- TMS320F2812在井下微弱瓦斯信号检测的应用[图]

相敏检波器的输出信号只有在经过一个低通滤波后，才能得到与浓度有关的直流信号，所以低通滤波是很重要的一个环节，其性能的好坏直接影响后期的数据处理。考虑到矿井下通信环境的特殊要求，为了确保提取有用的信号采用的是FIR滤波器，这种滤波器对脉冲输入信号的响应最终趋向于零，故这种滤波器一定是稳定和能够实现的，另外在线性相位要求高的场所采用FIR滤波器也较好，同时也符合了参考信号与有用信号同频同相的要求。

本设计中的FIR低通滤波器采用巴特沃斯低通滤波，截止频率为10kHz，采样频率为40kHz的指标，阻带衰减为80dB。

DSP实现低通滤波

相敏检波器的输出信号直接被采样到DSP的内部，利用DSP优化算法实现高速处理数据能力来实现低通数字滤波。基于此本文采用DSP实现低通滤波，在滤波方式上进行算法的改进。选择TMS320F2812型DSP 为核心的主控芯片，它具有高速的运算能力、强大的实时处理能力和高度集成化的设计结构，指令周期为6.67ns，并采用流水线技术，使得信号的处理速度明显提高。DSP中的专用硬件乘法器和特殊指令DMAC的采用，使得在一个处理器时钟周期里可以得到两个操作数相乘的结果。这种结构恰好满足了数字信号处理中的一些特殊要求如FIR、IIR、FFT等运算，此外，TMS320F2812片内拥有高达128K×16位的FLASH程序存储器，可以满足程序中滤波器的系数、采样数据以及运算结果的乘法和累加的存储。

程序开始时首先要对系统、寄存器、工作变量进行初始化，打开全局中断，设置采样时钟频率，EVA模块的定时器初始化及配置，数据的采样是在中断子程序中完成，采集到的数据先保存在FIFO中，数据采集结束后DSP从FIFO中读取数据开始进行相关性、滤波等一系列的处理，最后将结果显示输出。程序的流程图如图2所示：

图2 程序流程图

仿真图形如图3、图4、图5所示：图3上半部分是滤波前的波形，下半部分是滤波后的波形。

仿真结果分析：由时域图可以看出，原始波形上的不规则毛刺得到了很好的平滑，反映在频谱图可以看出，输入波形中的低频部分通过了滤波器，高频信号则大部分被滤除。较好地抑制了噪声的干扰，进而有效的提取微弱瓦斯信号，符合锁相放大对输出波形的要求。

图3 滤波前后的波形对照

图4 滤波前输入信号的频谱

图5 滤波后输出信号的频谱

结束语

本文介绍了一种锁相放大和DSP实现的滤波器共同实现微弱信号检测的原理和方法，并给出了TMS320F2812 DSP在算法上实现低通滤波器的流程图及仿真结果，结果表明采用DSP实现低通滤波与相敏检波原理相结合的方法来检测微弱瓦斯浓度信号，具有很强的噪声抑制能力，可使整个系统稳定性、灵敏度更高。