一種基于DSP線性掃頻信號源系統設計方案

　　摘要 針對地震勘探中可控震源信號的高精度需求，提出了一種基于DSP線性掃頻信號源的系統軟硬件設計方案。該方法提高了掃頻信號源的精度和波形穩定性，減小了波形的失真，且系統工作穩定可靠，操作簡單實用，具有良好的應用前景。

　　可控震源是一種地震勘探信號激發設備，在石油勘探中具有施工成本低、安全環保、施工組織靈活、激發信號可人為控制等優點。國內外地震施工中可控震源的應用較普遍，除水域、沼澤、直升飛機支持的山地之外，只要震源能駛入的地區均要求用可控震源施工。可控震源中的掃描信號發生器位于系統的最前端，其性能指標直接影響著電源干擾引起的諧波畸變，對地震資料質量和分辨率產生較大影響，而如何提高其幅值和頻率精度是設計關鍵。

　　1 硬件設計

　　1.1 概述

　　系統的主要功能是實現模擬的掃頻信號源，其主要原理為首先通過按鍵中斷或上位機中斷控制DSP芯片產生線性數字掃頻信號，然后將此信號送入D/A芯片DAC8565中進行數模轉換輸出線性模擬掃頻信號，經信號調理后輸出系統，得到所需的信號源，其硬件流程方框圖如圖1所示。

　　其中，按鍵中斷通過GPIO及PIE的中斷實現，上位機中斷通過TMS320F2812的SCI模塊中斷實現。DSP芯片TMS320F2812產生的數字信號通過其SPI模塊傳輸到D/A轉換芯片的DAC8565中進行數模轉換。

　　1.2 TMS320F2812最小系統

　　一個典型的DSP最小系統，包括DSP芯片、電源電路、復位電路、時鐘電路及串口通信電路等。

　　(1)電源及復位電路設計。DSP系統一般采用多電源系統，電源及復位電路的設計對于系統性能有重要影響。DSP最小系統由5 V電源供電，由于DSP芯片供電電壓為3.3 V，所以在設計電路時，需將5 V電源轉換為3.3 V給CPU供電，本文采用TI公司的TPS767D318電源芯片。該芯片屬于線性降壓型直流變換芯片，由5 V電源可同時產生3.3 V、1.8 V或2.5 V兩種不同的電壓，其最大輸出電流為1 000 mA，可同時滿足一片DSP芯片和少量外圍電路的供電需求。該芯片的電源監控及復位管理功能也滿足系統要求。

　　(2)時鐘電路設計。TMS320F2812 DSP的時鐘有內接和外接兩種方式。若采用內部振蕩器，則必須在X1/XCLKIN和X2這兩個引腳之間連接石英晶振。若采用外部時鐘，可將輸入時鐘信號直接連到X1/CI。

　　KIN引腳上，X2懸空。本文采用外部有源時鐘方式，用一個3.3 V供電的30 MHz有源晶振，并通過編程實現F2812的最高工作頻率150 MHz。

　　(3)DSP的串行接口設計。TMS320F2812中SCI接口的TTL電平和PC機的RS-232C電平不兼容，這就要求接口設計時必須考慮電平轉換。設計選用MAX232N驅動芯片進行串行通信，其符合RS-232標準，功耗低、集成度高、+5 V供電，具有兩個接收和發送通道、并與TMS320 F2812的兩個SCI接口匹配。

　　1.3 按鍵中斷

　　如圖2所示，系統中斷部分有4個按鍵，分別為S1、S2、S3、S4，其功能分別為開始掃頻輸出/終止掃頻輸出、起始掃描頻率設置/終止掃描頻率設置、頻率增加及頻率減小。第一次按下S1時系統開始掃頻輸出，第二次按下S1時系統終止掃頻輸出。第一次按下S2時進行系統起始掃描頻率設置，第二次按下S2時進行系統終止掃描頻率設置。每按下S3一次，掃描頻率增加一定值，同理，每按下S4一次，掃描頻率減小一定值。

　　每當有按鍵按下時，將造成XINT1有一次電平跳變，通過TMS320F2812芯片讀取該跳變，啟動GPIO口讀取按鍵信息，并通過相關判斷程序判斷哪個按鍵被按下，然后則進入相應按鍵的功能實現程序，以完成按鍵中斷。

　　1.4 上位機中斷

　　系統除了可采用按鍵中斷控制掃頻信號源外，還可通過DSP芯片TMS320F2812的SCI口連接的上位機進行控制。其相關的接口原理如圖3所示。

　　1.5 接口設計

　　經TMS320F2812產生的線性數字掃頻信號必須經數模轉換后才可得到線性模擬掃頻信號。設計采用D/A轉換器的芯片是DAC8565，其是一種低功耗、4通道、16位精度電壓輸出型數字模擬轉換器，器件內部集成2.5 V，2 ppm/℃的內部參考電源，且還集成了串行SPI通訊口，其時鐘速率可達50 MHz。

　　系統由TMS320F2812產生的數字掃頻信號經SPI接口傳入DAC8565的數字信號輸入端口，再經過數模轉換輸出模擬信號，并由信號調理通道輸出所需的模擬掃頻信號。

　　2 軟件設計

　　2.1 線性掃頻信號原理

　　理論上，線性掃頻信號的頻率隨時間線性變化，其可表示為

　　式中，F1為掃描起始頻率;F2真為掃描終了頻率;T為掃描持續時間。在該表達式中未考慮START TAPER和END TAPER時段。

　　而實際應用中，則必須有TAPER段。其數學表達式為

　　式中，TD為掃頻長度;T1為起始掃頻時窗長度。

　　2.2 按鍵中斷

　　按鍵中斷部分通過其響應程序對XINT1口有無電平跳躍進行判斷，以確保是否有按鍵被按下。若有按鍵按下，TMS320F2812芯片中對應按鍵功能的實現程序將會被啟動，從而實現相應按鍵的功能，完成按鍵中斷，其流程如圖4所示。