基于DSP与FPGA的光栅地震检波器的信号处理

1 引 言

在石油地震勘探中，地震仪通过地震检波器采集信号。地震检波器是为了接收和记录地震波而设计的一种精密的机械、电子组合装置，是地震勘探数据采集中的重要环节，其性能好坏直接影响地震记录质量和地震资料的解释工作。光栅传感技术的发展为检波器的设计提供了有力的手段。其光栅信号处理技术仍局限于低速度的信号处理，虽然测量精度较高，但其动态特性难以满足振动信号检测等高速变化信号的处理要求，本文设计了一种利用DSP与FPGA结合的光栅振动信号处理系统，它主要完成对光栅震动传感器输出的两路正交的正弦波信号的采集、计数、高倍细分等，从而实现了对快速的振动信号的复现。

2 光栅地震检波器的工作原理

光栅地震检波器主要由光源(白光或单色光)、准直镜、光电池、指示光栅(副光栅)、光栅谐振子(主光栅)组成。光栅谐振子(主光栅)为检波器的可动部分，由上弹簧片和下弹簧片支撑。工作时，检波器外壳通过检波器尾钉与大地连接并固定，当大地受到震源激发后，地震波传至地面引起地面震动，检波器外壳也随之震动。而光栅振子由于弹簧片的弹性和本身的惯性，有保持绝对不动的趋势，从而产生了光栅振子与外壳的相对运动，也就是说光栅副中的主光栅与裂向式指示光栅之间产生了相对运动。两块叠放在一起的光栅具有了相对运动也就会产生与之相对应的莫尔条纹，从而在相位差为90°的四个光电池上产生莫尔条纹的变化，于是光信号被转化为电信号，再经差分放大后形成两路相位相差90°的正弦或余弦波信号。

3 光栅震动信号的同步采集

要保证整个系统对振动信号的实时复现，关键是要保证对两路模拟正弦波的同步采集。若使用DSP直接控制多通道的模数转换器，由于编程语言的顺序结构和单个模数转换器不能同时采样保持的限制，对于多路信号的采集只能分时多通道顺序采集，这样对同一点的两路模拟波的采集肯定会产生相位差，这样对复现出来的原振动信号会造成相当大的失真。但是由于FPGA的编程语言VHDL执行时是并发执行的，并不受到它们在主结构中的编写顺序的影响。根据上述特点，对于本系统的设计可以分成三个并行进程，分别是2个光栅信号采集的进程和一个加减计数器的进程。

AD转换器选用的是LINEAR公司生产的LTC1606，该器件是具有采样保持功能的16位250kHzADC。该ADC分辨率高，采样速率高、功耗小，可在高精度的数据采集系统中广泛应用。

光栅振动莫尔条纹的信号采集采用成直线排列的相位差为90°的四个光电池，分别记为1、2、3和4，如图1所示。它们接收由被测振动信号调制的莫尔条纹，并通过差动放大器、整形滤波器输出两路正交的正弦信号。这两路信号分成两组，其中一组经过鉴零比较电路转换成方波送入辨向电路为FPGA中加减计数器提供计数累加值和辨向信号。另一组则直接将放大的模拟电压信号送入两路AD转换器转换成数字量并存入FPGA。在FPGA中开辟3个双口RAM存储器用来顺序存放每一点的整周期计数值和两路波形的数字量，为DSP进行高倍细分提供基础数据。

3．1 双口RAM的设计

双口RAM是常见的共享式多端口存储器，双口RAM最大的特点是存储数据共享。一个存储器配备两套独立的地址、数据和控制线，允许两个独立的CPU或控制器同时异步地访问存储单元。由于硬件双口RAM接口时序复杂，成本高也会给系统带来不稳定性，因此本文在FPGA中设计了一软RAM，用来缓冲数据采集与处理之间产生的异步时差。

其工作原理如图2所示，所设计的存储空间为3个16字容量的双口RAM，当信号采集部分向新地址写入每一个振动点的三个信息量时(图中所示地址为15)，信号处理部分则读取先前振动点的三个信息量进行细分等处理(图中所示地址为0)，当双口RAM写满数据后，写地址指针又会重新定位到首地址写入新的数据，这种缓存结构的设立不会丢失信息点，保证了还原信号的连续性和可靠性，虽然还原信号滞后源信号3到4个字的时间，但保证了每一个点三个信息量的同步性，这是C语言等顺序结构语言所无法达到的。

3．2 双口RAM的流程图设计

首先是定义实体与外部端口，包括时钟、输入输出、读写地址端口。它们的作用分别是：

1)时钟端口：利用时钟的脉冲边沿来触发读写进程，使得新旧数据在双口RAM中交替进出。

2)输入输出端口：分别为16位的位矢量类型，用来保证与16位AD和DSP的数据格式匹配。

3)读写地址端口：2位的位矢量类型，用来设置16位字的存储器容量，并在读写RAM操作时提供地址选址信号。

其次是定义结构体，包括定义内部缓冲地址信号，并定义了一个容量为16字的Mem(存储器类型)型变量。

最后是并发进程的定义，包括写进程和读进程的定义，以时钟的脉冲信号作为敏感信号来触发进程的启动，每一个时钟周期完成一次对RAM的读写，其中时钟频率由FPGA根据AD的采样速度和DSP的处理速度来设定，要保证当采集信号写入尾地址的时刻，至少要保证首地址已经被DSP所读取。图3为双口RAM程序流程图。