基于DSP的可控震源掃頻信號(hào)的實(shí)現(xiàn)

摘要 針對(duì)地震勘探中可控震源信號(hào)的高精度需求，提出了一種基于DSP線性掃頻信號(hào)源的系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方案。該方法提高了掃頻信號(hào)源的精度和波形穩(wěn)定性，減小了波形的失真，且系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)單實(shí)用，具有良好的應(yīng)用前景。

可控震源是一種地震勘探信號(hào)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(hào)可人為控制等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)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?hào)發(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(duì)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(jì)關(guān)鍵。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 概述

系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)模擬的掃頻信號(hào)源，其主要原理為首先通過(guò)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(hào)，然后將此信號(hào)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(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理后輸出系統(tǒng)，得到所需的信號(hào)源，其硬件流程方框圖如圖1所示。

其中，按鍵中斷通過(guò)GPIO及PIE的中斷實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)中斷通過(guò)TMS320F2812的SCI模塊中斷實(shí)現(xiàn)。DSP芯片TMS320F2812產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)通過(guò)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(gè)典型的DSP最小系統(tǒng)，包括DSP芯片、電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路及串口通信電路等。

(1)電源及復(fù)位電路設(shè)計(jì)。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(jì)對(duì)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(jì)電路時(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)鐘電路設(shè)計(jì)。TMS320F2812 DSP的時(shí)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(gè)引腳之間連接石英晶振。若采用外部時(shí)鐘，可將輸入時(shí)鐘信號(hào)直接連到X1/CI。

KIN引腳上，X2懸空。本文采用外部有源時(shí)鐘方式，用一個(gè)3.3 V供電的30 MHz有源晶振，并通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)F2812的最高工作頻率150 MHz。

(3)DSP的串行接口設(shè)計(jì)。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(jì)時(shí)必須考慮電平轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)選用MAX232N驅(qū)動(dòng)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(gè)接收和發(fā)送通道、并與TMS320 F2812的兩個(gè)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(gè)按鍵，分別為S1、S2、S3、S4，其功能分別為開(kāi)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(shí)系統(tǒng)開(kāi)始掃頻輸出，第二次按下S1時(shí)系統(tǒng)終止掃頻輸出。第一次按下S2時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)起始掃描頻率設(shè)置，第二次按下S2時(shí)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。

每當(dāng)有按鍵按下時(shí)，將造成XINT1有一次電平跳變，通過(guò)TMS320F2812芯片讀取該跳變，啟動(dòng)GPIO口讀取按鍵信息，并通過(guò)相關(guān)判斷程序判斷哪個(gè)按鍵被按下，然后則進(jìn)入相應(yīng)按鍵的功能實(shí)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(hào)源外，還可通過(guò)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。

1.5 接口設(shè)計(jì)

經(jīng)TMS320F2812產(chǎn)生的線性數(shù)字掃頻信號(hào)必須經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后才可得到線性模擬掃頻信號(hào)。設(shè)計(jì)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(shí)鐘速率可達(dá)50 MHz。

系統(tǒng)由TMS320F2812產(chǎn)生的數(shù)字掃頻信號(hào)經(jīng)SPI接口傳入DAC8565的數(shù)字信號(hào)輸入端口，再經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出模擬信號(hào)，并由信號(hào)調(diào)理通道輸出所需的模擬掃頻信號(hào)。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 線性掃頻信號(hào)原理

理論上，線性掃頻信號(hào)的頻率隨時(shí)間線性變化，其可表示為

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

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

式中，TD為掃頻長(zhǎng)度;T1為起始掃頻時(shí)窗長(zhǎng)度。

2.2 按鍵中斷

按鍵中斷部分通過(guò)其響應(yīng)程序?qū)INT1口有無(wú)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(duì)應(yīng)按鍵功能的實(shí)現(xiàn)程序?qū)?huì)被啟動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)按鍵的功能，完成按鍵中斷，其流程如圖4所示。

2.3 上位機(jī)中斷

上位機(jī)中斷部分，可通過(guò)ARM開(kāi)發(fā)板或PC機(jī)與TMS320F2812芯片進(jìn)行SCI口通信實(shí)現(xiàn)中斷控制。當(dāng)上位機(jī)為PC機(jī)時(shí)，可通過(guò)軟件編程構(gòu)造如圖5所示的上位機(jī)控制界面。并通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤在界面上進(jìn)行相應(yīng)操作來(lái)控制掃頻信號(hào)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(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，從而輸出系統(tǒng)所需的模擬掃頻信號(hào)。其中TMS320F2812產(chǎn)生的數(shù)字掃頻信號(hào)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(hào)輸入端口，在DAC8565中經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后得到模擬掃頻信號(hào)，再經(jīng)過(guò)調(diào)理通道對(duì)其進(jìn)行幅值縮放和過(guò)濾處理使其輸出幅值為所需范圍，且使其波形信號(hào)的畸形部分大幅消減，從而使波形失真度更小。其主要過(guò)程如圖6所示。

3 系統(tǒng)仿真

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

由上圖可知，經(jīng)上述方法產(chǎn)生的線性掃頻信號(hào)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(duì)該掃頻信號(hào)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。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于DSP平臺(tái)線性掃頻信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方案，詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)原理，論述了設(shè)計(jì)過(guò)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(shí)時(shí)產(chǎn)生線性掃頻信號(hào)。系統(tǒng)以型號(hào)為TMS320F2812的DSP芯片作為運(yùn)算處理及中斷響應(yīng)芯片來(lái)產(chǎn)生數(shù)字量掃頻信號(hào)，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(hào)調(diào)理輸出模擬掃頻信號(hào)，該新型掃頻信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展前景廣闊。