基于DSP與FPGA的光柵地震檢波器的信號處理

0 引 言
在石油地震勘探中，地震儀通過地震檢波器采集信號。地震檢波器是為了接收和記錄地震波而設計的一種精密的機械、電子組合裝置，是地震勘探數(shù)據采集中的重要環(huán)節(jié)，其性能好壞直接影響地震記錄質量和地震資料的解釋工作。光柵傳感技術的發(fā)展為檢波器的設計提供了有力的手段。其光柵信號處理技術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，本文設計了一種利用DSP與FPGA結合的光柵振動信號處理系統(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)、高倍細分等，從而實現(xiàn)了對快速的振動信號的復現(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生與之相對應的莫爾條紋，從而在相位差為90°的四個光電池上產生莫爾條紋的變化，于是光信號被轉化為電信號，再經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現(xiàn)，關鍵是要保證對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)轉換器，由于編程語言的順序結構和單個模數(shù)轉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生相位差，這樣對復現(xiàn)出來的原振動信號會造成相當大的失真。但是由于FPGA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構中的編寫順序的影響。根據上述特點，對于本系統(tǒng)的設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轉換器選用的是LINEAR公司生產的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)據采集系統(tǒng)中廣泛應用。
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，其中一組經過鑒零比較電路轉換成方波送入辨向電路為FPGA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轉換器轉換成數(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DSP進行高倍細分提供基礎數(shù)據。

2．1 雙口RAM的設計
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)據共享。一個存儲器配備兩套獨立的地址、數(shù)據和控制線，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中設計了一軟RAM，用來緩沖數(shù)據采集與處理之間產生的異步時差。
其工作原理如圖2所示，所設計的存儲空間為3個16字容量的雙口RAM，當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分等處理(圖中所示地址為0)，當雙口RAM寫滿數(shù)據后，寫地址指針又會重新定位到首地址寫入新的數(shù)據，這種緩存結構的設立不會丟失信息點，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語言等順序結構語言所無法達到的。

2．2 雙口RAM的流程圖設計
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)據格式匹配。
3)讀寫地址端口：2位的位矢量類型，用來設置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。