道轉換時間為2μs,輸入電壓范圍為±5V,誤輸入保護為±17V,內部參考電壓為2.5V或用外部參考電壓,具有高速并行DSP接口,內部時鐘為10MHz。
MAX547是八通道13位并行輸出的數/模轉換器,雙緩沖數字輸入,緩沖電壓輸出,校正線性,快速輸出建立,兼容微處理器和TTL/CMOS,5V電源供電。
CLK為周期脈沖信號,由TMS320VC5410的定時器產生,起啟動MAX115的作用。a1、a2、a3為三個抗混疊濾波電路輸出的待測模擬加速度調制信號,它們作為MAX115的輸入采樣模擬信號。
為系統復位信號,由系統上電復位電路和看門狗電路產生,系統上電時它對MAX547進行復位。out1、out2、out3為測得的加速度信號。f1、f2、f3為輸出反饋信號,對三分量全光纖加速度檢波器起調制和誤差補償作用。
由于MAX115輸出信號的電平標準與TMS320VC5410的輸入信號電平標準不兼容,而且TMS320VC5410無過壓保護電路,故需要在其接口之間進行電平轉換。這里采用SN74LVC245在其之間進行電平轉換。電路連接如圖5所示。
2.6 DSP自舉加載電路
TI公司5000系列的自舉加載方式[1]有:
(1)從一個外部8位或16位的EPROM加載;
(2)主機端口(HPI)加載;
(3)任何一個串行口加載;
(4)8位或16位I/O口加載;
(5)從用戶定義的地址熱自舉。
本電路采用從一個外部16位的EPROM加載的方式。利用ATMEL公司的EPROM AT27C1024和TMS320VC5410構成自舉電路,如圖6所示。圖中LVC16245的作用是將AT27C1024輸出的TTL電平轉換成TMS320VC5410能接收的電平,同時它還對TMS320VC5410起保護作用。若去掉LVC16245,則會損壞TMS320VC5410。
74F04將AT27C1024的地址定為8000H～FFFFH。LVC16245的1DIR、2DIR均接DSP的R/
端。LVC16245的1
、2
和AT27C1024的
端接74F32的輸出端。AT27C1024的
端接地。
3 軟件設計
軟件部分主要包括系統復位初始化模塊、A/D采樣控制模塊、數據處理模塊、D/A數據輸出控制模塊。限于篇幅,本文僅給出系統數字信號處理的軟件流程圖,如圖7所示。
4 系統調試
整個系統的調試包括三個部分:硬件調試、軟件調試和總體調試。這三部分調試都借助于TMS320VC5410的仿真器進行調試。
4.1 硬件調試
硬件焊接完后,首先測試電壓是否正確;然后用示波器測試TMS320VC5410的CLKOUT引腳是否有信號輸出,并測試該信號的頻率,對照設定的CLKMD1、CLKMD2、CLKMD3,看頻率是否正確。之后,將仿真系統與硬件系統連接。運行仿真系統軟件,看仿真系統能否正常運行。如正常,說明TMS320VC5410部分的硬件正常。接下來調試TMS320VC5410的外圍硬件。調試方法是針對不同的外圍硬件,編寫相應的小程序來讓該硬件運行,以驗證硬件功能正常與否。
4.2 軟件調試
在硬件調試完成以后,就可以根據設計的要求編寫系統的功能模塊軟件。編寫完畢后就可在仿真器上調試該軟件。在調試的過程中邊發現問題邊修改,直到所編寫的模塊軟件能正常完成設計的要求為止。
4.3 總體調試
總體調試包括系統的初始化、軟硬件的聯合調試等。系統初始化包括:中斷矢量的重定位;工作時鐘的設置;等待狀態數的設置;中斷設置;ST0、ST1初始化等。軟硬件聯合調試即將所有程序綜合在一起,利用仿真器對硬件系統進行調試。調試完畢后,把程序燒入EPROM,系統就可獨立運行了。
5 實驗結果與討論
在丹麥產的PM Vibration Exciter 4808型振動臺上對三分量全光纖加速度檢波器數字信號處理系統進行了測試。在檢波器共振頻率以上,三分量全光纖加速度檢波器數字信號處理系統的輸出信號與振動臺信號一致,能較好地反映實測信號的特性。這說明數字信號處理系統設計成功。在檢波器共振頻率以下,檢波器數字信號處理系統的輸出信號雖然也對振動臺的輸入作出了響應,但失真比較嚴重,曲線不理想。經實驗證明,這與數字信號處理系統無關,而與檢波器傳感部分有關。這說明檢波器適合的工作頻帶為其共振頻率以上的頻段。要想擴展檢波器工作頻帶范圍,就應盡量降低其共振頻率。
參考文獻
1 戴明楨,周建江.TMS320C54X DSP 結構、原理及應用.北京:北京航空航天大學出版社,2001
2 TMS 320 C54X DSP Reference Set,Volume 4：Applications Guide (literature number SPRU173). Texas Instruments Inc.1996
3 R.D. Pechstedt and D.A. Jackson. Design of Acompliant cylinder-type Fiber-optic Accelerometer：Theory and Experiment,Applied Optics. P3009, Jun. 1995;34(16)
4 丁桂蘭,劉振富,陳才和,張德龍,崔宇明.三分量全光纖加速度地震檢波器的設計.光電子·激光,2002；13(1)