摘    要： 本文針對陣列聲波信號的特點，設(shè)計了一個基于DSP的陣列聲波信號采集與處理系統(tǒng)，并對總體方案中DSP、ADC、CPLD的設(shè)計以及DSP的編程進行了具體分析。該系統(tǒng)不僅滿足性能的要求，而且還是一個通用的數(shù)據(jù)采集和處理平臺。

 

引言

隨著傳感器由過去的單個變?yōu)殛嚵薪Y(jié)構(gòu)，儀器要處理的信號也由過去單一的參數(shù)信號變?yōu)閺?fù)雜的圖像信號，同時，對信號的采集與處理也變得越來越復(fù)雜，研制一種陣列聲波信號采集與處理系統(tǒng)，并進而開發(fā)出一種陣列聲波測井儀，成為目前我國石油測井儀器發(fā)展的迫切需要。為此本文設(shè)計了一套基于DSP的陣列聲波信號采集與處理系統(tǒng)，此系統(tǒng)將作為正在研制的陣列聲波測井儀中的一部分，應(yīng)用于油田勘探中。

 

 

圖1  陣列聲波信號采集與處理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

 

 

 

 

 

圖2  DSP在線加載硬件設(shè)計圖

圖3  AD976A轉(zhuǎn)換模式二圖

 

 

系統(tǒng)總體方案設(shè)計

陣列聲波測井儀由聲系、電子線路和鋼外殼組成。聲系在最下端，由發(fā)出聲波的發(fā)射晶體和接收聲波并把其轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器陣列組成。電子線路分為供電模塊、主CPU模塊和采集模塊。其中，主CPU模塊是陣列聲波測井儀的控制部分，它一方面把地面部分傳給采集模塊和聲系的參數(shù)傳給采集模塊和聲系，另一方面把采集模塊傳上來的數(shù)據(jù)傳給地面部分。采集模塊即為陣列聲波采集與處理系統(tǒng)，它的一端接聲系的傳感器陣列，另一端接主CPU，主要功能為在主CPU的控制下把前端傳感器陣列傳過來的信號采樣、數(shù)字化并進行一系列的處理，然后把處理結(jié)果上傳給主CPU。

根據(jù)陣列聲波采集與處理系統(tǒng)的性能要求和可靠性與低功耗設(shè)計原則，本設(shè)計決定采用以DSP芯片為核心的八通道實現(xiàn)方案，如圖1所示。由于前端傳感器陣列送來的數(shù)據(jù)信號比較微弱，要先由放大器對信號進行放大，同時此放大器也可以有效地減弱或消除后端ADC對前端模擬聲波輸入信號的影響。放大器之后是ADC，從放大器到DSP形成一個采集與處理的通道，系統(tǒng)中這樣的通道共八個。而圖1中的CPLD是系統(tǒng)的控制邏輯部分。此外，考慮到系統(tǒng)可靠性和實時性的要求，本系統(tǒng)設(shè)計成每個通道都有一個DSP處理器而不是八個通道共用一個DSP處理器。

 

DSP設(shè)計

DSP芯片

由于整個陣列聲波測井儀的其它芯片均為+5V供電，陣列聲波采集與處理系統(tǒng)作為測井儀中的一部分，如果所選DSP芯片不是+5V供電，則需用電源轉(zhuǎn)換芯片進行電壓轉(zhuǎn)換，這不僅使電路變得復(fù)雜，而且也不利于系統(tǒng)性能提高。所以本設(shè)計選用了TI公司的DSP芯片—TMS320C542(以下簡稱C542)。

C542除具有TMS320C54x的一般優(yōu)點外，其單周期定點指令執(zhí)行時間為25ns，運行速度相對較高，能夠完成本系統(tǒng)采集與處理功能；且?guī)в幸粋�BSP自動緩沖串口和一個TDM時分復(fù)用串口，兩者都可用作SP標準同步串口。此外，無論是內(nèi)核還是I/O引腳工作電壓均為+5V，所以使用時不需電壓轉(zhuǎn)換芯片。

自舉加載設(shè)計

傳統(tǒng)DSP系統(tǒng)程序代碼的引導(dǎo)裝載多以并行EPROM作為應(yīng)用程序的存儲器方式，其最大弊端在于EPROM不支持在線擦寫，這會對系統(tǒng)的調(diào)試帶來很大的不便，特別是對于表貼封裝的存儲器，此方法基本不可用。

在本系統(tǒng)的設(shè)計中，采用了可以在線擦寫的FLASH代替EPROM作為程序代碼的存儲器。因而從根本上克服了傳統(tǒng)方法在系統(tǒng)調(diào)試上帶來的諸多不便，對表貼封裝的存儲器尤為適用。調(diào)試過程中，直接將程序代碼通過C542寫入FLASH中，重新上電后C542即可按照FLASH的方式執(zhí)行Bootloader操作，極大的降低了硬件系統(tǒng)調(diào)試的難度。

本系統(tǒng)采用8位并行加載。C542復(fù)位期間檢查MP/MC引腳是否為低電平，若不是，則從外部程序存儲器0FF80h起執(zhí)行用戶程序；若是，則從片內(nèi)ROM的0FF80h起執(zhí)行程序。啟動制造商在ROM的自舉加載器程序時，首先應(yīng)進行初始化，然后檢查INT2引腳，若有效，則從HPI-RAM自舉加載；若無效，則使I/O口選通信號IS為低電平，從地址為0FFFFh的I/O口讀入自舉程序選擇字(BRS)。BRS的低8位決定了自舉加載的方式，若BRS的低2位為01，則為8位并行加載，然后自舉加載器依據(jù)FLASH的地址(BRS中的高6位 +  0000000000)就可讀取自舉表了。自舉加載器將FLASH中的程序代碼全部送到程序存儲器之后，立即轉(zhuǎn)移到目的地址，并開始執(zhí)行程序代碼。

本設(shè)計中FLASH芯片選用的是AMD公司的Am29F010，該芯片容量為1Mbit。因為C542只能尋址64K 地址，所以Am29F010的A16引腳接地。

DSP在線加載系統(tǒng)的硬件設(shè)計如圖2所示。設(shè)計時沒有讓DS直接接CE，而是先讓A14、A15分別接一個非門，這兩個非門的輸出端和IS一起接到一個或門上，此或門的輸出端和DS一起接一個與門，與門的輸出端再接CE。這樣設(shè)計使Am29F010的48K至64K地址空間成為數(shù)據(jù)和I/O復(fù)用空間，自舉加載時可從Am29F010的地址為0FFFFh的I/O口讀入自舉程序選擇位。