基于DSP+FPGA的光柵地震檢波器的信號處理
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3 DSP的軟件細分
采用大數(shù)可逆計數(shù)與小數(shù)細分計數(shù)的軟件細分技術(shù)。其中大數(shù)計數(shù)是對莫爾條紋整周期數(shù)進行可逆的加減計數(shù)，這部分功能有采集模塊中的FPGA來完成，小數(shù)計數(shù)是對莫爾條紋不到一個周期信號細分結(jié)果進行計數(shù)，其功能由DSP來完成。運算的結(jié)果為大數(shù)計數(shù)結(jié)果乘以光柵柵距與小數(shù)計數(shù)結(jié)果乘以細分當(dāng)量之和，其中細分當(dāng)量為光柵柵距除以細分倍數(shù)。該模塊的硬件原理圖如圖5所示。
通過DSP的地址選通線依次選通讀取FPGA中三個數(shù)據(jù)緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)，緩存區(qū)分別存放兩路模擬信號的數(shù)字量與加減計數(shù)器的累加計數(shù)值，然后利用公式R=N*w+K*L求出任意一點諧振子的幅值并輸出。式中N為整周期的累加計數(shù)值，W為光柵柵距，K為細分計數(shù)，L=W／M，M為細分倍數(shù)。該細分模塊主要是完成對細分計數(shù)K值、和幅值R值的求取，并完成對幅值的數(shù)字量轉(zhuǎn)換并輸出。
其中細分方法也就是對K值的求取采用了八卦限幅值分割法，根據(jù)上述方法設(shè)計了細分倍數(shù)可變的細分算法，利用DSP C語言的專用庫函數(shù)實現(xiàn)了純計算的算法。細分算法流程如圖6所示。
由幅值細分法可知，軟件細分算法設(shè)計的關(guān)鍵問題是根據(jù)兩路信號的比值對該點的相位角的正確定位。該點的位置有兩種情況，一種是落在各象限的邊界上，另一種是落在各象限之中。根據(jù)細分邊界條件判斷該點的采樣數(shù)據(jù)是否發(fā)生在四個象限的分界線上，如果判斷此次換向發(fā)生在象限的分界線上，則細分?jǐn)?shù)為固定值，并且通過象限的正負關(guān)系就可以確定具體細分?jǐn)?shù)值，不需要進行復(fù)雜的計算。如果該點不是發(fā)生在象限分界線上，則需根據(jù)象限正負關(guān)系判斷換向發(fā)生的具體象限，不同象限對應(yīng)不同計算公式。細分算法程序如下：
static int subdiv(int*input，int*input1)一設(shè)置指針形參用來讀取兩路波形采樣值
{
程序初始化，定義各種變量標(biāo)志字。
float ADSIN_X，ADCOS_X，ABSIN_X，ABCOS_X；一定義存儲變量存放采樣值與絕對值
int m=0，n=0，k=0，d=0，i=0；一設(shè)置標(biāo)志字判斷采樣值正負
ADSIN_X=*input；-從緩存區(qū)讀取sin采樣值
ADCOS_X=*input1；-從緩存區(qū)讀取cos采樣值
ABSIN_X=fabs(ADSIN_X)；-求取sin絕對值
ABCOS_X=fabs(ADCOS_X)；-求取COS絕對值
根據(jù)采樣值，寫標(biāo)志字
if(ADSIN_X>0) m=1； else m=0；
if(ADCOS_X>0) n=1； else n=0；
if((ABSIN_X-ABCOS_X)>0)k=1；else if((AB-SIN_X-ABCOS_X)
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然后利用公式R=N×ω+d×L求出任意一點諧振子的幅值并輸出。式中N為整周期的累加計數(shù)值，W為光柵柵距，d為細分計數(shù)，L=ω／m，m為細分倍數(shù)。
4 結(jié)束語
設(shè)計的光柵地震檢波器充分結(jié)合了FPGA的強大控制功能和DSP高速運算處理功能，實現(xiàn)了信號的同步采集、高倍細分和實時復(fù)現(xiàn)。減少了單一處理器的負荷，提高了系統(tǒng)的速度和穩(wěn)定性，為光柵震動信號處理提出了一個新思路。由于硬件雙口RAM接口時序復(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)計了一軟RAM。對于振動信號幅值的計算則是在對整周期的莫爾條紋進行計數(shù)的同時，利用軟件細分法實時地計算出非整周期的莫爾條紋信號所代表的小數(shù)值，并實時將二者相加后乘以莫爾條紋當(dāng)量(每個莫爾條紋所代表的位移量)，即可得到信號的實時振動幅值。
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