基于DSP 的可控震源扫频信号的实现

饶 威

(江苏省电力公司检修分公司 常州工区，江苏 常州 213000)

可控震源是一种地震勘探信号激发设备，在石油勘探中具有施工成本低、安全环保、施工组织灵活、激发信号可人为控制等优点［1］。国内外地震施工中可控震源的应用较普遍，除水域、沼泽、直升飞机支持的山地之外，只要震源能驶入的地区均要求用可控震源施工。可控震源中的扫描信号发生器位于系统的最前端，其性能指标直接影响着电源干扰引起的谐波畸变，对地震资料质量和分辨率产生较大影响，而如何提高其幅值和频率精度是设计关键。

1 硬件设计

1.1 概述

系统的主要功能是实现模拟的扫频信号源，其主要原理为首先通过按键中断或上位机中断控制DSP芯片TMS320F2812 产生线性数字扫频信号，然后将此信号送入D/A 芯片DAC8565 中进行数模转换输出线性模拟扫频信号，经信号调理后输出系统，得到所需的信号源，其硬件流程方框图如图1 所示。

图1 系统硬件流程方框图

其中，按键中断通过GPIO 及PIE 的中断实现，上位机中断通过TMS320F2812 的SCI 模块中断实现。DSP芯片TMS320F2812 产生的数字信号通过其SPI 模块传输到D/A 转换芯片的DAC8565 中进行数模转换。

1.2 TMS320F2812 最小系统

一个典型的DSP 最小系统，包括DSP 芯片、电源电路、复位电路、时钟电路及串口通信电路等［2］。

(1)电源及复位电路设计。DSP 系统一般采用多电源系统，电源及复位电路的设计对于系统性能有重要影响。DSP 最小系统由5 V 电源供电，由于DSP 芯片供电电压为3.3 V，所以在设计电路时，需将5 V 电源转换为3.3 V 给CPU 供电，本文采用TI 公司的TPS767D318电源芯片。该芯片属于线性降压型直流变换芯片，由5 V电源可同时产生3.3 V、1.8 V 或2.5 V 两种不同的电压，其最大输出电流为1 000 mA，可同时满足一片DSP 芯片和少量外围电路的供电需求。该芯片的电源监控及复位管理功能也满足系统要求。

(2)时钟电路设计。TMS320F2812 DSP 的时钟有内接和外接两种方式。若采用内部振荡器，则必须在X1/XCLKIN 和X2这两个引脚之间连接石英晶振。若采用外部时钟，可将输入时钟信号直接连到X1/CI。KIN 引脚上，X2悬空。本文采用外部有源时钟方式，用一个3.3 V 供电的30 MHz 有源晶振，并通过编程实现F2812 的最高工作频率150 MHz。

(3)DSP 的串行接口设计。TMS320F2812 中SCI接口的TTL 电平和PC 机的RS－232C 电平不兼容，这就要求接口设计时必须考虑电平转换。设计选用MAX232N 驱动芯片进行串行通信，其符合RS－232 标准，功耗低、集成度高、+5 V 供电，具有两个接收和发送通道、并与TMS320 F2812 的两个SCI 接口匹配。

1.3 按键中断

如图2 所示，系统中断部分有4 个按键，分别为S1、S2、S3、S4，其功能分别为开始扫频输出/终止扫频输出、起始扫描频率设置/终止扫描频率设置、频率增加及频率减小。第一次按下S1时系统开始扫频输出，第二次按下S1时系统终止扫频输出。第一次按下S2时进行系统起始扫描频率设置，第二次按下S2时进行系统终止扫描频率设置。每按下S3一次，扫描频率增加一定值，同理，每按下S4一次，扫描频率减小一定值。

图2 系统按键中断原理图

每当有按键按下时，将造成XINT1 有一次电平跳变，通过TMS320F2812 芯片读取该跳变，启动GPIO 口读取按键信息，并通过相关判断程序判断哪个按键被按下，然后则进入相应按键的功能实现程序，以完成按键中断。

1.4 上位机中断

系统除了可采用按键中断控制扫频信号源外，还可通过DSP 芯片TMS320F2812 的SCI 口连接的上位机进行控制。其相关的接口原理如图3 所示。

图3 系统SCI 接口原理图

1.5 接口设计

经TMS320F2812 产生的线性数字扫频信号必须经数模转换后才可得到线性模拟扫频信号。设计采用D/A 转换器的芯片是DAC8565，其是一种低功耗、4 通道、16 位精度电压输出型数字模拟转换器，器件内部集成2.5 V，2 ppm/℃的内部参考电源，且还集成了串行SPI 通讯口，其时钟速率可达50 MHz。

系统由TMS320F2812 产生的数字扫频信号经SPI接口传入DAC8565 的数字信号输入端口，再经过数模转换输出模拟信号，并由信号调理通道输出所需的模拟扫频信号［3－4］。

2 软件设计

2.1 线性扫频信号原理

理论上，线性扫频信号的频率随时间线性变化，其可表示为

而正弦信号的产生形式为

从而θ(t)决定了以时间为函数的正弦信号的频率。对θ(t)求导可得瞬时频率fi(t)

从而

假设C=0，则s(t)的数学表达式为

式中，F1为扫描起始频率;F2为扫描终了频率;T 为扫描持续时间。在该表达式中未考虑START TAPER 和END TAPER 时段。

而实际应用中，则必须有TAPER 段。其数学表达式为

式中，A(t)项为TAPER 时窗段，其表达式为

式中，TD为扫频长度;T1为起始扫频时窗长度［5］。

2.2 按键中断

按键中断部分通过其响应程序对XINT1 口有无电平跳跃进行判断，以确保是否有按键被按下。若有按键按下，TMS320F2812 芯片中对应按键功能的实现程序将会被启动，从而实现相应按键的功能，完成按键中断，其流程如图4 所示。

图4 按键中断部分流程图

2.3 上位机中断

上位机中断部分，可通过ARM 开发板或PC 机与TMS320F2812 芯片进行SCI 口通信实现中断控制。当上位机为PC 机时，可通过软件编程构造如图5 所示的上位机控制界面。并通过鼠标和键盘在界面上进行相应操作来控制扫频信号源的工作。

2.4 数模转换部分

此部分为系统重要组成部分，功能是将系统前端产生的数字扫频信号进行数模转换，并进行信号调理，从而输出系统所需的模拟扫频信号。其中TMS320F2812 产生的数字扫频信号经其SPI 口输出并传送至数模转换芯片DAC8565 的数字信号输入端口，在DAC8565 中经数模转换后得到模拟扫频信号，再经过调理通道对其进行幅值缩放和过滤处理使其输出幅值为所需范围，且使其波形信号的畸形部分大幅消减，从而使波形失真度更小。其主要过程如图6 所示［6］。

图6 数模转换部分主要过程

3 系统仿真

设置起始频率6 Hz，终止频率80 Hz，时窗为0.5 s。经仿真得到结果如下。

图7 线性扫描信号波形

图8 频率/时间曲线

图9 幅值谱

图10 自相关子波图形

由上图可知，经上述方法产生的线性扫频信号的频率输出线性度好、精度高、波形稳定、失真小且抗干扰能力强，且对该扫频信号发生器的操作方便，运行较为稳定，满足工程应用要求［7］。

4 结束语

本文提出了一种基于DSP 平台线性扫频信号发生器的实现方案，详细介绍了设计原理，论述了设计过程中所需完成的关键内容。利用DSP 快速的运算速度，实时产生线性扫频信号。系统以型号为TMS320F2812的DSP 芯片作为运算处理及中断响应芯片来产生数字量扫频信号，并利用D/A 转换器DAC8565 进行数模转换，然后经信号调理输出模拟扫频信号，该新型扫频信号发生器的发展前景广阔。

［1］ 刘金中，马铁荣.可控震源的发展状况［J］.石油科技论坛，2008(5):38－42.

［2］ 高翠云，江朝晖，孙冰.基于TMS320F2812 的DSP 最小系统设计［J］.电气电子教学学报，2009，31(1):83－85.

［3］ 苏奎峰，吕强，常天庆，等.TMS320X281xDSP 原理及C 程序开发［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008.

［4］ 万山明.TMS320F281xDSP 原理及应用实例［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007.

［5］ 王正刚.基于DSP 的数字信号发生器设计［M］.南京:南京理工大学，2009.

［6］ 张建文.基于DDS 的扫频信号发生器的研究与实现［D］.西安:西北工业大学，2005.

［7］ 沈媛媛，郑恭明，刘益成，等.基于ARM+DSP 架构的可控震源扫描信号发生器设计［J］.物探装备，2010，3(20):141－144.