基于DSP的TEM发射信号质量测量系统设计

张法全，高平东，王国富，曾庆宁

(桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林　541004)

0　引言

瞬变电磁法(TEM)是探测地下介质电性参数的重要方法，理想情况下，TEM发射机的发射电流为双极性电流波形[1]如图1(a)所示，但在实际中由于硬件和设计方法的制约电流波形呈现如图1(b)所示。因此在实际应用中对TEM发射机发射的双极性电流脉冲信号质量提出一系列的严格要求[2][3]：要求脉冲电流上升期(Ton)和关断期(Toff)时间短以及下降沿线性度高，稳态期(Ts)电流恒定，二次场采样期(Td)电流为零，正负信号对称，无电流过冲。对这些严格的信号指标要求，在以往设计发射机时都是通过示波器定性分析发射电流信号的质量，没有专门的测量仪器定量分析。

图1　TEM发射机发射电流图

针对TEM发射机的发射电流信号质量测量问题，提出了相应的参数算法，并设计了一款基于DSP技术的测量系统，完成了信号各种指标的参数测量。

1　信号质量参数算法

结合TEM发射机的发射电流信号的特征，给出评价信号质量的参数[4]，并对参数的计算以及代表的含义进行分析。对于等精度测量所得到的N组数据(xi，yi)，i=1，2…，N，xi值被认为是准确的，所有的误差只联系着yi。运用最小二乘法把测量数据拟合为直线，称此直线为这组数据的期望直线，

(1)

称这组数据偏离期望直线的程度为期望拟合度，定义为：

(2)

式中D为方差。

R越接近1，测量数据越接近于期望直线，说明拟合度越高，数据越稳定。

图2　电流信号质量测量图

在图2中，I(t)=Is是电流稳态期(Ts)的期望直线，反应的是稳定电流为Is。当期望直线的斜率b不为零时代表电流没有达到稳定。在计算期望直线拟合度Rs，反应信号的接近期望直线的程度，拟合度越高说明信号越稳定。I(t)=a+b·t是电流关断期(Toff)的期望直线，|b|为关断率，反应电流关断的快慢。对其求期望直线拟合度Roff，反应关断期信号线性下降的稳定性。同理可分析二次场采样期(Td)内的信号的特征。图2中Pos，Pus分别是电流信号的上、下过冲率计算方法，见式(3)，过冲率越小反应信号转折点处的质量越高。

Pos=|Imax/Is|，Pus=|Imin/Is|

(3)

2　系统总体结构设计

为了能够测量TEM发射电流信号质量参数并能够显示及存储，采用模块化设计思想。硬件部分包括电流信号传感器电路、信号调理程控电路、高速高精度A/D转换电路、触发电路、DSP处理器、LCD、SD卡等，如图3所示。通过传感器采集到电流信号经过调理电路送入A/D，最后由DSP处理器进行算法处理得到测试信号的参数指标。

图3　系统框图

DSP处理器选用的是TMS320F28335，具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道。与定点DSP相比，该DSP的精度高，成本低，功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大等，可以很好的满足系统算法的要求及实时性[5]。

3　系统硬件设计

3．1电流信号传感器设计

TEM发射机的发射电流范围是-70～+70 A，电流关断时间(Toff)在几十μs到一百多μs，因此要求电流传感器测量范围要宽，响应速度要快，并且对被测电路影响要小。若使用采样电阻直接串联在负载上，则会引入接入损耗，电流越大，损耗越大，并且存在很大的危险。因此选用霍尔电流传感器模块，它的优越性在于：响应时间快(≤1 μs)、低温漂、精度高(≤1.0%)、体积小、频带宽0～500 kHz、抗干扰能力强、过载能力强。非接触检测，使得强电与弱点隔离开来，这不但不影响被测电路，同时整个测量安全方便。该模块测量电流I范围是-100～+100 A，线性输出电压UO范围是-4～+4 V．整个性能指标都满足了设计要求指标。

3．2信号调理电路设计

信号调理电路处于电流传感器与A/D转换电路之间，起到承上启下的作用，使得这两部分能有机的结合起来正常工作[6]。AD转换电路要求输入信号的范围是-2～+2 V，因此需要对信号进行幅度上的调理。选用高速程控放大器AD8251与高速运放AD817组成信号调理电路，如图4所示。通过DSP控制AD8251的A0 A1 WR引脚可选为0.5、1、2或4倍不同的放大。为了适应AD转换器1 MHz的采样频率，根据香农采样定理，需要增加具有一定带宽的抗混叠低通滤波器，因此在AD817反馈回路上加一电容组成低通滤波器，改变容值可以改变截止频率。

图4　信号调理电路

3．3A/D转换电路设计

为了满足系统高速与高精度的要求，设计选用AD7723作为模拟/数字转换器件。AD7723是一款完全16位Σ-Δ型、1．2MSPS输出字速率、32×/16×过采样率、低通或带通数字滤波器、线性相位、2.5 V片内基准电压、灵活的并行或串行接口、晶体振荡器、采用+5 V电源供电的ADC。转换器的基本特征是过采样率噪声修整、数字滤波及采样输出。模拟输入由模拟调制器连续采样，因而无需外部采样保持电路。调制器输出由有限脉冲响应(FIR)数字滤波器处理。在大多数情况下，通过片内滤波并配合高的过采样比，可将外部抗混叠要求降至一阶。数字滤波器频率响应可编程为低通或带通；输出数据的频率是AD7723的参考时钟的16分频或32分频输出AD7723模拟信号输入的调整是用运放AD8047把单路信号转换为双输入的差分信号，连接方式如图5所示。电压输入范围是-2～+2 V．为了提高传输速度，采用AD7723与DSP微处理器并行接口模式。由于TMS320F28335与AD7723接口逻辑电平不兼容(TMS320F28335接口逻辑高电平为3.3 V，而AD7723逻辑高电平为5 V)，故两者之间加电平逻辑转换芯片74XX16374。AD7723工作模式在设计中采用16 MH外部晶振，实现16 MHz的过采样率，内部设置为低通16分频，实现1MSPS输出字速率，以中断方式通知DSP读取数据；可通过软件的控制是否读取数据。

图5　AD7723信号输入电路

3．4触发电路设计

在实际应用中，信号都会叠加一定幅度的噪声。在边沿触发时，如果只简单地设一个触发电平，噪声有可能使触发电路在设定的电平附近反复触发，系统难以正常工作[7]。解决方法是利用滞回触发窗。以上升沿触发为例，数字化触发脉冲的产生示意图如图6所示。在设计中选用带有滞回功能的高速比较器ADCMP552，改变HYS引脚上的电阻可以改变触发窗口宽度，改变VREF电压可以改变触发电平，这里使用的是过零比较。当信号光滑时，迭加的干扰小，窗口宽度可以设置得比较小，触发的灵敏度高；当信号和叠加的干扰大，适当调整增大触发窗口宽度，就可以保证观察到稳定的波形。输出的触发电平经过与门电路缓冲输入DSP边沿触发中断引脚实现边沿的触发。

图6　上升沿触发时序图

4　系统软件设计

软件在整个系统是控制硬件以及实现算法的关键。为了使软件结构便于管理，简化软件开发，设计采用模块化分层的思想，提高软件的可行性和稳定性。整个软件执行流程如图7(a)所示。

4．1变采样率采样软件实现

为了减少数据存储和计算量，并且不影响测量精度，设计通过软件控制实现变采样率模式采集数据。根据TEM发射信号的特点，在信号的边沿处变化快，其中下降沿部分是信号质量分析的关键数据，而其他部分的数据对信号的质量影响不大。因此，边沿处进行1MHz的密采样，其他部分进行小于1 MHz的疏采样。密采样是通过AD每次中断DSP都读取数据，疏采样是通过间隔DSP空读取数据实现。首先测量信号周期从而确定疏采样率，然后采集一个完整周期信号通过差分算法实现寻找边沿的位置，确定密采样区。信号周期通过两次电平触发电路的上升沿中断DSP之间AD以1 MHz中断DSP的次数计算。

根据设定的采样率进行AD采样，采样方式在中断服务程序中进行。由于AD的中断频率很高，这里要求服务程序短小，进而达到采样的实时性。中断程序流程图如图7(b)所示。采样周期是以电平触发中断开始到下一次中断结束。

(a)

4．2数据处理软件实现

软件数据处理是整个系统的核心，根据文中提出的方法分阶段计算信号的各种参数。首先对信号进行滑动平均滤波，采用差分方法找到边沿的中心，再根据信号幅值的变化计算出信号各阶段的时间参数，用期望直线及拟合度的算法计算各阶段的稳定度以及过冲率。最后得到信号质量评价的参数，反馈给用户。

5　测试实例

为了验证本设计系统的可行性，这里对某一型号的TEM发射机进行质量测量。发射机发射6.25 Hz 35A双极性脉冲电流信号，发射线圈是500 m×500 m 4匝线圈。数字示波器使用的是Tektronix TDS1012B-SC。

表1　实验结果

测试信号如图8所示，测试结果如表1所示。从表中可以看出，系统能够真实反映信号的质量评价指标。如在下降沿处，信号线性度很好但是存在15.39%过冲，因此期望拟合度下降，信号的稳定度较差。大量实验表明，该系统实用性强，能够满足用户的要求。

图8　测量信号时序图

6　结束语

文中针对TEM发射机的发射电流信号质量测量的需求，设计了一款基于DSP的TEM发射信号质量测量系统。通过实际测量，对文中提出的用期望拟合度反映信号各阶段稳定性具有很好的灵敏度，用过冲率反映信号在转折点处的稳定性，用关断期的期望直线斜率绝对值反映信号关断率，这些方法都能够很好地反映信号的质量。

该系统已应用于某瞬变电磁发射机生产质量的检测，提高了产品质量和生产效率。在进行物探之前对发射机的发射信号进行检测，确保设备正常工作。通过系统导出的发射波形的原始数据，可以应用于反演中一次场影响的算法研究，进而提高反演的可靠性。

参考文献：

[1]李俊唐，付志红，苏向丰，等．梯形脉冲瞬变电磁发射机．电测与仪表，2012，49(2)：72-75．

[2]于生宝，林君．瞬变电磁法中发射机关断时间的影响研究．石油仪器，1999，13(6)：15-17．

[3]白登海．瞬变电磁法中两种关断电流对响应函数的影响及其应对策略．地震地质，2001，23(2)：245-251．

[4]梁志国，郭洪侠．三角波信号沿线性度的统计分析评价方法．航空计测技术，2001，21(2)：3-5．

[5]王丽颖，赵春宇．基于DSP和ARM的电能质量监测系统．电子测量技术，2008，31(10)：64-67．

[6]牛海军，樊瑜波，杨松岩．基于ARM和DSP的超声膀胱容积检测与预警系统的设计．仪表技术与传感器，2011(8)：1858-1863．

[7]李毅，师奕兵，王厚军，等．数字存储示波器触发电路的数字化技术研究．仪器仪表学报，2004，25(3)：385-387，405．