地震檢波器是用于地質(zhì)勘探和工程測量的專用傳感器，是一種將地面振動轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕膫鞲衅?，或者說是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。   地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由傳感器（又稱檢波器）和數(shù)字地震儀組成。檢波器埋置于地面的裝置，把地震波引起的地面震動轉(zhuǎn)換成電訊號并通過電纜將電訊號送入地震儀；數(shù)字地震儀將接受到電訊號放大、經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)、組織數(shù)據(jù)、存貯數(shù)據(jù)。   地震勘探是目前常用石油勘探方法之一，它的基本原理是利用人工地震在地層中產(chǎn)生振動信號，根據(jù)設(shè)計(jì)要求在距離激發(fā)點(diǎn)不同的地方布置傳感器（即地震檢波器）接收振動信號，然后對接收到的振動信號進(jìn)行處理、解釋，根據(jù)信號的頻率、振幅、速度等信息分析不同深度地層的屬性、構(gòu)造的形態(tài)等，從而初步判斷是否有具備生油、儲油條件，提供鉆探的井位。本文設(shè)計(jì)了一種利用DSP與FPGA結(jié)合的光柵振動信號處理系統(tǒng)，它主要完成對光柵震動傳感器輸出的兩路正交的正弦波信號的采集、計(jì)數(shù)、高倍細(xì)分等，從而實(shí)現(xiàn)了對快速的振動信號的復(fù)現(xiàn)。

　　1 光柵地震檢波器的工作原理

　　光柵地震檢波器主要由光源（白光或單色光）、準(zhǔn)直鏡、光電池、指示光柵（副光柵）、光柵諧振子（主光柵）組成。光柵諧振子（主光柵）為檢波器的可動部分，由上彈簧片和下彈簧片支撐。工作時，檢波器外殼通過檢波器尾釘與大地連接并固定，當(dāng)大地受到震源激發(fā)后，地震波傳至地面引起地面震動，檢波器外殼也隨之震動。而光柵振子由于彈簧片的彈性和本身的慣性，有保持不動的趨勢，從而產(chǎn)生了光柵振子與外殼的相對運(yùn)動，也就是說光柵副中的主光柵與裂向式指示光柵之間產(chǎn)生了相對運(yùn)動。兩塊疊放在一起的光柵具有了相對運(yùn)動也就會產(chǎn)生與之相對應(yīng)的莫爾條紋，從而在相位差為90°的四個光電池上產(chǎn)生莫爾條紋的變化，于是光信號被轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)差分放大后形成兩路相位相差90°的正弦或余弦波信號。

　　2 光柵震動信號的同步采集

　　要保證整個系統(tǒng)對振動信號的實(shí)時復(fù)現(xiàn)，關(guān)鍵是要保證對兩路模擬正弦波的同步采集。若使用DSP直接控制多通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由于編程語言的順序結(jié)構(gòu)和單個模數(shù)轉(zhuǎn)換器不能同時采樣保持的限制，對于多路信號的采集只能分時多通道順序采集，這樣對同一點(diǎn)的兩路模擬波的采集肯定會產(chǎn)生相位差，這樣對復(fù)現(xiàn)出來的原振動信號會造成相當(dāng)大的失真。但是由于FPGA的編程語言VHDL執(zhí)行時是并發(fā)執(zhí)行的，并不受到它們在主結(jié)構(gòu)中的編寫順序的影響。根據(jù)上述特點(diǎn)，對于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以分成三個并行進(jìn)程，分別是2個光柵信號采集的進(jìn)程和一個加減計(jì)數(shù)器的進(jìn)程。

　　光柵振動莫爾條紋的信號采集采用成直線排列的相位差為90°的四個光電池，分別記為1、2、3和4，如圖1所示。它們接收由被測振動信號調(diào)制的莫爾條紋，并通過差動放大器、整形濾波器輸出兩路正交的正弦信號。這兩路信號分成兩組，其中一組經(jīng)過鑒零比較電路轉(zhuǎn)換成方波送入辨向電路為FPGA中加減計(jì)數(shù)器提供計(jì)數(shù)累加值和辨向信號。另一組則直接將放大的模擬電壓信號送入兩路AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并存入FPGA。在FPGA中開辟3個雙口RAM存儲器用來順序存放每一點(diǎn)的整周期計(jì)數(shù)值和兩路波形的數(shù)字量，為DSP進(jìn)行高倍細(xì)分提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　2.1 雙口RAM的設(shè)計(jì)

　　雙口RAM 是在一個SRAM 存儲器上具有兩套完全獨(dú)立的數(shù)據(jù)線、地址線和讀寫控制線，并允許兩個獨(dú)立的系統(tǒng)同時對該存儲器進(jìn)行隨機(jī)性的訪問。即共享式多端口存儲器。雙口RAM的特點(diǎn)是存儲數(shù)據(jù)共享。一個存儲器配備兩套獨(dú)立的地址、數(shù)據(jù)和控制線，允許兩個獨(dú)立的CPU或控制器同時異步地訪問存儲單元。因?yàn)閿?shù)據(jù)共享，就必須存在訪問仲裁控制。內(nèi)部仲裁邏輯控制提供以下功能：對同一地址單元訪問的時序控制；存儲單元數(shù)據(jù)塊的訪問權(quán)限分配；信令交換邏輯（例如中斷信號）等。雙口RAM可用于提高RAM的吞吐率，適用于作于實(shí)時的數(shù)據(jù)緩存。

　　其工作原理如圖2所示，所設(shè)計(jì)的存儲空間為3個16字容量的雙口RAM，當(dāng)信號采集部分向新地址寫入每一個振動點(diǎn)的三個信息量時（圖中所示地址為15），信號處理部分則讀取先前振動點(diǎn)的三個信息量進(jìn)行細(xì)分等處理（圖中所示地址為0），當(dāng)雙口RAM寫滿數(shù)據(jù)后，寫地址指針又會重新定位到首地址寫入新的數(shù)據(jù)，這種緩存結(jié)構(gòu)的設(shè)立不會丟失信息點(diǎn)，保證了還原信號的連續(xù)性和可靠性，雖然還原信號滯后源信號3到4個字的時間，但保證了每一個點(diǎn)三個信息量的同步性，這是C語言等順序結(jié)構(gòu)語言所無法達(dá)到的。

　　2.2 雙口RAM的流程圖設(shè)計(jì)

　　首先是定義實(shí)體與外部端口，包括時鐘、輸入輸出、讀寫地址端口。它們的作用分別是：

　　1）時鐘端口：利用時鐘的脈沖邊沿來觸發(fā)讀寫進(jìn)程，使得新舊數(shù)據(jù)在雙口RAM中交替進(jìn)出。

　　2）輸入輸出端口：分別為16位的位矢量類型，用來保證與16位AD和DSP的數(shù)據(jù)格式匹配。

　　3）讀寫地址端口：2位的位矢量類型，用來設(shè)置16位字的存儲器容量，并在讀寫RAM操作時提供地址選址信號。

　　其次是定義結(jié)構(gòu)體，包括定義內(nèi)部緩沖地址信號，并定義了一個容量為16字的Mem（存儲器類型）型變量。

　　是并發(fā)進(jìn)程的定義，包括寫進(jìn)程和讀進(jìn)程的定義，以時鐘的脈沖信號作為敏感信號來觸發(fā)進(jìn)程的啟動，每一個時鐘周期完成對RAM的讀寫，其中時鐘頻率由FPGA根據(jù)AD的采樣速度和DSP的處理速度來設(shè)定，要保證當(dāng)采集信號寫入尾地址的時刻，至少要保證首地址已經(jīng)被DSP所讀取。圖3為雙口RAM程序流程圖。

　　2.3 雙口RAM的仿真結(jié)果

　　圖4為該進(jìn)程的仿真時序圖，由圖可見個時鐘的上升沿?cái)?shù)據(jù)輸入端口data_in的值為4，這時寫選通端口write_address選通地址1，然后對應(yīng)著地址1的存儲器模塊ram_block1的內(nèi)的值在此刻刷新為4，這說明寫進(jìn)程正確。同時應(yīng)注意到讀地址選通信號read_address的值被傳遞到讀地址寄存器read_address_reg中，read_address_reg中的值被刷新為1。當(dāng)個時鐘的下降沿到來時，信號輸出端口data_out根據(jù)讀地址寄存器read_address_reg中的地址值1選通ram_block1，此時data_out的值刷新為4，這說明讀進(jìn)程也正確。

　　3 DSP的軟件細(xì)分

　　DSP是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號。再對數(shù)字信號進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是值得稱道的兩大特色。

　　采用大數(shù)可逆計(jì)數(shù)與小數(shù)細(xì)分計(jì)數(shù)的軟件細(xì)分技術(shù)。其中大數(shù)計(jì)數(shù)是對莫爾條紋整周期數(shù)進(jìn)行可逆的加減計(jì)數(shù)，這部分功能有采集模塊中的FPGA來完成，小數(shù)計(jì)數(shù)是對莫爾條紋不到一個周期信號細(xì)分結(jié)果進(jìn)行計(jì)數(shù)，其功能由DSP來完成。運(yùn)算的結(jié)果為大數(shù)計(jì)數(shù)結(jié)果乘以光柵柵距與小數(shù)計(jì)數(shù)結(jié)果乘以細(xì)分當(dāng)量之和，其中細(xì)分當(dāng)量為光柵柵距除以細(xì)分倍數(shù)。該模塊的硬件原理圖如圖5所示。

　　通過DSP的地址選通線依次選通讀取FPGA中三個數(shù)據(jù)緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)，緩存區(qū)分別存放兩路模擬信號的數(shù)字量與加減計(jì)數(shù)器的累加計(jì)數(shù)值，然后利用公式R=N*w+K*L求出任意一點(diǎn)諧振子的幅值并輸出。式中N為整周期的累加計(jì)數(shù)值，W為光柵柵距，K為細(xì)分計(jì)數(shù)，L=W／M，M為細(xì)分倍數(shù)。該細(xì)分模塊主要是完成對細(xì)分計(jì)數(shù)K值、和幅值R值的求取，并完成對幅值的數(shù)字量轉(zhuǎn)換并輸出。

　　其中細(xì)分方法也就是對K值的求取采用了八卦限幅值分割法，根據(jù)上述方法設(shè)計(jì)了細(xì)分倍數(shù)可變的細(xì)分算法，利用DSP C語言的專用庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)了純計(jì)算的算法。細(xì)分算法流程如圖6所示。

　　由幅值細(xì)分法可知，軟件細(xì)分算法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是根據(jù)兩路信號的比值對該點(diǎn)的相位角的正確定位。該點(diǎn)的位置有兩種情況，一種是落在各象限的邊界上，另一種是落在各象限之中。根據(jù)細(xì)分邊界條件判斷該點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)是否發(fā)生在四個象限的分界線上，如果判斷此次換向發(fā)生在象限的分界線上，則細(xì)分?jǐn)?shù)為固定值，并且通過象限的正負(fù)關(guān)系就可以確定具體細(xì)分?jǐn)?shù)值，不需要進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。如果該點(diǎn)不是發(fā)生在象限分界線上，則需根據(jù)象限正負(fù)關(guān)系判斷換向發(fā)生的具體象限，不同象限對應(yīng)不同計(jì)算公式。細(xì)分算法程序如下：

　　static int subp（int*input，int*input1）一設(shè)置指針形參用來讀取兩路波形采樣值

　　{

　　程序初始化，定義各種變量標(biāo)志字。

　　float ADSIN_X，ADCOS_X，ABSIN_X，ABCOS_X；一定義存儲變量存放采樣值與

　　int m=0，n=0，k=0，d=0，i=0；一設(shè)置標(biāo)志字判斷采樣值正負(fù)

　　ADSIN_X=*input；-從緩存區(qū)讀取sin采樣值

　　ADCOS_X=*input1；-從緩存區(qū)讀取cos采樣值

　　ABSIN_X=fabs（ADSIN_X）；-求取sin

　　ABCOS_X=fabs（ADCOS_X）；-求取COS

　　根據(jù)采樣值，寫標(biāo)志字

　　if（ADSIN_X>0） m=1； else m=0；

　　if（ADCOS_X>0） n=1； else n=0；

　　if（（ABSIN_X-ABCOS_X）>0）k=1；else if（（AB-SIN_X-ABCOS_X）<O） k=0；elsek=2；

　　根據(jù)標(biāo)志字判斷相位點(diǎn)的位置，根據(jù)相應(yīng)位置不同公式求取細(xì)分值

　　然后利用公式R=N×ω+d×L求出任意一點(diǎn)諧振子的幅值并輸出。式中N為整周期的累加計(jì)數(shù)值，W為光柵柵距，d為細(xì)分計(jì)數(shù)，L=ω／m，m為細(xì)分倍數(shù)。

　　4 結(jié)束語

　　光柵地震檢波器是基于光柵檢測技術(shù)設(shè)計(jì)的一種新型數(shù)字傳感器，基于單片機(jī)的光柵地震檢波器信號處理速度較慢，現(xiàn)場可編程門陣列FPGA時鐘頻率高，內(nèi)部延時小，硬件資源豐富，在控制數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換等方面有著單片機(jī)和DSP所無法比擬的優(yōu)勢。為了提高光柵地震檢波器的測量和分辨力，該文進(jìn)行了基于FPGA和DSP的光柵地震檢波器信號處理研究，并將軟件細(xì)分原則應(yīng)用于信號處理系統(tǒng)中。該系統(tǒng)基于硬件RAM存儲器進(jìn)行設(shè)計(jì)，在有效地減小電路板面積的同時，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集和高測量。