摘 要: 介绍了用于地震勘探工作中的三分量全光纤加速度检波器" title="三分量全光纤加速度检波器">三分量全光纤加速度检波器数字信号处理" title="数字信号处理">数字信号处理系统。该系统以高性能的TMS320VC5410" title="TMS320VC5410">TMS320VC5410为核心,辅以必要的外围电路,实现了对加速度信号的高精度检测。测试结果表明,检波器数字信号处理系统在共振频率以上有较好的频率响应,输入信号与输出信号吻合较好。
关键词: 三分量全光纤加速度检波器 数据采集" title="数据采集">数据采集 数字信号处理 TMS320VC5410
地震检波器是地震勘探工作中不可或缺的设备。三分量全光纤加速度检波器[3]相比于其它类型的地震检波器而言,具有灵敏度高、检测范围大、抗电磁干扰等诸多优点,是地震检波器的发展方向,具有广阔的应用前景。
三分量全光纤加速度检波器具有并行、实时、高分辨率、高灵敏度及抗电磁干扰等诸多特点[4]。其信号处理电路是三分量全光纤加速度检波器中相当重要的组成部分,信号处理电路性能的高低在很大程度上决定了整个检波器系统性能的高低。
1 检波器数字信号处理系统工作原理
基于TMS320VC5410的三分量全光纤加速度检波器数字信号处理系统的原理图如图1所示。
由于采用分立元件构成的模拟信号处理电路在稳定性、灵活性、抗干扰能力上不如数字信号处理电路,因此本设计采用数字信号处理电路。本数字信号处理系统以TI公司的高性能数字信号处理芯片TMS320VC5410为核心,辅之以必要的外围电路,实现了对加速度信号的高精度检测和对误差信号的精确补偿。本系统工作原理如下:首先,将三个从三分量全光纤加速度检波器中的光电二极管输出的电流信号经高精密放大器放大变成电压信号;然后,对三路电压信号用带通滤波器进行抗混叠滤波后送入模/数转换器,将模拟电压信号转换成数字信号;接着,由TMS320VC5410芯片读取模/数转换器输出的数字信号并进行处理。TMS320VC5410的功能如下:一方面,对输入的数字信号进行解调、带通滤波等运算,得到待测加速度数字信号;然后把此数字信号送到数/模转换器,得到待测加速度模拟信号。另一方面,把解调得到的数字信号经过滤波、变换后,与信号发生器产生的信号相加后送入数/模转换器,再把数/模转换器输出的的模拟信号送入压电陶瓷,以实现对光波相位进行调制和反馈补偿。
2 硬件电路设计
根据三分量全光纤加速度检波器的功能要求,检波器数字信号处理系统的硬件电路主要由运放电路、抗混叠滤波电路、数据采集电路、电源电路和DSP自举加载电路等五部分组成。
2.1 TMS320VC5410芯片
作为DSP家族高性价比代表的16位定点DSP芯片,TMS320VC5410适用于实时数字信号处理应用场合。TMS320VC5410具有高度灵活的可操作性和高速信号处理能力。特点[2]如下:先进的多总线结构(一条程序总线,3条数据总线);40位算术逻辑运算单元(ALU),包括1个40位桶形移位寄存器和两个独立的40位累加器;17位×17位并行乘法器和40位专用加法器;双地址生成器;比较、选择、存储单元;指数译码器;快速中断返回;条件存储指令;10ns的单周期定点指令执行时间(100MIPS);片上RAM和ROM;片上多个外围电路等。所有这些特点,都极大地提高了TMS320VC5410的数字信号处理能力。
2.2 运放电路
由三分量全光纤加速度检波器中的光电二极管输出的电流信号非常微弱。为了便于AD电路进行采样,需经过高精密运算放大器进行放大。
本电路采用BB公司的高精密放大器OPA27GP,运放电路图如图2所示。
由光电二极管输出的电流信号接到接头J5,经OPA27GP放大后从out端输出电压信号。放大倍数由RP4和R1决定。R11、RP1、R12起失调电压调整作用。
2.3 抗混叠滤波电路
从运放电路图out端输出的信号在送入A/D电路进行采样时,需经过抗混叠滤波处理,这样既可以防止在得到的数字信号中产生频谱混叠,也滤除了一些不必要的干扰信号,减少了数字信号处理软件编写的复杂度和工作量。
本电路采用MAXIM公司的低通滤波器MAX7401,抗混叠滤波电路图如图3所示。MAX7401为8阶低通贝塞尔开关电容滤波器。从运放电路out端输出的信号引入到本电路的in端,经过低通滤波后从本电路out端输出。
2.4 电源电路
TMS320VC5410的内核电压典型值为2.5V,电压范围为2.3～2.7V;外部接口电压典型值为3.3V,电压范围为3.0～3.6V。另外运放电路需±5V供电;A/D、D/A、EPROM、抗混叠滤波电路及一些门电路需5V供电;电平转换电路需3.3V供电;故电源系统有5V、-5V、3.3V和2.5V四种电压。电系统的±5V电压由外部稳压电源供给；3.3V和2.5V由系统内部线性电压调节器提供,采用TI公司的TPS767D301线性调压电路芯片,能满足系统设计要求。
TPS767D301为双输出低漏电压调整器,其特点如下:具有快速瞬态响应功能;3.3V/2.5V可调电压输出;输出电流范围为0～1A;200ms延迟的双通道上电复位;热关断保护;超低静态电流,典型值为80μA;关断电流为1μA。
采用TPS767D301构成的电源电路如图4所示。从外部稳压电源引入5V电压。+5V电压一方面输入给TPS767D301,经TPS767D301后输出电压2.5V和3.3V;另一方面还给A/D、D/A、EPROM、抗混叠滤波电路及一些门电路供电。-5V电压给系统的运放电路供电。
2.5 数据采集电路
本系统采用MAXIM公司的MAX115 A/D芯片、MAX547 D/A芯片和TMS320VC5410芯片DSP构成数据采集电路,如图5所示。
MAX115是2×4通道同时采样的模/数转换器,双复用输入的四通道同时采样跟踪保持放大器,每通道转换时间为2μs,输入电压范围为±5V,误输入保护为±17V,内部参考电压为2.5V或用外部参考电压,具有高速并行DSP接口,内部时钟为10MHz。
MAX547是八通道13位并行输出的数/模转换器,双缓冲数字输入,缓冲电压输出,校正线性,快速输出建立,兼容微处理器和TTL/CMOS,5V电源供电。
CLK为周期脉冲信号,由TMS320VC5410的定时器产生,起启动MAX115的作用。a1、a2、a3为三个抗混叠滤波电路输出的待测模拟加速度调制信号,它们作为MAX115的输入采样模拟信号。
为系统复位信号,由系统上电复位电路和看门狗电路产生,系统上电时它对MAX547进行复位。out1、out2、out3为测得的加速度信号。f1、f2、f3为输出反馈信号,对三分量全光纤加速度检波器起调制和误差补偿作用。
由于MAX115输出信号的电平标准与TMS320VC5410的输入信号电平标准不兼容,而且TMS320VC5410无过压保护电路,故需要在其接口之间进行电平转换。这里采用SN74LVC245在其之间进行电平转换。电路连接如图5所示。
2.6 DSP自举加载电路
TI公司5000系列的自举加载方式[1]有:
(1)从一个外部8位或16位的EPROM加载;
(2)主机端口(HPI)加载;
(3)任何一个串行口加载;
(4)8位或16位I/O口加载;
(5)从用户定义的地址热自举。
本电路采用从一个外部16位的EPROM加载的方式。利用ATMEL公司的EPROM AT27C1024和TMS320VC5410构成自举电路,如图6所示。图中LVC16245的作用是将AT27C1024输出的TTL电平转换成TMS320VC5410能接收的电平,同时它还对TMS320VC5410起保护作用。若去掉LVC16245,则会损坏TMS320VC5410。
74F04将AT27C1024的地址定为8000H～FFFFH。LVC16245的1DIR、2DIR均接DSP的R/
端。LVC16245的1
、2
和AT27C1024的
端接74F32的输出端。AT27C1024的
端接地。
3 软件设计
软件部分主要包括系统复位初始化模块、A/D采样控制模块、数据处理模块、D/A数据输出控制模块。限于篇幅,本文仅给出系统数字信号处理的软件流程图,如图7所示。
4 系统调试
整个系统的调试包括三个部分:硬件调试、软件调试和总体调试。这三部分调试都借助于TMS320VC5410的仿真器进行调试。
4.1 硬件调试
硬件焊接完后,首先测试电压是否正确;然后用示波器测试TMS320VC5410的CLKOUT引脚是否有信号输出,并测试该信号的频率,对照设定的CLKMD1、CLKMD2、CLKMD3,看频率是否正确。之后,将仿真系统与硬件系统连接。运行仿真系统软件,看仿真系统能否正常运行。如正常,说明TMS320VC5410部分的硬件正常。接下来调试TMS320VC5410的外围硬件。调试方法是针对不同的外围硬件,编写相应的小程序来让该硬件运行,以验证硬件功能正常与否。
4.2 软件调试
在硬件调试完成以后,就可以根据设计的要求编写系统的功能模块软件。编写完毕后就可在仿真器上调试该软件。在调试的过程中边发现问题边修改,直到所编写的模块软件能正常完成设计的要求为止。
4.3 总体调试
总体调试包括系统的初始化、软硬件的联合调试等。系统初始化包括:中断矢量的重定位;工作时钟的设置;等待状态数的设置;中断设置;ST0、ST1初始化等。软硬件联合调试即将所有程序综合在一起,利用仿真器对硬件系统进行调试。调试完毕后,把程序烧入EPROM,系统就可独立运行了。
5 实验结果与讨论
在丹麦产的PM Vibration Exciter 4808型振动台上对三分量全光纤加速度检波器数字信号处理系统进行了测试。在检波器共振频率以上,三分量全光纤加速度检波器数字信号处理系统的输出信号与振动台信号一致,能较好地反映实测信号的特性。这说明数字信号处理系统设计成功。在检波器共振频率以下,检波器数字信号处理系统的输出信号虽然也对振动台的输入作出了响应,但失真比较严重,曲线不理想。经实验证明,这与数字信号处理系统无关,而与检波器传感部分有关。这说明检波器适合的工作频带为其共振频率以上的频段。要想扩展检波器工作频带范围,就应尽量降低其共振频率。
参考文献
1 戴明桢,周建江.TMS320C54X DSP 结构、原理及应用.北京:北京航空航天大学出版社,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 丁桂兰,刘振富,陈才和,张德龙,崔宇明.三分量全光纤加速度地震检波器的设计.光电子·激光,2002；13(1)