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基于DSP與FPGA的光柵地震檢波器的信號(hào)處理

作者:天津科技大學(xué) 李淑清 李維斌  來(lái)源:?jiǎn)纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)  發(fā)布時(shí)間:2010-1-20 11:26:15  [收 藏] [評(píng) 論]

基于DSP與FPGA的光柵地震檢波器的信號(hào)處理

0 引 言

  在石油地震勘探中,地震儀通過(guò)地震檢波器采集信號(hào)。地震檢波器是為了接收和記錄地震波而設(shè)計(jì)的一種精密的機(jī)械、電子組合裝置,是地震勘探數(shù)據(jù)采集中的重要環(huán)節(jié),其性能好壞直接影響地震記錄質(zhì)量和地震資料的解釋工作。光柵傳感技術(shù)的發(fā)展為檢波器的設(shè)計(jì)提供了有力的手段。其光柵信號(hào)處理技術(shù)仍局限于低速度的信號(hào)處理,雖然測(cè)量精度較高,但其動(dòng)態(tài)特性難以滿足振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)等高速變化信號(hào)的處理要求,本文設(shè)計(jì)了一種利用DSP與FPGA結(jié)合的光柵振動(dòng)信號(hào)處理系統(tǒng),它主要完成對(duì)光柵震動(dòng)傳感器輸出的兩路正交的正弦波信號(hào)的采集、計(jì)數(shù)、高倍細(xì)分等,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)快速的振動(dòng)信號(hào)的復(fù)現(xiàn)。

  1 光柵地震檢波器的工作原理

  光柵地震檢波器主要由光源(白光或單色光)、準(zhǔn)直鏡、光電池、指示光柵(副光柵)、光柵諧振子(主光柵)組成。光柵諧振子(主光柵)為檢波器的可動(dòng)部分,由上彈簧片和下彈簧片支撐。工作時(shí),檢波器外殼通過(guò)檢波器尾釘與大地連接并固定,當(dāng)大地受到震源激發(fā)后,地震波傳至地面引起地面震動(dòng),檢波器外殼也隨之震動(dòng)。而光柵振子由于彈簧片的彈性和本身的慣性,有保持絕對(duì)不動(dòng)的趨勢(shì),從而產(chǎn)生了光柵振子與外殼的相對(duì)運(yùn)動(dòng),也就是說(shuō)光柵副中的主光柵與裂向式指示光柵之間產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)。兩塊疊放在一起的光柵具有了相對(duì)運(yùn)動(dòng)也就會(huì)產(chǎn)生與之相對(duì)應(yīng)的莫爾條紋,從而在相位差為90°的四個(gè)光電池上產(chǎn)生莫爾條紋的變化,于是光信號(hào)被轉(zhuǎn)化為電信號(hào),再經(jīng)差分放大后形成兩路相位相差90°的正弦或余弦波信號(hào)。

  2 光柵震動(dòng)信號(hào)的同步采集

  要保證整個(gè)系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)復(fù)現(xiàn),關(guān)鍵是要保證對(duì)兩路模擬正弦波的同步采集。若使用DSP直接控制多通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,由于編程語(yǔ)言的順序結(jié)構(gòu)和單個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器不能同時(shí)采樣保持的限制,對(duì)于多路信號(hào)的采集只能分時(shí)多通道順序采集,這樣對(duì)同一點(diǎn)的兩路模擬波的采集肯定會(huì)產(chǎn)生相位差,這樣對(duì)復(fù)現(xiàn)出來(lái)的原振動(dòng)信號(hào)會(huì)造成相當(dāng)大的失真。但是由于FPGA的編程語(yǔ)言VHDL執(zhí)行時(shí)是并發(fā)執(zhí)行的,并不受到它們?cè)谥鹘Y(jié)構(gòu)中的編寫順序的影響。根據(jù)上述特點(diǎn),對(duì)于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以分成三個(gè)并行進(jìn)程,分別是2個(gè)光柵信號(hào)采集的進(jìn)程和一個(gè)加減計(jì)數(shù)器的進(jìn)程。

  AD轉(zhuǎn)換器選用的是LINEAR公司生產(chǎn)的LTC1606,該器件是具有采樣保持功能的16位250kHzADC。該ADC分辨率高,采樣速率高、功耗小,可在高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

  光柵振動(dòng)莫爾條紋的信號(hào)采集采用成直線排列的相位差為90°的四個(gè)光電池,分別記為1、2、3和4,如圖1所示。它們接收由被測(cè)振動(dòng)信號(hào)調(diào)制的莫爾條紋,并通過(guò)差動(dòng)放大器、整形濾波器輸出兩路正交的正弦信號(hào)。這兩路信號(hào)分成兩組,其中一組經(jīng)過(guò)鑒零比較電路轉(zhuǎn)換成方波送入辨向電路為FPGA中加減計(jì)數(shù)器提供計(jì)數(shù)累加值和辨向信號(hào)。另一組則直接將放大的模擬電壓信號(hào)送入兩路AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并存入FPGA。在FPGA中開(kāi)辟3個(gè)雙口RAM存儲(chǔ)器用來(lái)順序存放每一點(diǎn)的整周期計(jì)數(shù)值和兩路波形的數(shù)字量,為DSP進(jìn)行高倍細(xì)分提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

同步采集原理圖

  2.1 雙口RAM的設(shè)計(jì)

  雙口RAM是常見(jiàn)的共享式多端口存儲(chǔ)器,雙口RAM最大的特點(diǎn)是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)共享。一個(gè)存儲(chǔ)器配備兩套獨(dú)立的地址、數(shù)據(jù)和控制線,允許兩個(gè)獨(dú)立的CPU或控制器同時(shí)異步地訪問(wèn)存儲(chǔ)單元。由于硬件雙口RAM接口時(shí)序復(fù)雜,成本高也會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)不穩(wěn)定性,因此本文在FPGA中設(shè)計(jì)了一軟RAM,用來(lái)緩沖數(shù)據(jù)采集與處理之間產(chǎn)生的異步時(shí)差。

  其工作原理如圖2所示,所設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)空間為3個(gè)16字容量的雙口RAM,當(dāng)信號(hào)采集部分向新地址寫入每一個(gè)振動(dòng)點(diǎn)的三個(gè)信息量時(shí)(圖中所示地址為15),信號(hào)處理部分則讀取先前振動(dòng)點(diǎn)的三個(gè)信息量進(jìn)行細(xì)分等處理(圖中所示地址為0),當(dāng)雙口RAM寫滿數(shù)據(jù)后,寫地址指針又會(huì)重新定位到首地址寫入新的數(shù)據(jù),這種緩存結(jié)構(gòu)的設(shè)立不會(huì)丟失信息點(diǎn),保證了還原信號(hào)的連續(xù)性和可靠性,雖然還原信號(hào)滯后源信號(hào)3到4個(gè)字的時(shí)間,但保證了每一個(gè)點(diǎn)三個(gè)信息量的同步性,這是C語(yǔ)言等順序結(jié)構(gòu)語(yǔ)言所無(wú)法達(dá)到的。

雙口RAM工作原理圖

  2.2 雙口RAM的流程圖設(shè)計(jì)

  首先是定義實(shí)體與外部端口,包括時(shí)鐘、輸入輸出、讀寫地址端口。它們的作用分別是:

  1)時(shí)鐘端口:利用時(shí)鐘的脈沖邊沿來(lái)觸發(fā)讀寫進(jìn)程,使得新舊數(shù)據(jù)在雙口RAM中交替進(jìn)出。

  2)輸入輸出端口:分別為16位的位矢量類型,用來(lái)保證與16位AD和DSP的數(shù)據(jù)格式匹配。

  3)讀寫地址端口:2位的位矢量類型,用來(lái)設(shè)置16位字的存儲(chǔ)器容量,并在讀寫RAM操作時(shí)提供地址選址信號(hào)。

  其次是定義結(jié)構(gòu)體,包括定義內(nèi)部緩沖地址信號(hào),并定義了一個(gè)容量為16字的Mem(存儲(chǔ)器類型)型變量。

  最后是并發(fā)進(jìn)程的定義,包括寫進(jìn)程和讀進(jìn)程的定義,以時(shí)鐘的脈沖信號(hào)作為敏感信號(hào)來(lái)觸發(fā)進(jìn)程的啟動(dòng),每一個(gè)時(shí)鐘周期完成一次對(duì)RAM的讀寫,其中時(shí)鐘頻率由FPGA根據(jù)AD的采樣速度和DSP的處理速度來(lái)設(shè)定,要保證當(dāng)采集信號(hào)寫入尾地址的時(shí)刻,至少要保證首地址已經(jīng)被DSP所讀取。圖3為雙口RAM程序流程圖。

雙口RAM程序流程圖

  2.3 雙口RAM的仿真結(jié)果

  圖4為該進(jìn)程的仿真時(shí)序圖,由圖可見(jiàn)第一個(gè)時(shí)鐘的上升沿?cái)?shù)據(jù)輸入端口data_in的值為4,這時(shí)寫選通端口write_address選通地址1,然后對(duì)應(yīng)著地址1的存儲(chǔ)器模塊ram_block1的內(nèi)的值在此刻刷新為4,這說(shuō)明寫進(jìn)程正確。同時(shí)應(yīng)注意到讀地址選通信號(hào)read_address的值被傳遞到讀地址寄存器read_address_reg中,read_address_reg中的值被刷新為1。當(dāng)?shù)谝粋(gè)時(shí)鐘的下降沿到來(lái)時(shí),信號(hào)輸出端口data_out根據(jù)讀地址寄存器read_address_reg中的地址值1選通ram_block1,此時(shí)data_out的值刷新為4,這說(shuō)明讀進(jìn)程也正確。

進(jìn)程的仿真時(shí)序圖

  3 DSP的軟件細(xì)分

  采用大數(shù)可逆計(jì)數(shù)與小數(shù)細(xì)分計(jì)數(shù)的軟件細(xì)分技術(shù)。其中大數(shù)計(jì)數(shù)是對(duì)莫爾條紋整周期數(shù)進(jìn)行可逆的加減計(jì)數(shù),這部分功能有采集模塊中的FPGA來(lái)完成,小數(shù)計(jì)數(shù)是對(duì)莫爾條紋不到一個(gè)周期信號(hào)細(xì)分結(jié)果進(jìn)行計(jì)數(shù),其功能由DSP來(lái)完成。運(yùn)算的結(jié)果為大數(shù)計(jì)數(shù)結(jié)果乘以光柵柵距與小數(shù)計(jì)數(shù)結(jié)果乘以細(xì)分當(dāng)量之和,其中細(xì)分當(dāng)量為光柵柵距除以細(xì)分倍數(shù)。該模塊的硬件原理圖如圖5所示。

模塊的硬件原理圖

  通過(guò)DSP的地址選通線依次選通讀取FPGA中三個(gè)數(shù)據(jù)緩存區(qū)中的數(shù)據(jù),緩存區(qū)分別存放兩路模擬信號(hào)的數(shù)字量與加減計(jì)數(shù)器的累加計(jì)數(shù)值,然后利用公式R=N*w+K*L求出任意一點(diǎn)諧振子的幅值并輸出。式中N為整周期的累加計(jì)數(shù)值,W為光柵柵距,K為細(xì)分計(jì)數(shù),L=W/M,M為細(xì)分倍數(shù)。該細(xì)分模塊主要是完成對(duì)細(xì)分計(jì)數(shù)K值、和幅值R值的求取,并完成對(duì)幅值的數(shù)字量轉(zhuǎn)換并輸出。

  其中細(xì)分方法也就是對(duì)K值的求取采用了八卦限幅值分割法,根據(jù)上述方法設(shè)計(jì)了細(xì)分倍數(shù)可變的細(xì)分算法,利用DSP C語(yǔ)言的專用庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)了純計(jì)算的算法。細(xì)分算法流程如圖6所示。

細(xì)分算法流程

  由幅值細(xì)分法可知,軟件細(xì)分算法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題是根據(jù)兩路信號(hào)的比值對(duì)該點(diǎn)的相位角的正確定位。該點(diǎn)的位置有兩種情況,一種是落在各象限的邊界上,另一種是落在各象限之中。根據(jù)細(xì)分邊界條件判斷該點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)是否發(fā)生在四個(gè)象限的分界線上,如果判斷此次換向發(fā)生在象限的分界線上,則細(xì)分?jǐn)?shù)為固定值,并且通過(guò)象限的正負(fù)關(guān)系就可以確定具體細(xì)分?jǐn)?shù)值,不需要進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。如果該點(diǎn)不是發(fā)生在象限分界線上,則需根據(jù)象限正負(fù)關(guān)系判斷換向發(fā)生的具體象限,不同象限對(duì)應(yīng)不同計(jì)算公式。細(xì)分算法程序如下:

程序

  根據(jù)標(biāo)志字判斷相位點(diǎn)的位置,根據(jù)相應(yīng)位置不同公式求取細(xì)分值

程序

程序

  然后利用公式R=N×ω+d×L求出任意一點(diǎn)諧振子的幅值并輸出。式中N為整周期的累加計(jì)數(shù)值,W為光柵柵距,d為細(xì)分計(jì)數(shù),L=ω/m,m為細(xì)分倍數(shù)。

  4 結(jié)束語(yǔ)

  設(shè)計(jì)的光柵地震檢波器充分結(jié)合了FPGA的強(qiáng)大控制功能和DSP高速運(yùn)算處理功能,實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的同步采集、高倍細(xì)分和實(shí)時(shí)復(fù)現(xiàn)。減少了單一處理器的負(fù)荷,提高了系統(tǒng)的速度和穩(wěn)定性,為光柵震動(dòng)信號(hào)處理提出了一個(gè)新思路。由于硬件雙口RAM接口時(shí)序復(fù)雜,成本高也會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)不穩(wěn)定性,因此本文在FPGA中設(shè)計(jì)了一軟RAM。對(duì)于振動(dòng)信號(hào)幅值的計(jì)算則是在對(duì)整周期的莫爾條紋進(jìn)行計(jì)數(shù)的同時(shí),利用軟件細(xì)分法實(shí)時(shí)地計(jì)算出非整周期的莫爾條紋信號(hào)所代表的小數(shù)值,并實(shí)時(shí)將二者相加后乘以莫爾條紋當(dāng)量(每個(gè)莫爾條紋所代表的位移量),即可得到信號(hào)的實(shí)時(shí)振動(dòng)幅值。

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