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(shù)字信號(hào)處理" title="數(shù)字信號(hào)處理">數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng),。該系統(tǒng)以高性能的TMS320VC5410" title="TMS320VC5410">TMS320VC5410為核心,輔以必要的外圍電路,實(shí)現(xiàn)了對(duì)加速度信號(hào)的高精度檢測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明,檢波器數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)在共振頻率以上有較好的頻率響應(yīng),輸入信號(hào)與輸出信號(hào)吻合較好。

　　關(guān)鍵詞: 三分量全光纖加速度檢波器  數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集  數(shù)字信號(hào)處理  TMS320VC5410

　　地震檢波器是地震勘探工作中不可或缺的設(shè)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(cè)范圍大、抗電磁干擾等諸多優(yōu)點(diǎn),是地震檢波器的發(fā)展方向,具有廣闊的應(yīng)用前景,。

　　三分量全光纖加速度檢波器具有并行,、實(shí)時(shí)、高分辨率,、高靈敏度及抗電磁干擾等諸多特點(diǎn)^[4],。其信號(hào)處理電路是三分量全光纖加速度檢波器中相當(dāng)重要的組成部分,信號(hào)處理電路性能的高低在很大程度上決定了整個(gè)檢波器系統(tǒng)性能的高低。

1 檢波器數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)工作原理

　　基于TMS320VC5410的三分量全光纖加速度檢波器數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的原理圖如圖1所示,。  

　　由于采用分立元件構(gòu)成的模擬信號(hào)處理電路在穩(wěn)定性,、靈活性、抗干擾能力上不如數(shù)字信號(hào)處理電路,因此本設(shè)計(jì)采用數(shù)字信號(hào)處理電路,。本數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)以TI公司的高性能數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320VC5410為核心,輔之以必要的外圍電路,實(shí)現(xiàn)了對(duì)加速度信號(hào)的高精度檢測(cè)和對(duì)誤差信號(hào)的精確補(bǔ)償,。本系統(tǒng)工作原理如下:首先,將三個(gè)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(hào)經(jīng)高精密放大器放大變成電壓信號(hào);然后,對(duì)三路電壓信號(hào)用帶通濾波器進(jìn)行抗混疊濾波后送入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào);接著,由TMS320VC5410芯片讀取模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行處理。TMS320VC5410的功能如下:一方面,對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解調(diào),、帶通濾波等運(yùn)算,得到待測(cè)加速度數(shù)字信號(hào);然后把此數(shù)字信號(hào)送到數(shù)/模轉(zhuǎn)換器,得到待測(cè)加速度模擬信號(hào),。另一方面,把解調(diào)得到的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、變換后,與信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)相加后送入數(shù)/模轉(zhuǎn)換器,再把數(shù)/模轉(zhuǎn)換器輸出的的模擬信號(hào)送入壓電陶瓷,以實(shí)現(xiàn)對(duì)光波相位進(jìn)行調(diào)制和反饋補(bǔ)償,。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　根據(jù)三分量全光纖加速度檢波器的功能要求,檢波器數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的硬件電路主要由運(yùn)放電路,、抗混疊濾波電路、數(shù)據(jù)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(jià)比代表的16位定點(diǎn)DSP芯片,TMS320VC5410適用于實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用場(chǎng)合。TMS320VC5410具有高度靈活的可操作性和高速信號(hào)處理能力,。特點(diǎn)^[2]如下:先進(jìn)的多總線結(jié)構(gòu)(一條程序總線,3條數(shù)據(jù)總線);40位算術(shù)邏輯運(yùn)算單元(ALU),包括1個(gè)40位桶形移位寄存器和兩個(gè)獨(dú)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(chǔ)單元;指數(shù)譯碼器;快速中斷返回;條件存儲(chǔ)指令;10ns的單周期定點(diǎn)指令執(zhí)行時(shí)間(100MIPS);片上RAM和ROM;片上多個(gè)外圍電路等,。所有這些特點(diǎn),都極大地提高了TMS320VC5410的數(shù)字信號(hào)處理能力,。

2.2 運(yùn)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(hào)非常微弱。為了便于AD電路進(jìn)行采樣,需經(jīng)過(guò)高精密運(yùn)算放大器進(jìn)行放大,。

　　本電路采用BB公司的高精密放大器OPA27GP,運(yùn)放電路圖如圖2所示,。

　　由光電二極管輸出的電流信號(hào)接到接頭J5,經(jīng)OPA27GP放大后從out端輸出電壓信號(hào)。放大倍數(shù)由RP4和R1決定,。R11,、RP1、R12起失調(diào)電壓調(diào)整作用,。

2.3 抗混疊濾波電路

　　從運(yùn)放電路圖out端輸出的信號(hào)在送入A/D電路進(jìn)行采樣時(shí),需經(jīng)過(guò)抗混疊濾波處理,這樣既可以防止在得到的數(shù)字信號(hào)中產(chǎn)生頻譜混疊,也濾除了一些不必要的干擾信號(hào),減少了數(shù)字信號(hào)處理軟件編寫的復(fù)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(guān)電容濾波器,。從運(yùn)放電路out端輸出的信號(hào)引入到本電路的in端,經(jīng)過(guò)低通濾波后從本電路out端輸出,。

2.4 電源電路

　　TMS320VC5410的內(nèi)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(yùn)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(zhuǎn)換電路需3.3V供電;故電源系統(tǒng)有5V,、-5V,、3.3V和2.5V四種電壓。電系統(tǒng)的±5V電壓由外部穩(wěn)壓電源供給,；3.3V和2.5V由系統(tǒng)內(nèi)部線性電壓調(diào)節(jié)器提供,采用TI公司的TPS767D301線性調(diào)壓電路芯片,能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,。

　　TPS767D301為雙輸出低漏電壓調(diào)整器,其特點(diǎn)如下:具有快速瞬態(tài)響應(yīng)功能;3.3V/2.5V可調(diào)電壓輸出;輸出電流范圍為0～1A;200ms延遲的雙通道上電復(fù)位;熱關(guān)斷保護(hù);超低靜態(tài)電流,典型值為80μA;關(guān)斷電流為1μA。

　　采用TPS767D301構(gòu)成的電源電路如圖4所示,。從外部穩(wěn)壓電源引入5V電壓,。+5V電壓一方面輸入給TPS767D301,經(jīng)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(tǒng)的運(yùn)放電路供電。

2.5 數(shù)據(jù)采集電路

　　本系統(tǒng)采用MAXIM公司的MAX115 A/D芯片,、MAX547 D/A芯片和TMS320VC5410芯片DSP構(gòu)成數(shù)據(jù)采集電路,如圖5所示,。

MAX115是2×4通道同時(shí)采樣的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,雙復(fù)用輸入的四通道同時(shí)采樣跟蹤保持放大器,每通道轉(zhuǎn)換時(shí)間為2μs,輸入電壓范圍為±5V,誤輸入保護(hù)為±17V,內(nèi)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(nèi)部時(shí)鐘為10MHz。

MAX547是八通道13位并行輸出的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器,雙緩沖數(shù)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(hào),由TMS320VC5410的定時(shí)器產(chǎn)生,起啟動(dòng)MAX115的作用,。a1、a2,、a3為三個(gè)抗混疊濾波電路輸出的待測(cè)模擬加速度調(diào)制信號(hào),它們作為MAX115的輸入采樣模擬信號(hào),。為系統(tǒng)復(fù)位信號(hào),由系統(tǒng)上電復(fù)位電路和看門狗電路產(chǎn)生,系統(tǒng)上電時(shí)它對(duì)MAX547進(jìn)行復(fù)位。out1,、out2,、out3為測(cè)得的加速度信號(hào)。f1,、f2,、f3為輸出反饋信號(hào),對(duì)三分量全光纖加速度檢波器起調(diào)制和誤差補(bǔ)償作用。

　　由于MAX115輸出信號(hào)的電平標(biāo)準(zhǔn)與TMS320VC5410的輸入信號(hào)電平標(biāo)準(zhǔn)不兼容,而且TMS320VC5410無(wú)過(guò)壓保護(hù)電路,故需要在其接口之間進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,。這里采用SN74LVC245在其之間進(jìn)行電平轉(zhuǎn)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(gè)外部8位或16位的EPROM加載;

　　(2)主機(jī)端口(HPI)加載;

　　(3)任何一個(gè)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(gè)外部16位的EPROM加載的方式,。利用ATMEL公司的EPROM AT27C1024和TMS320VC5410構(gòu)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(zhuǎn)換成TMS320VC5410能接收的電平,同時(shí)它還對(duì)TMS320VC5410起保護(hù)作用,。若去掉LVC16245,則會(huì)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(shè)計(jì)

　　軟件部分主要包括系統(tǒng)復(fù)位初始化模塊、A/D采樣控制模塊,、數(shù)據(jù)處理模塊,、D/A數(shù)據(jù)輸出控制模塊。限于篇幅,本文僅給出系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理的軟件流程圖,如圖7所示,。

4 系統(tǒng)調(diào)試

　　整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試包括三個(gè)部分:硬件調(diào)試,、軟件調(diào)試和總體調(diào)試,。這三部分調(diào)試都借助于TMS320VC5410的仿真器進(jìn)行調(diào)試。

4.1 硬件調(diào)試

　　硬件焊接完后,首先測(cè)試電壓是否正確;然后用示波器測(cè)試TMS320VC5410的CLKOUT引腳是否有信號(hào)輸出,并測(cè)試該信號(hào)的頻率,對(duì)照設(shè)定的CLKMD1,、CLKMD2,、CLKMD3,看頻率是否正確。之后,將仿真系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)連接,。運(yùn)行仿真系統(tǒng)軟件,看仿真系統(tǒng)能否正常運(yùn)行,。如正常,說(shuō)明TMS320VC5410部分的硬件正常,。接下來(lái)調(diào)試TMS320VC5410的外圍硬件,。調(diào)試方法是針對(duì)不同的外圍硬件,編寫相應(yīng)的小程序來(lái)讓該硬件運(yùn)行,以驗(yàn)證硬件功能正常與否。

4.2 軟件調(diào)試

　　在硬件調(diào)試完成以后,就可以根據(jù)設(shè)計(jì)的要求編寫系統(tǒng)的功能模塊軟件,。編寫完畢后就可在仿真器上調(diào)試該軟件,。在調(diào)試的過(guò)程中邊發(fā)現(xiàn)問(wèn)題邊修改,直到所編寫的模塊軟件能正常完成設(shè)計(jì)的要求為止。

4.3 總體調(diào)試

　　總體調(diào)試包括系統(tǒng)的初始化,、軟硬件的聯(lián)合調(diào)試等,。系統(tǒng)初始化包括:中斷矢量的重定位;工作時(shí)鐘的設(shè)置;等待狀態(tài)數(shù)的設(shè)置;中斷設(shè)置;ST0、ST1初始化等,。軟硬件聯(lián)合調(diào)試即將所有程序綜合在一起,利用仿真器對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試,。調(diào)試完畢后,把程序燒入EPROM,系統(tǒng)就可獨(dú)立運(yùn)行了。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

　　在丹麥產(chǎn)的PM Vibration Exciter 4808型振動(dòng)臺(tái)上對(duì)三分量全光纖加速度檢波器數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試,。在檢波器共振頻率以上,三分量全光纖加速度檢波器數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的輸出信號(hào)與振動(dòng)臺(tái)信號(hào)一致,能較好地反映實(shí)測(cè)信號(hào)的特性,。這說(shuō)明數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功。在檢波器共振頻率以下,檢波器數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的輸出信號(hào)雖然也對(duì)振動(dòng)臺(tái)的輸入作出了響應(yīng),但失真比較嚴(yán)重,曲線不理想,。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,這與數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)無(wú)關(guān),而與檢波器傳感部分有關(guān),。這說(shuō)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(kuò)展檢波器工作頻帶范圍,就應(yīng)盡量降低其共振頻率,。

參考文獻(xiàn)

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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(shè)計(jì).光電子·激光,2002；13(1)