TMS320F2812在井下微弱瓦斯信號檢測的應用

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(shí)現瓦斯氣體的準確、有效地監控，對煤礦安全生產(chǎn)有極其重要的意義。由于礦井中存在著(zhù)即有噪聲以及生產(chǎn)中產(chǎn)生的大量噪聲，被噪聲淹沒(méi)的微弱瓦斯信號相對于噪聲來(lái)說(shuō)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(shí)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(méi)。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(lái)削弱噪聲的影響，然后在經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器，此濾波器的頻帶寬度做的很窄，那么經(jīng)過(guò)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(lái)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(guò)某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時(shí)，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(shuō)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濃度變換量的關(guān)系，當煤礦井下存在微弱的瓦斯氣體時(shí)，式中的b、c值均小，同時(shí)比例系數一般很小，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(shí)，很容易被噪聲信號掩蓋。為了更好地檢測微弱瓦斯濃度信號，采用的方法是：通過(guò)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(shí)現相關(guān)運算

相敏檢波PSD就是對被測信號、參考信號兩個(gè)信號間的相位進(jìn)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

在設計相敏檢波器時(shí)，設待測信號其中、、、、分別為待測信號的幅度、時(shí)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(shí)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。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(shí)，即時(shí)（n=0），差頻為零，這時(shí)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(guò)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(jiàn)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(guò)一個(gè)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(gè)環(huán)節，其性能的好壞直接影響后期的數據處理?？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最終趨向于零，故這種濾波器一定是穩定和能夠實(shí)現的，另外在線(xiàn)性相位要求高的場(chǎng)所采用FIR濾波器也較好，同時(shí)也符合了參考信號與有用信號同頻同相的要求。

本設計中的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(shí)現低通濾波

相敏檢波器的輸出信號直接被采樣到DSP的內部，利用DSP優(yōu)化算法實(shí)現高速處理數據能力來(lái)實(shí)現低通數字濾波?；诖吮疚牟捎肈SP實(shí)現低通濾波，在濾波方式上進(jìn)行算法的改進(jìn)。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(shí)時(shí)處理能力和高度集成化的設計結構，指令周期為6.67ns，并采用流水線(xiàn)技術(shù)，使得信號的處理速度明顯提高。DSP中的專(zhuān)用硬件乘法器和特殊指令DMAC的采用，使得在一個(gè)處理器時(shí)鐘周期里可以得到兩個(gè)操作數相乘的結果。這種結構恰好滿(mǎn)足了數字信號處理中的一些特殊要求如FIR、IIR、FFT等運算，此外，TMS320F2812片內擁有高達128K×16位的FLASH程序存儲器，可以滿(mǎn)足程序中濾波器的系數、采樣數據以及運算結果的乘法和累加的存儲。

程序開(kāi)始時(shí)首先要對系統、寄存器、工作變量進(jìn)行初始化，打開(kāi)全局中斷，設置采樣時(shí)鐘頻率，EVA模塊的定時(shí)器初始化及配置，數據的采樣是在中斷子程序中完成，采集到的數據先保存在FIFO中，數據采集結束后DSP從FIFO中讀取數據開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)性、濾波等一系列的處理，最后將結果顯示輸出。程序的流程圖如圖2所示：