基于DSP的可控震源扫频信号的实现设计方案.doc

基于DSP的可控震源扫频信号的实现设计方案第1章 绪论本章首先对可控震源的发展作了一个简单的概述。然后介绍了其主要使用的信号扫频信号，并分析了国内外扫频信号的研究状况，由此指出本课题的研究意义，并给出本论文的主要工作及章节安排。1.1课题研究背景我国是世界上地震多发的国家之一，地震给城市安全带来的隐患已引起国人的高度重视。城市活断层的探测对于城市规划、抗震设防、减轻地震对城市设施的破坏、确保城市安全和人民生命财产不受到威胁都具有重要的现实意义。浅层高分辨率地震探测是城市活断层探测手段中最有效、最可靠的方法之一，可以在地表探测到地下活断层的位置、埋深、产状和空间展布情况。炸药震源虽然具有脉冲特性良好和能量高的优点，但由于在震源附近具有很强的破坏性，不适于在城市人口稠密区和工业区使用。夯击震源虽然比炸药震源的破坏力小，但对震源附近的居民楼和城市建筑设施以及城市地下的煤气、自来水等各种管道仍然存在着潜在的威胁。可控震源向地下发射的不是脉冲波，而是持续时间很长，频率和振幅都可控制的震荡波，对城市居民和建筑设施没有危害，因此，可控震源是城市浅层地震探测最合适的震源。可控震源目前有液压式和电磁驱动式两类。液压式可控震源较为笨重，在城市重型车不能进入或不宜进入的地方不便使用，且扫描驱动信号频带相对较窄。而电磁驱动式可控震源轻便灵活，在城市中使用不受限制，扫描驱动信号频带宽，从理论上说，可以实现高分辨率城市地下探测的目的。此外，由于地震勘探方法与传统的电法、重力和磁法等非震地球物理勘查技术相比具有勘探深度大、精度高的优点，因此，可控震源地震勘探技术在油气资源和矿产资源勘探中的应用也有广阔前景。对于可控震源地震勘探而言，来自地下不同界面的多个持续时间很长的反射扫频信号相互交叠在一起，使得在原始地震记录剖面上不能直接识别对应不同地下反射界面的反射信息，必须采用相关处理技术把接收到的反射地震信号压缩转化为脉冲反射地震信号才可以识别。目前，这种相关处理技术普遍存在着一个致命的弱点，就是在相关地震剖面中伴随有严重的旁瓣和相关噪声，使地震记录的分辨率大大降低。攻克旁瓣和相关噪声这一制约可控震源高分辨率城市地震探测的关键问题就显得尤为迫切。可控震源中的扫描信号发生器位于整个系统的最前端，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，国内外研究人员也相当关注在提高它的幅值和频率精度方面的创新与发展。1.2 国内外研究现状1950年,美国大陆石油公司(CONOCO)开始研究用连续振动地震信号进行地震勘探。这一方面固然是由于对非炸药地面震源的需求,更重要的则是受到雷达技术发展的启发。最有影响的恐怕是李郁荣（Y.W.Lee）和J.B.Weisner用相关方法从噪音背景中提取信号的工作了。1958年10月在美国的俄克拉荷马州（OKLAHOMA）的庞卡(PONCA)城第一次作了用可控震源勘探的公开表演,1961年可控震源开始用于商业性勘探活动。可控震源施工效率高,成本低,在钻井困难地区尤为明显；可以在城市、工业区使用。在某些地区使用可控震源获得的资料甚至比井炮的资料还好。如今,它己经成为一种应用广泛的勘探工具了。爆炸震源和落重等非爆炸地面震源产生的地震信号的作用时间很短,不能人为地控制,统称为脉冲震源。可控震源产生的是作用时间和频率成分可控的连续振动信号,使用脉冲震源得到的地震记录直接可供解释。而对于可控震源,由于扫描长度TL往往比最深目的层的反射时间还长,地下各反射层反射回来的信号重叠在一起,构成复杂的波形,无法用于解释。因此,必须将它与已知信号相关后才能得到可供解释的地震记录。可控震源和其它地面震源产生的都是弱功率信号,但是可控震源能成功地用于地震勘探，其原因在于它能够精确地、重复地产生同一参数的连续振动信号。所以可以用数台可控震源同时工作以增强在地下传播的信号强度,并用直接叠加的方法累积能量。目前,最常用的连续振动地震信号是线性扫频正弦信号。1.3 课题研究目的可控震源中的扫描信号发生器位于整个系统的最前端，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，因此如何提高它的幅值和频率精度成为设计可控震源的一个很重要的课题。本设计通过对DSP相关芯片进行软件编程，并采用相关接口技术产生所要求的频率扫描信号对以上性能指标的改善有着明显的作用。1.4 论文主要内容本文主要是基于DSP芯片TMS320F2812的可控震源的扫频信号发生器的软、硬件设计与实现，本文共分为五章。第一章通过对可控震源的相关介绍系统地论述了扫频信号源的设计背景、国内外研究现状及研究的目的。第二章从DSP芯片的发展、DSP的分类和特点、DSP的生产现状和DSP的应用几个方面对DSP 进行了简单介绍。第三章为对系统硬件设计方案的描述，重点论述了TMS320F2812、DAC8565芯片的结构和功能，并叙述了系统的硬件模块及相应的接口电路。第四章为系统软件设计方案的描述，首先介绍了CCS及Visual C+集成开发环境，然后对系统的软件流程图进行概述，最后详细论述了每个模块的软件实现方案。第五章分析了本系统设计的优势和不足，并对扫频信号源的发展做出展望。45第2章 DSP简介第2章 DSP简介2.1 DSP芯片的发展现状DSP(Digital Signal Processor数字信号处理器)芯片，是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。它不仅具有可编程性，而且它的实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。DSP既是Digital Signal Processing的缩写(数字信号处理的理论和方法)又或者是Digital Signal Processor (用于数字信号处理的可编程微处理器)的缩写。我们所说的DSP技术，则一般指将通用的或专用的DSP处理器用于完成数字信号处理的方法和技术。一个典型的DSP系统如图2-1所示。图2-1典型的DSP系统世界上第一个单片DSP芯片是1978年AMI公司宣布的S2811，1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片的一个主要里程碑。这两种芯片内部都设有现代DSP芯片所必须的单周期芯片。1980年，日本NEC公司推出的PD7720是第一个具有乘法器的商用DSP芯片。第一个采用CMOS工艺生产浮点DSP芯片的是日本的Hitachi公司，它于1982年推出了浮点DSP芯片。1983年，日本的Fujitsu公司推出的MB8764，其指令周期为120ns，且具有双内部总线，从而使处理的吞吐量发生了一个大的飞跃。而第一片高性能的浮点DSP芯片应是AT&T公司于1984年推出的DSP32。在众多的DSP芯片种类中，最成功的是美国的德克萨斯仪器公司(Texas Instruments，简称TI)的一系列产品。TI公司于1982年成功推出其第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011、TMS32C10/C14/C15/C16/C17等，之后相继推出了第二代DSP芯片TMS32020 TMS320C25/C26/C28，第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32，第四代DSP芯片TMS320C4O/C44，第五代DSP芯片TMS320C5X/C54X，集多片DSP芯片于一体的高性能DSP芯片TMS32C8X，以及目前速度最快的第六代DSP芯片TMS320C62/C67X等。TI公司常用的DSP芯片可以归纳为三大系列，即：TMS320C2000系列(包括TMS32OC2XX/C24X/C28X等)、TMS320C5000(包括TMS320C54X/C55X)、TMS320C6000系列(包括TMS320C62X/C67X/等)。如今TI公司已经成为世界上最大的DSP芯片供应商，其DSP市场占有量占全世界份额的近50%。自1980年以来，DSP芯片得到了突飞猛进的发展，DSP芯片的应用越来广泛。从运算速度来看，MAC(一次乘法和一次加法)时间已经从80年代初的400ns(如TMS32010)降低到10ns以下(如TMS320C54、TMS320C62X/C67X/C64X等)，处理能力提高了几十倍，甚至上百倍。DSP芯片内部关键的乘法器部件从1980年的占模片区(die area)的40%左右下降到5%以下，片内RAM增加一个数量级以上。从制造工艺来看，1980年采用4m的N沟道MOS(NMOS)工艺，而现在则普遍采用亚微米(Micron)CMOS工艺。DSP芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的200个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加。此外，DSP芯片的发展，使DSP系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。由于各DSP厂家的竞争及生产工艺的不断提高，使得DSP器件的价格不断下降，且性能不断提高，这些年来基本上按照这样一种规律发展:约每18个月性能提高一倍，而价格下降一半，这就是著名的摩尔定律。DSP器件应用面从起初的局限于军工、航空航天等领域，扩展到今天的诸多电子行业及消费类电子产品中。2.2 DSP的特点与分类DSP芯片一般具有如下主要特点:(1)在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法;(2)程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据;(3)片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问;(4)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持;(5)快速的中断处理和硬件I/O支持;(6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器;(7)可以并行执行多个操作;(8)支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。DSP的芯片可以按照以下的三种方式进行分类:(l)按基础特性分这是根据DSP芯片的工作时钟和指令类型来分类的。如果DSP芯片在某时钟频率范围内的任何频率上能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类DSP芯片一般称之为静态DSP芯片。如果有两种或两种以上的DSP芯片，它们的指令集和相应的机器代码及管脚结构相互兼容，则这类DSP芯片称之为一致性的DSP芯片。(2)按数据格式分这是根据DSP芯片工作的数据格式来分类的。数据以定点格式工作的DSP芯片称之为定点DSP芯片，以浮点格式工作的DSP芯片称为浮点DSP芯片。不同的浮点DSP芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的DSP芯片采用自定义的浮点格式，有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式。(3)按用途分按照DSP芯片的用途来分，可分为通用型DSP芯片和专用型的DSP芯片。通用型DSP芯片适合普通的DSP应用，如TI公司的一系列DSP芯片。专用型DSP芯片为特定的DSP运算而设计，更适合特殊的运算，如数字滤波，卷积和FFT等。2.3 DSP器件现状目前，DSP器件的发展呈现多元化趋势，比较有代表性的生产厂家有TI公司、AD(Analog Devices Inc.)公司、Lucent公司和Motorola公司。在全球DSP产品市场中TI公司独占鳌头占世界市场45%的份额，其次是朗讯(28%)、AD(12%)、摩托罗拉(12%)、其他公司(3%)。TI公司是DSP业界的领头羊，该公司于80年代初第一个推出了商用的DSP典型代表产品是TI的TMS320系列，其中包括定点系列产品、浮点系列产品和多处理器系列产品，每一系列的DSP中又有许多不同的品种。每一个系列的DSP对应于不同的应用。TI公司还提供领先的DSP技术支持和服务，TI公司于几年前提出“DSP解决方案”(DSPS)的理念，以DSP为核心，配合先进的混合信号存储器、专用集成电路(ASlC)软件及开发工具组成的一套完整的解决方案，能广泛应用于各个领域。DSPS己经普遍地应用于许多产品中，包括数字式移动电话、磁盘控制器、DVD驱动器、高速调制解调器等。AD是另一个著名的DSP生产厂家。AD以大量消费类和准消费类设备来定位自己的客户对象和应用方向，用AD的低价位32bit浮点DSP直接与TI公司的低价浮点DSP及Motorola公司的24bit定点DSP进行竞争。Lucent的DSP业务主要集中在通信产品上，这是该公司的传统强项。目前Lucent己全面推出16000系列DSP，16000系列主要面向底层通信的应用，具有较大的内存。Lucent在看好GSM制式移动电话市场的同时，己经将目光移向下一代移动通信系统CDMA，它的16000系列DSP就是严格遵照主要的无线通信标准来的。Motorola也致力于发展DSP技术，开发DSP产品，新款DSP提供极小的功率和102K字节片上SRAM，将满足多通道数据处理等应用方案中对更高性能的信号传输要求，而系统成本相应得到降低。2.4 DSP的应用目前，DSP的价格越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。其主要应用领域有:1)信号处理如数字滤波、自适应滤波、快速傅里叶变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等;2)通信如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、可视电话等;3)语音如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人识别、说话人确认、语音邮件、语音存储等;4)图形图像如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强与动画、机器人视觉等;5)军事如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航、导弹制导等;6)仪器仪表如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等;7)自动控制如引擎控制、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等；8)医疗如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等;9)家用电器如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电话/电视等。并且随着DSP芯片性能价格比的不断提高，DSP芯片将会在更多的领域内得到更为广泛的应用。2.5 本章小结DSP既是Digital Signal Processing的缩写(数字信号处理的理论和方法)，又是Digital Signal Processor (用于数字信号处理的可编程微处理器)的缩写。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。它不仅具有可编程性，而且它的实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。目前，DSP器件的发展呈现多元化趋势，比较有代表性的生产厂家有TI公司、AD(Analog Devices Inc.)公司、Lucent公司和Motorola公司。本章还对DSP的分类、特点及其应用进行了简单的叙述。第3章 系统硬件的设计第3章 系统硬件的设计3.1 概述本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（ARM开发板或PC机）中断控制DSP芯片TMS320F2812产生线性数字正弦扫频信号，然后将此信号送入D/A转换芯片DAC8565中进行数模转换输出线性模拟正弦扫频信号，经过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3-1所示。图3-1 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（ARM开发板/PC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DAC8565中进行数模转换。3.2 TMS320F2812结构原理介绍3.2.1 TMS320F2812资源介绍TMS320C28x是TI新推出的TMS32C2000系列中的高端DSP系列，具有32位的寻址能力和运算能力。TMS320F2812是该系列中性价比较理想的一款DSP芯片，具有运行速度快、外设集成度高、存储空间大，对一个特定的应用来讲，处理器的一个关键指标是其运行速度。TMS320F2812的处理器速度达到了150Mbps。其主要特点如下:1.高性能CPU(l)150Mbps的指令执行速度;(2)单周期完成3232位的乘法器或者双16l6位;(3)快速中断响应;(4)单指令周期的读写操作;(5)与TMS320F24x/TMS320LF240x源码兼容。2.存储器访问子系统(l)无论是在RAM还是在FLASH中程序都能以非常高的速度运行;(2)100120MIPS的FLASH访问技术;(3)150MPS的外部RAM访问速度。3.控制端口(l)事件管理器A、B;(2)高速12位的模数转换器;(3)高达12.5MSPS的转换速度;(4)双采样/保持实现两路同步采样;(5)自动排序最多支持16个采样通道。4.通信端口(l)具有多通道缓冲串口(McBSP);(2)具有CAN2.0B;(3)具有SCI口;(4)具有SPI口。TMS320F28xx是作为TMS320LF24xx系列的升级产品推出来的，它兼容了TMS320LF24xx系列的所有功能，并对这些功能进行了强化。TMS320LF24xx系列的运行速度最高只有40MIPS百万条指令/秒，而TMS320F28xx系列提高150MIPS的指令运行速度，模数转换速度、各个通讯口的速度也比TMS320LF24xx系列有了非常大的提升。最重要的是，TMS320LF28xx系列的DSP采用32位总线，所有寄存器支持32位数据的操作，也支持16位数据的操作。TMS320F2812的引脚封装图如图3-2所示。图3-2 TMS320F2812引脚封装图TMS320F2812功能框图如图3-3所示。图3-3 TMS320F2812功能框图3.2.2 TMS320F2812时钟TMS320F2812的CPU时钟电路为图3- 4所示。图3-4 TMS320F2812的CPU时钟电路TMS320F2812的CPU最高可工作在150MHz主频下，片上带PLL(Phase Locked Loop锁相回路或锁相环)。PLL用于振荡器中的反馈技术电路，可以通过软件控制倍频系数。其外接晶体时钟频率为30MHz，可以通过修改PLL控制寄存器5倍频得到CPU所需要的最高的150MHz时钟频率。PLL倍频系数由PLL控制寄存器PLLCR的低四位控制，可由软件动态的修改，外部复位信号(XRS)将此四位控制位清为0(CCS中的复位命令将不会对此4位控制位做清0操作)，PLLCR控制位与倍频系数的关系如图3-5所示。图3-5 PLLCR控制位与倍频系数的关系但是应该注意到的是，本系统中所需要的CPU时钟频率为100MHz，又因为标准模板上晶振的振荡频率为30MHz，因此只通过改变PLL的系数是不能得到本系统所需要的CPU时钟频率的，故只能更换硬件，即更换为一个20MHz的晶振，再设置PLL控制寄存器为5倍频，最终得到了本系统所需要的100MHz时钟频率。3.2.3存储空间TMS320F2812为哈佛结构的DSP，在逻辑上有4Ml6位的程序空间和4M16位的数据空间，但物理上已将程序空间和数据空间统一为一个4Ml6位的存储空间，TMS320F2812的存储空间的映射如图3-6所示。图3-6 TMS320F2812的存储空间映射TMS320F2812片上有128Kl6位的FLASH、18Kl6位的SRAM、4Kl6位的Boot ROM和1K16位的OTP ROM。在SEED-DEC2812模板上还外扩了SRAM (256K16位)、扩展总线和若干个控制/状态寄存器(如USB接口、D/A输出寄存器等)。在TMS320F2812中，USB2.0被映射在DSP的Zone0区域(地址空间为0x002000-0x003FFF)，Zone2区域(地址空间为:0x080000-0x0FFFF)被作为外扩空间，模板中没有使用。这可以用于支持中断产生电路，我们把中断产生电路的中断源(中断状态寄存器)映射在0x08，FFFF地址。3.2.4 中断由于TMS320F28x系列DSP片上有非常丰富的外设，每个片上外设均可产生1个或多个中断请求，所以TMS320F28x系列DSP的中断要比其它系列DSP复杂。TMS320F2812的中断有两级组成，一级是PIE中断，另一级是CPU中断，它的构成如图3-7所示。图3-7 TMS320F2812中断构成TMS320F2812只有32个CPU中断源，而TMS320F28x系列的DSP上有很多片上外设，每个片上外设可能产生1个或多个中断请求，以响应众多的片上外设事件。CPU没有足够的中断源来管理所有的片上外设中断请求，所以在F28x系列DSP中设置了一个外设中断扩展控制器(PIE)来管理片上外设和外部引脚引起的中断请求。TMS320F28x系列DSP的片上外设中断共有96个，被分为12个组，每组内有8个片外设中断请求。TMS320F2812有3个外部中断引脚:XINT1、XINT2和XNMI_INT13，每个中断可以设置为上升沿触发或下降沿触发，也可以被使能或禁止。PIE复用中断原理图如图3-8所示。图3-8 利用PIE复用中断PIEIER八比特寄存器用于控制使能或屏蔽各个PIE中断，PIEIFR寄存器为中断标志寄存器，用来记录哪些中断产生。3.3 DAC8565结构原理介绍3.3.1 D/A转换器概述数模转换器，又称D/A转换器，简称DAC，它是把数字量转变成模拟的器件。D/A转换器基本上由4个部分组成，即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。模数转换器中一般都要用到数模转换器，模数转换器即A/D转换器，简称ADC，它是把连续的模拟信号转变为离散的数字信号的器件。3.3.2 DAC8565结构及功能简介DAC8565是一种低功耗、四通道、16位精度电压输出型数字模拟转换器，器件内部集成2.5V、2ppm/的内部参考电源，内部还集成串行SPI通讯口，其时钟速率可达50MHz。其内部结构如图3-9所示。图3-9 DAC8556内部结构图其封装及引脚排列如图3-10所示。图3-10 DAC8556封装及引脚排列图其各个引脚的功能叙述如图3-11所示。引脚名称引脚功能说明1 VOUTAA路模拟电压输出2 VOUTBB路模拟电压输出3 VREFH/VREFOUT高电平参考输入/4 AVDD2.7V-5.5V供电电源输入5 VREFL低电平参考输入6 GND电路接地参考点7 VOUTCC路模拟电压输出8 VOUTDD路模拟电压输出9 低电平触发控制输入10 SCLK串行时钟输入11 DIN串行数据输入12 IOVDD数字输入输出供电电源13 复位14 RSTSEL复位选择15 低电平使能16 LDACDAC寄存器载入图3-11 DAC8565引脚功能描述其工作时序图如图3-12所示。图3-12 DAC8565工作时序图3.4 系统硬件接口技术3.4.1 TMS320F2812最小系统一个典型的DSP最小系统如图3-13所示，包括DSP芯片、电源电路、复位电路、时钟电路及JTAG接口电路。考虑到与PC通信的需要，最小系统一般还需增添串口通信电路。图3-13 DSP最小系统框图TMS320F2812是TI公司C2000系列中性价比较高的一款器件。该器件集成了丰富而又先进的外设，如128kB的Flash存储器、4kB的引导ROM、数学运算表、电机控制外设、串口通信外设、2kB的OTP ROM以及16通道高性能12位模数转换模块，提供了两个采样保持电路可以实现双通道信号同步采样，同时具有很高的运算精度(32位)和系统处理能力(达到150MIPS)，可广泛应用于电力自动化、电机控制和变频家电等领域。(1)电源及复位电路设计DSP系统一般都采用多电源系统，电源及复位电路的设计对于系统性能有重要影响。TMS320F2812是一个较低功耗芯片，核电压为18V，IO电压为33V。本文采用TI公司的TPS767D318电源芯片。该芯片属于线性降压型DCDC变换芯片，可以由5V电源同时产生两种不同的电压(33V、18V或25V)，其最大输出电流为1000mA，可以同时满足一片DSP芯片和少量外围电路的供电需要，如图3-14所示。该芯片自带电源监控及复位管理功能，可以方便地实现电源及复位电路设计。复位电路原理图如图3-15所示。图3-14 电源电路原理图图3-15 复位电路原理图 (2)时钟电路设计TMS320F2812 DSP的时钟可以有两种连接方式，即外部振荡器方式和谐振器方式。如果使用内部振荡器，则必须在X1XCLKIN和X2两个引脚之间连接一个石英晶体。如果采用外部时钟，可将输入时钟信号直接连到X1CI。KIN引脚上，X2悬空。本文采用的足外部有源时钟方式，直接选择一个33V供电的30MHz有源晶振实现。系统工作是通过编程选择5倍频的PLL功能，可实现F2812的最高工作频率(150MHz)。晶振电路如图3-16所示。图3-16 晶振电路(3)DSP与JTAG接口设计DSP仿真器通过DSP芯片上提供的扫描仿真引脚实现仿真功能，扫描仿真消除了传统电路仿真存在的电缆过长会引起的信号失真及仿真插头的可靠性差等问题。采用扫描仿真，使得在线仿真成为可能，给调试带来极大方便。JTAG接口电路如图3-17所示。图3-17 JTAG接口电路 (4)DSP的串行接口设计由于TMS320F2812中SCI接口的TTL电平和PC机的RS-232C电平不兼容，所以连接时必须进行电平转换。本设计选用符合RS-232标准的MAX232N驱动芯片进行串行通信。MAX232芯片功耗低，集成度高，+5V供电，具有两个接收和发送通道，刚好与TMS320 F2812的两个SCI(A和B)接口相匹配。电路设计如图3-18所示。图3-18 RS-232接口电路(5)通用扩展口设计考虑到系统的通用性问题，本系统设计时将F2812所有的非空引脚全部引出，而且按照其功能模块进行有规律排列，设计了5个双排接插件将其引出。3.4.2 系统按键中断原理如图3-19所示，系统按键中断部分有四个按键，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、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。每当有按键按下时，将会造成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是具体哪一个按键被按下，然后就会进入相应按键的功能实现程序，完成按键中断。其具体流程如图3-20所示。图3-19 系统按键中断原理图图3-20 系统按键中断流程图3.4.3 系统上位机中断原理系统除了可以采用按键中断控制扫频信号源之外，还可以通过DSP芯片TMS320F2812的SCI口连接的上位机（如ARM开发板或PC机等）进行控制。其相关的接口原理图如图3-21所示。图3-21 系统SCI接口原理图当上位机为PC机时，我们可以通过软件编程构造如图3-22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。图3-22 在qvfb上模拟参数设置界面图3.4.4 TMS320F2812与DAC8565接口技术经TMS320F2812产生的线性数字正弦扫频信号必须经过数模转换后才可以得到线性模拟正弦扫频信号。在本设计中，我们采用的D/A转换器的芯片是DAC8565，它时一种低功耗、四通道、16位精度电压输出型数字模拟转换器，器件内部集成2.5V,2ppm/的内部参考电源，内部还集成串行SPI通讯口，其时钟速率可达50MHz。本系统中由TMS320F2812产生的数字扫频信号经其SPI接口传入DAC8565的数字信号输入端口，经过数模转换输出模拟信号，在经过信号调理通道输出所需的模拟扫频信号。它们之间的接口原理如图3-23所示。图3-23 系统数模转换部分接口原理图系统数模转换部分的信号流程如图3-24所示。图3-24 数模转换部分信号流程3.5 本章小结本章主要介绍系统的硬件结构及其功能实现。首先分别对TMS320F2812和DAC8565的结构和其功能进行了阐述，然后根据系统构成模块，逐一地详细叙述了DSP最小系统、扫频数字信号产生、扫频信号D/A转换、扫频信号的调理等部分的硬件结构实现原理及其实现方法。其中，系统的案件中断通过GPIO及PIE的中断实现，上位机（ARM开发板/PC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DAC8565中进行数模转换。转换后模拟信号经过调理输出所需线性正弦扫频信号。第4章 系统软件的设计第4章 系统软件的设计4.1 概述本系统软件部分主要采用TI公司的DSP集成开发环境CCS（Code Composer Studio）进行C语言和汇编语言编程。系统的软件设计主要包括三部分:外设模块驱动程序的设计（主要为系统按键中断及上位机中断部分）、系统处理主程序设计、扫频信号数模转换程序的设计。各模块驱动程序的设计为系统硬件提供了访问函数的接口，便于系统功能的实现。数字量扫频信号的产生是由DSP的外部按键中断服务程序和上位机中断服务程序来实现的。通过按键或上位机（ARM开发板或PC机）进行起始频率、终止频率的设定并控制扫频信号源的扫频信号产生的开始和停止。经过软、硬件的调试，数字信号发生器所产生的线性扫频信号波形信号具有精度高，波形稳定，失真小的特点；并且系统工作可靠稳定，操作简单实用，具有很好的应用前景。4.2 软件设计平台4.2.1 引言TI公司的DSP集成开发环境CCS(Code Composer Studio)，是一个基于Windows的DSP开发平台，可以加速和提高程序员创建和测试实时嵌入式信号处理系统的开发过程，从而缩短将产品推向市场所需要的时间。CCS是一个完整的DSP集成开发环境，也是目前最优秀、最流行的DSP开发软件之一。在本文中，DSP系统主程序的开发、按键中断程序的开发、D/A转换程序的开发以及系统的测试和程序调试工作均以CCS软件为平台完成。4.2.2 CCS主要功能CCS主要包含了以下功能:(l)集成可视化代码编辑界面，可直接编写C、汇编、.h文件、.cmd文件等(2)集成代码生成工具，包括汇编器、优化C编译器、连接器等;(3)基本调试工具，如装入执行代码(.out文件)，查看寄存器、存储器、反汇编、变量窗口等，支持C源代码级调试;(4)支持多DSP调试;(5)断点工具，包括硬件断点、数据空间读/写断点，条件断点(使用GEL编写表达式)等;(6)探针工具(Probe Points)，可用于算法仿真、数据监视等;(7)分析工具(Profile Points)，可用于评估代码执行的时钟数;(8)数据的图形显示工具，可绘制时/频域波形、眼图、星座图、图像等，并可自动刷新(使用Animate命令运行);(9)提供GEL工具，用户可以编写自己的控制面板/菜单，方便直观地修改变量，配置参数等;(10)支持RTDX(Real Time Data Exchange)技术，可在不中断目标系统运行的情况下，实现DSP与其他应用程序(OLE)的数据交换;(11)开放式的Plug-in技术，支持第三方的ActiveX插件。支持包括软仿真在内的各种仿真器(但需安装相应的驱动程序);(12)提供DSP/BIOS工具，增强对代码的实时分析能力(如分析代码执行的效率)、调度程序执行的优先级、方便管理或使用系统资源(代码/数据占用空间、中断服务程序的调用、定时器使用等)，从而减少了开发人员对硬件资源熟悉程度的依赖。4.2.3 CCS主要操作CCS主要通过下列操作实现软件的调试功能:(1)设置可选择步数的断点;(2)在断点处自动更新窗口:(3)查看变量;(4)观察和编辑存储器和寄存器;(5)观察调用堆栈;(6)对流向目标系统或从目标系统流出的数据采用探针工具观察，并收集存储器映像;(7)绘制选定对象的信号曲线;(8)估算执行统计数据;(9)观察反汇编指令和C指令CCS提供GEL语言，它允许开发者向CCS菜单中添加功能。4.3 软件流程图及功能的实现4.3.1 数字信号产生部分目前，在可控震源施工中，最常用的信号是被称为鸟声信号的扫描信号。鸟声信号是二次世界大战后期，为了解决雷达的水声技术中既要有大的信号能量又要求高分辨率矛盾而设计出来的信号单元。这种信号具有相对稳定的振幅，信号频率随时间表呈线性变化，它的数学表达式为：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。在该表达式中没有考虑START TAPER和END TAPER时段 。而实际应用中，则必须要有TAPER段。震源可实现的信号类型一、正弦扫描信号1线性正弦扫描信号它的数学表达式为： 式中的A(t)项为TAPER时窗段，它的表达式为：式中的TD为扫频长度，T1为起始扫频时窗长度。下图为我们现在使用的PELTON系统关于信号定义的操作界面及定义菜单如下：图1 线性扫描信号定义菜单图2 一个4S、起始频率6HZ，终了频率80HZ，时窗为0.5S的线性扫描信号图3 上述线性扫描信号的频率/时间曲线图4 上述线性扫描信号的幅值谱图5 上述线性扫描信号的自相关子波图形可控震源还可生产其它类型信号。2、对数扫描信号；对数扫描信号分为DB/HZ，DB/OCT两种类型，它们的表达式分别为：扫频信号：式中F(t)为瞬时频率，K为Boost_dB/Hz。T为时间，T为扫频信号时间长度。F2为截止频率，F1为开始频率。对上式积分既可求频率与时间的关系。设，则上式可以化简为dB/oct扫频美国PELTON公司的VIB PRO系统有关dB/Oct扫描信号定义菜单界面图6 dB/Oct信号的定义菜单，图中的“CONSTANT”定义波形的频率变化程度图7 dB/Oct信号的频率/时间变化曲线图8 dB/Oct信号的幅值谱图9 dB/Oct信号的自相关子波波形3、时间幂扫描信号；T-power扫频注：上述3种信号表达式均未加包络时窗，实际生成这些信号时，则必须加时窗。二、脉冲信号可控震源所使用的脉冲信号主要用于检查可控震源系统极性，或者用于浅层地震勘探。对脉冲信号的定义主要需要确定脉冲信号的中心频率及脉冲信号类型。图10 脉冲信号波形和幅值谱三、伪随机编码扫描信号； 伪随机编码信号与上述的基本扫描信号和脉冲信号不同之处在于：伪随机编码信号所生成的信号频率成份在可控震源所激发的信号频带内不一定呈现出某种函数关系变化规律，是随机变化的； 在同样的激发信号驱动幅度、扫描信号长度下，伪随机编码信号所产生的能量要比正弦扫描信号所产生的信号能量小的多。 由于随机扫描信号不会像正弦扫描信号那样激发出某种谐振频率能量，因而不会对公共设施和建筑造成破坏，因此，伪随机编码信号可用于对地震信号敏感区域，如城镇、居民区、水坝等建筑物密集地区的地震勘探。图11 680HZ伪随机编码信号定义菜单图12 680HZ伪随机编码信号波形图13 680HZ伪随机编码信号幅值谱波形图14 680HZ伪随机编码信号自相关子波波形4.3.2 按键中断程序部分4.3.3 上位机中断部分4.3.4 数模转换部分4.4 本章小结第5章 系统设计的结论与展望第5章 系统设计的结论与展望5.1 结论可控震源中的扫描信号发生器位于整个系统的最前端，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，因此如何提高它的幅值和频率精度成为设计可控震源的一个很重要的课题。本设计通过对DSP相关芯片进行软件编程，并采用相关接口技术产生所要求的频率扫描信号对以上性能指标的改善有着明显的作用。传统的扫频信号源输出的信号的质量时不高的，满足不了工程的要求。本文采用DSP相关技术，利用软件，通过DSP的GPIO端口进行按键中断或上位机（ARM开发板/PC机）中断进行频率扫描信号的实时输出控制。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，后经过信号调理输出模拟扫频信号;设计出的这种新型扫频信号发生器的发展前景十分广阔。本文在分析了国内外可控震源扫频信号发生器的发展状况的基础上，对扫频信号技术的理论、设计方法、电路实现等进行了深入的研究，归纳起来主要做了如下几方面的工作:(l)根据系统的设计要求，采用以TMs320F2812DSP为波形发生芯片以及DAC8565为核心，并配置它们的外设及接口电路，给出了基于DSP的扫频信号发生器的总体方案。(2)对硬件电路进行设计并加以调试，主要包括如下几个部分:按键中断响应电路、上位机（ARM开发板/PC机）中断响应电路、TMS320F2812与DAC8565外部接口(异步串行通信接口)电路等。(3)编写相应的中断响应程序、接口驱动程序以及系统应用程序。(4)对实现系统功能的软件程序加以调试，主要包括如下几个部分:人机交互程序、按键中断程序、系统应用主程序以及数字量扫频信号的算法实现。软件设计的主要难点和重点是数字量扫频信号的算法设计、中断程序和接口驱动程序的软件设计这几个部分。(5)对输出的波形信号进行误差分析及性能分析，看是否满足系统的设计要求。运行结果表明，本文设计的扫频信号发生器产生的波形具有精度高、波形稳定、失真小和抗干扰能力强的特点;而且对该扫频信号发生器的操作十分方便，运行比较稳定，满足工程应用的要求。5.2 不足与展望尽管本文设计出的扫频信号发生器满足工程应用的要求，但在开发过程中还是有不足之处，在一些方面还需要改进，在此提出一些改进措施:（1）系统的硬件电路还可改进，尤其是借助CPLD/FPGA等EDA技术，使电路更精简，精度更高，效果更好。（2）由于波形有干扰信号的影响，可以考虑在电路中增加补偿电路来消除干扰信号系统精度的影响。（3）由于信号发生器不能产生较高频率的正弦信号，因此，可以改进系统的部分硬电路或改进软件程序，使TMS320F2812产生较宽频率范围的正弦信号量。总而言之，该扫频信号发生器的设计思想是完全可行的，所采用的技术与国外产品的术基本上相同，在此基础上做出进一步地完善，最终可使该产品具有非常好的实用价值。参考文献参考文献1 高翠云，江朝晖，孙冰. 基于TMS320F2812的DSP最小系统设计.电气电子教学学报.2009.22 宋克柱，王砚方. 100MHz可编程数字信号的发生器.电子技术应用.2000(4):46-483 马玲. 实用数字信号发生器方案设计.声学与电子工程，第715研究所，2001(2)4 D.Fefer， J.Drnove