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利用DSP與FPGA的光柵地震檢波器的信號處理

作者: 時間:2012-03-22 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

本文引用地址:http://2s4d.com/article/257623.htm

0 引 言

在石油地震勘探中,地震儀通過采集信號。是為了接收和記錄地震波而設(shè)計的一種精密的機械、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。傳感技術(shù)的發(fā)展為檢波器的設(shè)計提供了有力的手段。其信號處理技術(shù)仍局限于低速度的信號處理,雖然測量精度較高,但其動態(tài)特性難以滿足振動信號檢測等高速變化信號的處理要求,本文設(shè)計了一種利用結(jié)合的振動信號處理系統(tǒng),它主要完成對光柵震動傳感器輸出的兩路正交的正弦波信號的采集、計數(shù)、高倍細(xì)分等,從而實現(xiàn)了對快速的振動信號的復(fù)現(xiàn)。

1 光柵的工作原理

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)為檢波器的可動部分,由上彈簧片和下彈簧片支撐。工作時,檢波器外殼通過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,檢波器外殼也隨之震動。而光柵振子由于彈簧片的彈性和本身的慣性,有保持絕對不動的趨勢,從而產(chǎn)生了光柵振子與外殼的相對運動,也就是說光柵副中的主光柵與裂向式指示光柵之間產(chǎn)生了相對運動。兩塊疊放在一起的光柵具有了相對運動也就會產(chǎn)生與之相對應(yīng)的莫爾條紋,從而在相位差為90°的四個光電池上產(chǎn)生莫爾條紋的變化,于是光信號被轉(zhuǎn)化為電信號,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。

2 光柵震動信號的同步采集

要保證整個系統(tǒng)對振動信號的實時復(fù)現(xiàn),關(guān)鍵是要保證對兩路模擬正弦波的同步采集。若使用直接控制多通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,由于編程語言的順序結(jié)構(gòu)和單個模數(shù)轉(zhuǎn)換器不能同時采樣保持的限制,對于多路信號的采集只能分時多通道順序采集,這樣對同一點的兩路模擬波的采集肯定會產(chǎn)生相位差,這樣對復(fù)現(xiàn)出來的原振動信號會造成相當(dāng)大的失真。但是由于的編程語言VHDL執(zhí)行時是并發(fā)執(zhí)行的,并不受到它們在主結(jié)構(gòu)中的編寫順序的影響。根據(jù)上述特點,對于本系統(tǒng)的設(shè)計可以分成三個并行進程,分別是2個光柵信號采集的進程和一個加減計數(shù)器的進程。

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。

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

2.1 雙口RAM的設(shè)計

雙口RAM是常見的共享式多端口存儲器,雙口RAM最大的特點是存儲數(shù)據(jù)共享。一個存儲器配備兩套獨立的地址、數(shù)據(jù)和控制線,允許兩個獨立的CPU或控制器同時異步地訪問存儲單元。由于硬件雙口RAM接口時序復(fù)雜,成本高也會給系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定性,因此本文在FPGA中設(shè)計了一軟RAM,用來緩沖數(shù)據(jù)采集與處理之間產(chǎn)生的異步時差。

其工作原理如圖2所示,所設(shè)計的存儲空間為3個16字容量的雙口RAM,當(dāng)信號采集部分向新地址寫入每一個振動點的三個信息量時(圖中所示地址為15),信號處理部分則讀取先前振動點的三個信息量進行細(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)立不會丟失信息點,保證了還原信號的連續(xù)性和可靠性,雖然還原信號滯后源信號3到4個字的時間,但保證了每一個點三個信息量的同步性,這是C語言等順序結(jié)構(gòu)語言所無法達(dá)到的。

2.2 雙口RAM的流程圖設(shè)計

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

1)時鐘端口:利用時鐘的脈沖邊沿來觸發(fā)讀寫進程,使得新舊數(shù)據(jù)在雙口RAM中交替進出。

2)輸入輸出端口:分別為16位的位矢量類型,用來保證與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,用來設(shè)置16位字的存儲器容量,并在讀寫RAM操作時提供地址選址信號。

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

最后是并發(fā)進程的定義,包括寫進程和讀進程的定義,以時鐘的脈沖信號作為敏感信號來觸發(fā)進程的啟動,每一個時鐘周期完成一次對RAM的讀寫,其中時鐘頻率由FPGA根據(jù)AD的采樣速度和DSP的處理速度來設(shè)定,要保證當(dāng)采集信號寫入尾地址的時刻,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。

2.3 雙口RAM的仿真結(jié)果

圖4為該進程的仿真時序圖,由圖可見第一個時鐘的上升沿數(shù)據(jù)輸入端口data_in的值為4,這時寫選通端口write_address選通地址1,然后對應(yīng)著地址1的存儲器模塊ram_block1的內(nèi)的值在此刻刷新為4,這說明寫進程正確。同時應(yīng)注意到讀地址選通信號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€時鐘的下降沿到來時,信號輸出端口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data_out的值刷新為4,這說明讀進程也正確。

3 DSP的軟件細(xì)分

采用大數(shù)可逆計數(shù)與小數(shù)細(xì)分計數(shù)的軟件細(xì)分技術(shù)。其中大數(shù)計數(shù)是對莫爾條紋整周期數(shù)進行可逆的加減計數(shù),這部分功能有采集模塊中的FPGA來完成,小數(shù)計數(shù)是對莫爾條紋不到一個周期信號細(xì)分結(jié)果進行計數(shù),其功能由DSP來完成。運算的結(jié)果為大數(shù)計數(shù)結(jié)果乘以光柵柵距與小數(shù)計數(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。

通過DSP的地址選通線依次選通讀取FPGA中三個數(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的數(shù)字量與加減計數(shù)器的累加計數(shù)值,然后利用公式R=N*w+K*L求出任意一點諧振子的幅值并輸出。式中N為整周期的累加計數(shù)值,W為光柵柵距,K為細(xì)分計數(shù),L=W/M,M為細(xì)分倍數(shù)。該細(xì)分模塊主要是完成對細(xì)分計數(shù)K值、和幅值R值的求取,并完成對幅值的數(shù)字量轉(zhuǎn)換并輸出。

其中細(xì)分方法也就是對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)計了細(xì)分倍數(shù)可變的細(xì)分算法,利用DSP C語言的專用庫函數(shù)實現(xiàn)了純計算的算法。細(xì)分算法流程如圖6所示。

由幅值細(xì)分法可知,軟件細(xì)分算法設(shè)計的關(guān)鍵問題是根據(jù)兩路信號的比值對該點的相位角的正確定位。該點的位置有兩種情況,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的采樣數(shù)據(jù)是否發(fā)生在四個象限的分界線上,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,不需要進行復(fù)雜的計算。如果該點不是發(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,不同象限對應(yīng)不同計算公式。細(xì)分算法程序如下:

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

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

4 結(jié)束語

設(shè)計的光柵地震檢波器充分結(jié)合了FPGA的強大控制功能和DSP高速運算處理功能,實現(xiàn)了信號的同步采集、高倍細(xì)分和實時復(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,為光柵震動信號處理提出了一個新思路。由于硬件雙口RAM接口時序復(fù)雜,成本高也會給系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定性,因此本文在FPGA中設(shè)計了一軟RAM。對于振動信號幅值的計算則是在對整周期的莫爾條紋進行計數(shù)的同時,利用軟件細(xì)分法實時地計算出非整周期的莫爾條紋信號所代表的小數(shù)值,并實時將二者相加后乘以莫爾條紋當(dāng)量(每個莫爾條紋所代表的位移量),即可得到信號的實時振動幅值。



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