TMS320F2812在井下微弱瓦斯信號檢測的應(yīng)用
引言
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/149235.htm目前瓦斯氣體在礦井中的積累已成為困擾煤礦安全生產(chǎn)的重大難題,實(shí)現(xiàn)瓦斯氣體的準(zhǔn)確、有效地監(jiān)控,對煤礦安全生產(chǎn)有極其重要的意義。由于礦井中存在著即有噪聲以及生產(chǎn)中產(chǎn)生的大量噪聲,被噪聲淹沒的微弱瓦斯信號相對于噪聲來說顯得及其微弱,如輸入信號的信噪比為10–1 、10–2、有的甚至10–5 ,瓦斯信號被“深埋”在噪聲之中,另外檢測傳輸時又受到信號端、傳輸器件及變換器件等本身存在的噪聲影響,表現(xiàn)出的總體效果是有用微弱瓦斯信號被大量的噪聲和干擾所淹沒。由于噪聲具有隨機(jī)性,而信號具有周期性、相關(guān)性,所以本文采用鎖相放大原理中的相敏檢波技術(shù)中互相關(guān)運(yùn)算來削弱噪聲的影響,然后在經(jīng)過一個低通濾波器,此濾波器的頻帶寬度做的很窄,那么經(jīng)過相敏檢波輸出后,只有落在低通濾波器的等效噪聲帶寬之內(nèi)的分量才有輸出,其他的高頻分量均被濾除,此方法具有很強(qiáng)的噪聲抑制能力。方便提取低濃度的瓦斯信號,在微弱瓦斯氣體檢測中達(dá)到了高效性和高靈敏度,很好地降低了微弱瓦斯積聚帶來的危害。
微弱瓦斯信號檢測的原理和方法
衡量瓦斯氣體吸收的基本定律是朗伯比爾定律,其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式1:
式1
式1中:A為吸光度,T為透射比是投射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度的比值。c為吸光物質(zhì)的濃度,b為吸收層厚度。
其物理意義是:當(dāng)一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時,其吸光度A與吸光物質(zhì)的濃度c及吸收層厚度b成正比。也就是說明光的吸收與吸光物質(zhì)的濃度成正比。
考慮到氣體吸光度與瓦斯?jié)舛茸儞Q量的關(guān)系,當(dāng)煤礦井下存在微弱的瓦斯氣體時,式中的b、c值均小,同時比例系數(shù)一般很小,那么特別針對于微弱的信號A的值就很微小,所以在檢測瓦斯氣體的濃度時,很容易被噪聲信號掩蓋。為了更好地檢測微弱瓦斯?jié)舛刃盘?,采用的方法是:通過相敏檢波器(乘法器)和低通濾波器(積分器)完成相關(guān)運(yùn)算,利用相關(guān)檢測以最大限度地壓縮帶寬、抑制噪聲。
相敏檢波器實(shí)現(xiàn)相關(guān)運(yùn)算
相敏檢波PSD就是對被測信號、參考信號兩個信號間的相位進(jìn)行檢波,它是將被測信號與參考信號送入PSD中,在混頻器中相乘。PSD工作原理如圖1所示:
圖1 PSD工作原理圖
在設(shè)計(jì)相敏檢波器時,設(shè)待測信號其中、、、、分別為待測信號的幅度、時間、初相位和頻率。參考信號為其中、、、 分別為待測信號的幅度、時間、初相位和頻率。相敏檢波器的輸出電壓為:
其中n為諧波次數(shù)。公式表明:相敏檢波器的輸出包括兩部分,前者為待測信號與參考的差頻分量,當(dāng)被檢測有用信號與參考信號同步時,即時(n=0),差頻為零,這時差頻分量變成相敏直流電壓分量,而后者成為倍頻。即經(jīng)相敏檢波后電壓輸出僅與相位差有關(guān)。如果通過DSP控制參考信號的初相位,使其與輸入信號同相,最終的直流分量值為,可見只要待測信號中有用的信號本身和參考信號同頻同相,即可方便地得到濾波前檢波器直流輸出信號。
濾波器的選擇
相敏檢波器的輸出信號只有在經(jīng)過一個低通濾波后,才能得到與濃度有關(guān)的直流信號,所以低通濾波是很重要的一個環(huán)節(jié),其性能的好壞直接影響后期的數(shù)據(jù)處理??紤]到礦井下通信環(huán)境的特殊要求,為了確保提取有用的信號采用的是FIR濾波器,這種濾波器對脈沖輸入信號的響應(yīng)最終趨向于零,故這種濾波器一定是穩(wěn)定和能夠?qū)崿F(xiàn)的,另外在線性相位要求高的場所采用FIR濾波器也較好,同時也符合了參考信號與有用信號同頻同相的要求。
本設(shè)計(jì)中的FIR低通濾波器采用巴特沃斯低通濾波,截止頻率為10kHz,采樣頻率為40kHz的指標(biāo),阻帶衰減為80dB。
DSP實(shí)現(xiàn)低通濾波
相敏檢波器的輸出信號直接被采樣到DSP的內(nèi)部,利用DSP優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)高速處理數(shù)據(jù)能力來實(shí)現(xiàn)低通數(shù)字濾波?;诖吮疚牟捎肈SP實(shí)現(xiàn)低通濾波,在濾波方式上進(jìn)行算法的改進(jìn)。選擇TMS320F2812型DSP 為核心的主控芯片,它具有高速的運(yùn)算能力、強(qiáng)大的實(shí)時處理能力和高度集成化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),指令周期為6.67ns,并采用流水線技術(shù),使得信號的處理速度明顯提高。DSP中的專用硬件乘法器和特殊指令DMAC的采用,使得在一個處理器時鐘周期里可以得到兩個操作數(shù)相乘的結(jié)果。這種結(jié)構(gòu)恰好滿足了數(shù)字信號處理中的一些特殊要求如FIR、IIR、FFT等運(yùn)算,此外,TMS320F2812片內(nèi)擁有高達(dá)128K×16位的FLASH程序存儲器,可以滿足程序中濾波器的系數(shù)、采樣數(shù)據(jù)以及運(yùn)算結(jié)果的乘法和累加的存儲。
程序開始時首先要對系統(tǒng)、寄存器、工作變量進(jìn)行初始化,打開全局中斷,設(shè)置采樣時鐘頻率,EVA模塊的定時器初始化及配置,數(shù)據(jù)的采樣是在中斷子程序中完成,采集到的數(shù)據(jù)先保存在FIFO中,數(shù)據(jù)采集結(jié)束后DSP從FIFO中讀取數(shù)據(jù)開始進(jìn)行相關(guān)性、濾波等一系列的處理,最后將結(jié)果顯示輸出。程序的流程圖如圖2所示:
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