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(shè)計(jì)的一種精密的機(jī)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。光柵傳感技術(shù)的發(fā)展為檢波器的設(shè)計(jì)提供了有力的手段。其光柵信號處理技術(shù)仍局限于低速度的信號處理，雖然測量精度較高，但其動(dòng)態(tài)特性難以滿足振動(dòng)信號檢測等高速變化信號的處理要求，本文設(shè)計(jì)了一種利用DSP與FPGA結(jié)合的光柵振動(dòng)信號處理系統(tǒng)，它主要完成對光柵震動(dòng)傳感器輸出的兩路正交的正弦波信號的采集、計(jì)數(shù)、高倍細(xì)分等，從而實(shí)現(xiàn)了對快速的振動(dòng)信號的復(fù)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(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(dòng)部分，由上彈簧片和下彈簧片支撐。工作時(shí)，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(dòng)，檢波器外殼也隨之震動(dòng)。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(dòng)的趨勢，從而產(chǎn)生了光柵振子與外殼的相對運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)。兩塊疊放在一起的光柵具有了相對運(yùn)動(dòng)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(gè)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(dòng)信號的同步采集
要保證整個(gè)系統(tǒng)對振動(dòng)信號的實(shí)時(shí)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DSP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(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器不能同時(shí)采樣保持的限制，對于多路信號的采集只能分時(shí)多通道順序采集，這樣對同一點(diǎn)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(dòng)信號會造成相當(dāng)大的失真。但是由于FPGA的編程語言VHDL執(zhí)行時(shí)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(diǎn)，對于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以分成三個(gè)并行進(jìn)程，分別是2個(gè)光柵信號采集的進(jìn)程和一個(gè)加減計(jì)數(shù)器的進(jìn)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(dòng)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(gè)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(dòng)信號調(diào)制的莫爾條紋，并通過差動(dòng)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FPGA中加減計(jì)數(shù)器提供計(jì)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(gè)雙口RAM存儲器用來順序存放每一點(diǎn)的整周期計(jì)數(shù)值和兩路波形的數(shù)字量，為DSP進(jìn)行高倍細(xì)分提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2．1 雙口RAM的設(shè)計(jì)
雙口RAM是常見的共享式多端口存儲器，雙口RAM最大的特點(diǎn)是存儲數(shù)據(jù)共享。一個(gè)存儲器配備兩套獨(dú)立的地址、數(shù)據(jù)和控制線，允許兩個(gè)獨(dú)立的CPU或控制器同時(shí)異步地訪問存儲單元。由于硬件雙口RAM接口時(shí)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(jì)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(shí)差。
其工作原理如圖2所示，所設(shè)計(jì)的存儲空間為3個(gè)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(gè)振動(dòng)點(diǎn)的三個(gè)信息量時(shí)(圖中所示地址為15)，信號處理部分則讀取先前振動(dòng)點(diǎn)的三個(gè)信息量進(jìn)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(diǎn)，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(gè)字的時(shí)間，但保證了每一個(gè)點(diǎn)三個(gè)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(jì)
首先是定義實(shí)體與外部端口，包括時(shí)鐘、輸入輸出、讀寫地址端口。它們的作用分別是：
1)時(shí)鐘端口：利用時(shí)鐘的脈沖邊沿來觸發(fā)讀寫進(jìn)程，使得新舊數(shù)據(jù)在雙口RAM中交替進(jìn)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(shí)提供地址選址信號。