基于DSP 的可控震源掃頻信號的實現(xiàn)

饒 威

(江蘇省電力公司檢修分公司 常州工區(qū)，江蘇 常州 213000)

可控震源是一種地震勘探信號激發(fā)設(shè)備，在石油勘探中具有施工成本低、安全環(huán)保、施工組織靈活、激發(fā)信號可人為控制等優(yōu)點［1］。國內(nèi)外地震施工中可控震源的應(yīng)用較普遍，除水域、沼澤、直升飛機(jī)支持的山地之外，只要震源能駛?cè)氲牡貐^(qū)均要求用可控震源施工?？煽卣鹪粗械膾呙栊盘柊l(fā)生器位于系統(tǒng)的最前端，其性能指標(biāo)直接影響著電源干擾引起的諧波畸變，對地震資料質(zhì)量和分辨率產(chǎn)生較大影響，而如何提高其幅值和頻率精度是設(shè)計關(guān)鍵。

1 硬件設(shè)計

1.1 概述

系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)模擬的掃頻信號源，其主要原理為首先通過按鍵中斷或上位機(jī)中斷控制DSP芯片TMS320F2812 產(chǎn)生線性數(shù)字掃頻信號，然后將此信號送入D/A 芯片DAC8565 中進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出線性模擬掃頻信號，經(jīng)信號調(diào)理后輸出系統(tǒng)，得到所需的信號源，其硬件流程方框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件流程方框圖

其中，按鍵中斷通過GPIO 及PIE 的中斷實現(xiàn)，上位機(jī)中斷通過TMS320F2812 的SCI 模塊中斷實現(xiàn)。DSP芯片TMS320F2812 產(chǎn)生的數(shù)字信號通過其SPI 模塊傳輸?shù)紻/A 轉(zhuǎn)換芯片的DAC8565 中進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。

1.2 TMS320F2812 最小系統(tǒng)

一個典型的DSP 最小系統(tǒng)，包括DSP 芯片、電源電路、復(fù)位電路、時鐘電路及串口通信電路等［2］。

(1)電源及復(fù)位電路設(shè)計。DSP 系統(tǒng)一般采用多電源系統(tǒng)，電源及復(fù)位電路的設(shè)計對于系統(tǒng)性能有重要影響。DSP 最小系統(tǒng)由5 V 電源供電，由于DSP 芯片供電電壓為3.3 V，所以在設(shè)計電路時，需將5 V 電源轉(zhuǎn)換為3.3 V 給CPU 供電，本文采用TI 公司的TPS767D318電源芯片。該芯片屬于線性降壓型直流變換芯片，由5 V電源可同時產(chǎn)生3.3 V、1.8 V 或2.5 V 兩種不同的電壓，其最大輸出電流為1 000 mA，可同時滿足一片DSP 芯片和少量外圍電路的供電需求。該芯片的電源監(jiān)控及復(fù)位管理功能也滿足系統(tǒng)要求。

(2)時鐘電路設(shè)計。TMS320F2812 DSP 的時鐘有內(nèi)接和外接兩種方式。若采用內(nèi)部振蕩器，則必須在X1/XCLKIN 和X2這兩個引腳之間連接石英晶振。若采用外部時鐘，可將輸入時鐘信號直接連到X1/CI。KIN 引腳上，X2懸空。本文采用外部有源時鐘方式，用一個3.3 V 供電的30 MHz 有源晶振，并通過編程實現(xiàn)F2812 的最高工作頻率150 MHz。

(3)DSP 的串行接口設(shè)計。TMS320F2812 中SCI接口的TTL 電平和PC 機(jī)的RS－232C 電平不兼容，這就要求接口設(shè)計時必須考慮電平轉(zhuǎn)換。設(shè)計選用MAX232N 驅(qū)動芯片進(jìn)行串行通信，其符合RS－232 標(biāo)準(zhǔn)，功耗低、集成度高、+5 V 供電，具有兩個接收和發(fā)送通道、并與TMS320 F2812 的兩個SCI 接口匹配。

1.3 按鍵中斷

如圖2 所示，系統(tǒng)中斷部分有4 個按鍵，分別為S1、S2、S3、S4，其功能分別為開始掃頻輸出/終止掃頻輸出、起始掃描頻率設(shè)置/終止掃描頻率設(shè)置、頻率增加及頻率減小。第一次按下S1時系統(tǒng)開始掃頻輸出，第二次按下S1時系統(tǒng)終止掃頻輸出。第一次按下S2時進(jìn)行系統(tǒng)起始掃描頻率設(shè)置，第二次按下S2時進(jìn)行系統(tǒng)終止掃描頻率設(shè)置。每按下S3一次，掃描頻率增加一定值，同理，每按下S4一次，掃描頻率減小一定值。

圖2 系統(tǒng)按鍵中斷原理圖

每當(dāng)有按鍵按下時，將造成XINT1 有一次電平跳變，通過TMS320F2812 芯片讀取該跳變，啟動GPIO 口讀取按鍵信息，并通過相關(guān)判斷程序判斷哪個按鍵被按下，然后則進(jìn)入相應(yīng)按鍵的功能實現(xiàn)程序，以完成按鍵中斷。

1.4 上位機(jī)中斷

系統(tǒng)除了可采用按鍵中斷控制掃頻信號源外，還可通過DSP 芯片TMS320F2812 的SCI 口連接的上位機(jī)進(jìn)行控制。其相關(guān)的接口原理如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)SCI 接口原理圖

1.5 接口設(shè)計

經(jīng)TMS320F2812 產(chǎn)生的線性數(shù)字掃頻信號必須經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后才可得到線性模擬掃頻信號。設(shè)計采用D/A 轉(zhuǎn)換器的芯片是DAC8565，其是一種低功耗、4 通道、16 位精度電壓輸出型數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，器件內(nèi)部集成2.5 V，2 ppm/℃的內(nèi)部參考電源，且還集成了串行SPI 通訊口，其時鐘速率可達(dá)50 MHz。

系統(tǒng)由TMS320F2812 產(chǎn)生的數(shù)字掃頻信號經(jīng)SPI接口傳入DAC8565 的數(shù)字信號輸入端口，再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出模擬信號，并由信號調(diào)理通道輸出所需的模擬掃頻信號［3－4］。

2 軟件設(shè)計

2.1 線性掃頻信號原理

理論上，線性掃頻信號的頻率隨時間線性變化，其可表示為

而正弦信號的產(chǎn)生形式為

從而θ(t)決定了以時間為函數(shù)的正弦信號的頻率。對θ(t)求導(dǎo)可得瞬時頻率fi(t)

從而

假設(shè)C=0，則s(t)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，F(xiàn)1為掃描起始頻率;F2為掃描終了頻率;T 為掃描持續(xù)時間。在該表達(dá)式中未考慮START TAPER 和END TAPER 時段。

而實際應(yīng)用中，則必須有TAPER 段。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，A(t)項為TAPER 時窗段，其表達(dá)式為

式中，TD為掃頻長度;T1為起始掃頻時窗長度［5］。

2.2 按鍵中斷

按鍵中斷部分通過其響應(yīng)程序?qū)INT1 口有無電平跳躍進(jìn)行判斷，以確保是否有按鍵被按下。若有按鍵按下，TMS320F2812 芯片中對應(yīng)按鍵功能的實現(xiàn)程序?qū)粏樱瑥亩鴮崿F(xiàn)相應(yīng)按鍵的功能，完成按鍵中斷，其流程如圖4 所示。

圖4 按鍵中斷部分流程圖

2.3 上位機(jī)中斷

上位機(jī)中斷部分，可通過ARM 開發(fā)板或PC 機(jī)與TMS320F2812 芯片進(jìn)行SCI 口通信實現(xiàn)中斷控制。當(dāng)上位機(jī)為PC 機(jī)時，可通過軟件編程構(gòu)造如圖5 所示的上位機(jī)控制界面。并通過鼠標(biāo)和鍵盤在界面上進(jìn)行相應(yīng)操作來控制掃頻信號源的工作。

2.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換部分

此部分為系統(tǒng)重要組成部分，功能是將系統(tǒng)前端產(chǎn)生的數(shù)字掃頻信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行信號調(diào)理，從而輸出系統(tǒng)所需的模擬掃頻信號。其中TMS320F2812 產(chǎn)生的數(shù)字掃頻信號經(jīng)其SPI 口輸出并傳送至數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC8565 的數(shù)字信號輸入端口，在DAC8565 中經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后得到模擬掃頻信號，再經(jīng)過調(diào)理通道對其進(jìn)行幅值縮放和過濾處理使其輸出幅值為所需范圍，且使其波形信號的畸形部分大幅消減，從而使波形失真度更小。其主要過程如圖6 所示［6］。

圖6 數(shù)模轉(zhuǎn)換部分主要過程

3 系統(tǒng)仿真

設(shè)置起始頻率6 Hz，終止頻率80 Hz，時窗為0.5 s。經(jīng)仿真得到結(jié)果如下。

圖7 線性掃描信號波形

圖8 頻率/時間曲線

圖9 幅值譜

圖10 自相關(guān)子波圖形

由上圖可知，經(jīng)上述方法產(chǎn)生的線性掃頻信號的頻率輸出線性度好、精度高、波形穩(wěn)定、失真小且抗干擾能力強(qiáng)，且對該掃頻信號發(fā)生器的操作方便，運(yùn)行較為穩(wěn)定，滿足工程應(yīng)用要求［7］。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于DSP 平臺線性掃頻信號發(fā)生器的實現(xiàn)方案，詳細(xì)介紹了設(shè)計原理，論述了設(shè)計過程中所需完成的關(guān)鍵內(nèi)容。利用DSP 快速的運(yùn)算速度，實時產(chǎn)生線性掃頻信號。系統(tǒng)以型號為TMS320F2812的DSP 芯片作為運(yùn)算處理及中斷響應(yīng)芯片來產(chǎn)生數(shù)字量掃頻信號，并利用D/A 轉(zhuǎn)換器DAC8565 進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)信號調(diào)理輸出模擬掃頻信號，該新型掃頻信號發(fā)生器的發(fā)展前景廣闊。

［1］ 劉金中，馬鐵榮.可控震源的發(fā)展?fàn)顩r［J］.石油科技論壇，2008(5):38－42.

［2］ 高翠云，江朝暉，孫冰.基于TMS320F2812 的DSP 最小系統(tǒng)設(shè)計［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009，31(1):83－85.

［3］ 蘇奎峰，呂強(qiáng)，常天慶，等.TMS320X281xDSP 原理及C 程序開發(fā)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［4］ 萬山明.TMS320F281xDSP 原理及應(yīng)用實例［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［5］ 王正剛.基于DSP 的數(shù)字信號發(fā)生器設(shè)計［M］.南京:南京理工大學(xué)，2009.

［6］ 張建文.基于DDS 的掃頻信號發(fā)生器的研究與實現(xiàn)［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2005.

［7］ 沈媛媛，鄭恭明，劉益成，等.基于ARM+DSP 架構(gòu)的可控震源掃描信號發(fā)生器設(shè)計［J］.物探裝備，2010，3(20):141－144.