摘 要:本文提出了一种基于 DSP(digital signal processor)的混合集成光学加速度传感器信号处理和滤波器的设计方法,对其工作原理及采样特性进行了的分析和讨论。完成了信号处理电路的硬件和软件设计,并对其滤波器性能进行了测试。测试结果表明此系统也可以实时、可靠地完成对加速度信号的滤波,达到了实用的要求.。
1 引言
混合集成加速度传感器是一种全新、集成化的导波型传感器,它将电极调制器、分支波导、偏振器集成在妮酸埋晶片上,制作出混合集成光加速度计的核心部分,并将干涉型芯片、单模光纤与质量块构成的简谐振子、DL(工作波长λ =1.3pm)和 PIN 光电探测器进行了混合集成[1]。
而信号处理电路是混合型集成光学加速度传感器中极其重要的一部分,它的性能高低也决定着传感器性能的高低。传统的方法是采用模拟信号处理电路对的输出信号进行滤波、解调、补偿等处理。但是高速数字信号处理芯片的出现,使传感器信号处理的数字化成为可能[2]。本文在对传感器的信号处理原理进行了深入的理论研究和分析后,提出了基于 TI 公司的定点 DSP 数字信号处理芯片为核心对传感器的输出信号进行设计的方案,并对滤波器的特性进行了测试与分析。这种方案进一步提高信号处理系统的精度和速度,并且数字输出信号便于输入计算机继续处理。
2 信号处理电路的 DSP 设计
2.1 信号处理电路工作原理
本处理电路以 TI 公司的高性能数字信号处理芯片TMS320C5410 为核心[3],辅之以必要的外围电路,实现了对加速度信号的高精度检测和对误差信号的精确补偿。其电路框图如下图 1 所示:
本系统工作原理如下:首先,光电二极管 PIN 输出的电流信号经过一组高精密放大器转换为电压信号并进行放大;然后,对电压信号用低通滤波器进行抗混叠滤波后送入模数转换器,将模拟电压信号转换成数字信号;接着,由 TI 公司的高性能 DSPTMS320C5410 芯片以中断方式读取模数转换器输出的数字信号。TMS320C54l0功能如下:一方面,在 TMS320C54l0 内部对输入的数字信号进行解调、带通滤波等运算后,得到数字形式的待测加速度信号,然后把此数字信号送到数模转换器,得到 模 拟 形 式 的 待 测 加 速 度 信 号 ; 另 一 方 面 , 在 TMS320C5410 内部把上面解调得到的信号经过低通滤波、变换后,再和信号发生器产生的信号相加后也送入数模转换器,再把此数模转换器输出的模拟信号送入混合型集成光学芯片上的波导调制器,以实现对光波相位进行调制和反馈补偿。由于对光纤中光波的相位变化信息直接进行检测是非常困难的,而对于光强的检测非常方便,因此一般是把相位变化转变为光强的变化再进行检测。其程序流程图如图 2 所示。
TMS320C5410 的自引导程序在系统上电后,将需要实时运行的程序从 FLASHROM(闪存)中装入。自引导程序运行完毕后,程序开始运行,并行口中断服务程序进行解调、滤波等运算。
2.2 数字处理电路的信号采样
对集成光学芯片的信号进行处理时采样周期 T 决定了采样信号的质量和数量;T 太小,会使信号的数量剧增,占用大量的内存单元;T 太大,会使模拟信号的某些信息丢失,将采样后的信号恢复成原来的信号,就会出现失真现象,影响数据处理的精度。因此,必须有一个选择采样周期 T 的依据,以保证采集信号不失真地恢复原信号 x(t)a[4]。根据信号的频谱结构,从理论上阐明要准确地恢复原信号,信号的最高频率与采样频率之间的关系,也就是原信号与采样点之间所遵循的规律。为使离散序列 x (n)能够恢复 x(t)a, 采样频率saf 与信号 x(t)a的最高频率之间的关系要满足:
2.3 信号的编码
由于 DSP 处理信号时,需要将采样信号转换成数字信号,采样信号的幅值用二进制代码来表示。二进制代码的位数是有限的,只代表有限个信号的电平。因此在编码之前,首先要对采样信号进行量化。就是把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整数倍比较,以最接近于采样信号幅值的最小数量单位整数来代替该幅值。量化单位为量化器满量程电压FSRV (FullScaleRnage)与 2N的比值,用q 表示:
3 信号处理滤波器的设计
数字滤波器的设计方法多种多样。可以直接设计数字滤波器,也可以从模拟滤波器转换到数字滤波器。在本系统设计中,首先是给出模拟滤波器的技术指标,设计出模拟滤波器的传输函数,然后由模拟滤波器的传输函数变换得到所要求的 IIR 数字滤波器。从模拟滤波器到数字滤波器的变换方法有多种,工程上常用的是脉冲响应变换法和双线性变换法。由于脉冲响应不变法会产生频率混叠,而双线性变换法避免了此缺点。在本系统中就采用双线性变换法。其变换公式如下[5]:
3.1 带通滤波器设计
根据系统要求,设计带通滤波器技术指标为:中心频率为 8.5kHz,通带宽度 3.0kHz, 3dB 下限 7kHz,3dB 上限 10kHz, 阻带下上限 4. 5kHz ,阻带上下限 11.5kHz,阻带内最小衰减 25dB。由带通滤波器指标求出低通滤波器指标
(2) 求 H(s)α由上面的结果, 查表可得:
3.2 补偿低通滤波器的设计
4 试验结果与分析
在电路的硬件设计和软件设计完成以后,我们对带通滤波器程序模块和补偿低通滤波器程序模块进行测试,检测系统设计效果。带通滤波器的中心频率在 8.5kHz,带宽为 3.0kHz,且增益为 1。图 3 是我们测得的带通滤波器的频谱图,结果表明带通滤波器程序模块可以有效的滤出 7kHz-10kHz 的信号,而在此频带之外的信号被迅速的衰减了。由于系统中所进行的补偿主要为温度补偿,而温度的变化是缓慢的,因此补偿低通滤波器的转折频率为 0.1Hz,且通带增益系数为 1。图 4 所示为补偿低通滤波器的频谱曲线图。结果表明,补偿低通滤波器可以很好的实现 0.1Hz 为转折频率的低通滤波。
5 结束语
由于DSP 芯片的运算速度快、精度高,运用DSP 技术的集成光学加速度计的信号处理系统,只要合理的设计软硬件,就可以达到不同需求的测量要求。本系统具有很高的线性度和精度,实时性很好,而且具有很好的稳定性, 适合批量生产, 能够满足相关行业对高精度、高分辨率的检波器的需求.特别是地震检测与地质勘探中有着广阔的应用前景[6]。
参考文献:
[1] 恩德,陈才和等.混合集成光学加速度计的信号处理和总体灵敏度[J].光子学报.2004,33(12):1428-1431.
[2] 张雄伟,曹铁勇.DSP 芯片的原理与开发应用(第 2 版)[M].北京:电子工业出版社,2001.
[3] 吴坤君,雷宏江等.IIR 数字滤波器的设计及其在TMS320C55xDSP 上的实现[J].仪表技术.2008,(4):30-34.
[4] 程佩青.数字信号处理教程[M].北京:清华大学出版社(第 2 版),2001.
[5] 尤文坚.IIR 数字滤波器的设计[J].计算机与信息技术.2008,2(2):19-54.
[6] 恩德,陈才和等.集成光学迈克尔逊干涉型加速度地震检波器[J].中国激光.2005,32(3):399-403。
作者简介:恩德(1962 -)男,教授,博士,主要从事集成光学与传感技术研究。
