TMS320F2812在井下微弱瓦斯信號檢測的應(yīng)用

引言

目前瓦斯氣體在礦井中的積累已成為困擾煤礦安全生產(chǎn)的重大難題，實現(xiàn)瓦斯氣體的準確、有效地監(jiān)控，對煤礦安全生產(chǎn)有極其重要的意義。由于礦井中存在著即有噪聲以及生產(chǎn)中產(chǎn)生的大量噪聲，被噪聲淹沒的微弱瓦斯信號相對于噪聲來說顯得及其微弱，如輸入信號的信噪比為10–1 、10–2、有的甚至10–5 ，瓦斯信號被“深埋”在噪聲之中，另外檢測傳輸時又受到信號端、傳輸器件及變換器件等本身存在的噪聲影響，表現(xiàn)出的總體效果是有用微弱瓦斯信號被大量的噪聲和干擾所淹沒。由于噪聲具有隨機性，而信號具有周期性、相關(guān)性，所以本文采用鎖相放大原理中的相敏檢波技術(shù)中互相關(guān)運算來削弱噪聲的影響，然后在經(jīng)過一個低通濾波器，此濾波器的頻帶寬度做的很窄，那么經(jīng)過相敏檢波輸出后，只有落在低通濾波器的等效噪聲帶寬之內(nèi)的分量才有輸出，其他的高頻分量均被濾除，此方法具有很強的噪聲抑制能力。方便提取低濃度的瓦斯信號，在微弱瓦斯氣體檢測中達到了高效性和高靈敏度，很好地降低了微弱瓦斯積聚帶來的危害。

微弱瓦斯信號檢測的原理和方法

衡量瓦斯氣體吸收的基本定律是朗伯比爾定律，其數(shù)學(xué)表達式如式1：

式1

式1中：A為吸光度，T為透射比是投射光強度與入射光強度的比值。c為吸光物質(zhì)的濃度，b為吸收層厚度。

其物理意義是：當一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時，其吸光度A與吸光物質(zhì)的濃度c及吸收層厚度b成正比。也就是說明光的吸收與吸光物質(zhì)的濃度成正比。

考慮到氣體吸光度與瓦斯?jié)舛茸儞Q量的關(guān)系，當煤礦井下存在微弱的瓦斯氣體時，式中的b、c值均小，同時比例系數(shù)一般很小，那么特別針對于微弱的信號A的值就很微小，所以在檢測瓦斯氣體的濃度時，很容易被噪聲信號掩蓋。為了更好地檢測微弱瓦斯?jié)舛刃盘?，采用的方法是：通過相敏檢波器（乘法器）和低通濾波器（積分器）完成相關(guān)運算，利用相關(guān)檢測以最大限度地壓縮帶寬、抑制噪聲。

相敏檢波器實現(xiàn)相關(guān)運算

相敏檢波PSD就是對被測信號、參考信號兩個信號間的相位進行檢波，它是將被測信號與參考信號送入PSD中，在混頻器中相乘。PSD工作原理如圖1所示：

圖1 PSD工作原理圖

在設(shè)計相敏檢波器時，設(shè)待測信號其中、、、、分別為待測信號的幅度、時間、初相位和頻率。參考信號為其中、、、 分別為待測信號的幅度、時間、初相位和頻率。相敏檢波器的輸出電壓為：

其中n為諧波次數(shù)。公式表明：相敏檢波器的輸出包括兩部分，前者為待測信號與參考的差頻分量，當被檢測有用信號與參考信號同步時，即時（n=0），差頻為零，這時差頻分量變成相敏直流電壓分量，而后者成為倍頻。即經(jīng)相敏檢波后電壓輸出僅與相位差有關(guān)。如果通過DSP控制參考信號的初相位，使其與輸入信號同相，最終的直流分量值為，可見只要待測信號中有用的信號本身和參考信號同頻同相，即可方便地得到濾波前檢波器直流輸出信號。

濾波器的選擇

相敏檢波器的輸出信號只有在經(jīng)過一個低通濾波后，才能得到與濃度有關(guān)的直流信號，所以低通濾波是很重要的一個環(huán)節(jié)，其性能的好壞直接影響后期的數(shù)據(jù)處理?？紤]到礦井下通信環(huán)境的特殊要求，為了確保提取有用的信號采用的是FIR濾波器，這種濾波器對脈沖輸入信號的響應(yīng)最終趨向于零，故這種濾波器一定是穩(wěn)定和能夠?qū)崿F(xiàn)的，另外在線性相位要求高的場所采用FIR濾波器也較好，同時也符合了參考信號與有用信號同頻同相的要求。

本設(shè)計中的FIR低通濾波器采用巴特沃斯低通濾波，截止頻率為10kHz，采樣頻率為40kHz的指標，阻帶衰減為80dB。

DSP實現(xiàn)低通濾波

相敏檢波器的輸出信號直接被采樣到DSP的內(nèi)部，利用DSP優(yōu)化算法實現(xiàn)高速處理數(shù)據(jù)能力來實現(xiàn)低通數(shù)字濾波?；诖吮疚牟捎肈SP實現(xiàn)低通濾波，在濾波方式上進行算法的改進。選擇TMS320F2812型DSP 為核心的主控芯片，它具有高速的運算能力、強大的實時處理能力和高度集成化的設(shè)計結(jié)構(gòu)，指令周期為6.67ns，并采用流水線技術(shù)，使得信號的處理速度明顯提高。DSP中的專用硬件乘法器和特殊指令DMAC的采用，使得在一個處理器時鐘周期里可以得到兩個操作數(shù)相乘的結(jié)果。這種結(jié)構(gòu)恰好滿足了數(shù)字信號處理中的一些特殊要求如FIR、IIR、FFT等運算，此外，TMS320F2812片內(nèi)擁有高達128K×16位的FLASH程序存儲器，可以滿足程序中濾波器的系數(shù)、采樣數(shù)據(jù)以及運算結(jié)果的乘法和累加的存儲。

程序開始時首先要對系統(tǒng)、寄存器、工作變量進行初始化，打開全局中斷，設(shè)置采樣時鐘頻率，EVA模塊的定時器初始化及配置，數(shù)據(jù)的采樣是在中斷子程序中完成，采集到的數(shù)據(jù)先保存在FIFO中，數(shù)據(jù)采集結(jié)束后DSP從FIFO中讀取數(shù)據(jù)開始進行相關(guān)性、濾波等一系列的處理，最后將結(jié)果顯示輸出。程序的流程圖如圖2所示：[!--empirenews.page--]

圖2 程序流程圖

仿真圖形如圖3、圖4、圖5所示：圖3上半部分是濾波前的波形，下半部分是濾波后的波形。

仿真結(jié)果分析：由時域圖可以看出，原始波形上的不規(guī)則毛刺得到了很好的平滑，反映在頻譜圖可以看出，輸入波形中的低頻部分通過了濾波器，高頻信號則大部分被濾除。較好地抑制了噪聲的干擾，進而有效的提取微弱瓦斯信號，符合鎖相放大對輸出波形的要求。

 
圖3 濾波前后的波形對照

圖4 濾波前輸入信號的頻譜

圖5 濾波后輸出信號的頻譜

結(jié)束語

本文介紹了一種鎖相放大和DSP實現(xiàn)的濾波器共同實現(xiàn)微弱信號檢測的原理和方法，并給出了TMS320F2812 DSP在算法上實現(xiàn)低通濾波器的流程圖及仿真結(jié)果，結(jié)果表明采用DSP實現(xiàn)低通濾波與相敏檢波原理相結(jié)合的方法來檢測微弱瓦斯?jié)舛刃盘枺哂泻軓姷脑肼曇种颇芰?，可使整個系統(tǒng)穩(wěn)定性、靈敏度更高。