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一種基于DSP線性掃頻信號(hào)源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

作者: 時(shí)間:2014-08-05 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  摘要 針對(duì)地震勘探中可控震源信號(hào)的高精度需求,提出了一種基于線性掃頻的系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方案。該方法提高了掃頻的精度和波形穩(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。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/256481.htm

  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。可控震源中的掃描信號(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,其主要原理為首先通過按鍵中斷或上位機(jī)中斷控制芯片產(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GPIO及PIE的中斷實(shí)現(xiàn),上位機(jī)中斷通過的SCI模塊中斷實(shí)現(xiàn)。芯片產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)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 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TMS320F2812芯片讀取該跳變,啟動(dòng)GPIO口讀取按鍵信息,并通過相關(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(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。

  

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