DSP芯片在超声波钻井液测漏仪中的应用

2 DSP的应用

2.1 测漏仪电路结构

测漏仪电路结构如图2所示。图中IC1是DSP芯片，这里采用TI公司的TMS320VC33浮点数字信号处理器，它是整个测量电路的核心，其指令周期为17ns，字长为32位，扩展精度为40位，内部存储器容量为34K×32bit，可寻址空间为16M，具有一个32位的串口、一个DMA通道、两个定时器、四个外部中断源；芯片的供电电压为3.3V，内核供电电压为1.8V，由IC5提供。由于芯片的运行速度很高，为了防止外部振荡电路的过高频率引起射频干扰，对外接振荡器采用了内部倍频技术。

图2 测漏仪电路结构图

2.2 接口技术

图2中的IC2为DS1251存储器，它是一种非易失性的存储器，其输出电压高电平为5V。但TMS320VC33的I/O电平为3.3V，不能承受高电平为5V的TTL信号。为了使TMS320VC33与DS1251能够交换数据，电路中采用IC3(74LVC164244)实现3.3V与5V电平的转换。该芯片同时具有3.3V和5V两种供电电源，与DSP相连的I/O脚电平为3.3V，与存储器相连的I/O脚电平为5V。

2.3 引导

引导(Boot Loader)是将存储在外部程序存储器中的程序代码一次性地全部加载到DSP芯片内部的高速存储器中，以实现程序指令的高速运行。TMS320VC33有四种引导方式，其中前三种方式是从外部存储器引导，第四种方式是从串行口引导。它们都是通过将四个外部中断引脚中的某一个设置为低电平而实现的。本文采用表1中所示的第二种引导方式，即DSP从400000H开始引导程序。

表1 引导方式

将用户程序加载到DSP的片内高速RAM是由DSP的片内ROM的驻机程序(出厂时已设置)完成的。上电后，DSP的复位引脚由“0”变为“1”，同时在电路连接上保证引脚MCBL/=“1”，固化在片内的引导程序查询中的哪一个为低，并按表1所示的中断脚与地址的对应关系进行引导。

被引导的用户程序必须事先经过汇编、连接，以生成DSP能够认识的机器代码。在生成的程序代码前还必须加入一个引导头。引导头的具体结构见参考文献[3]，其作用是：

(1)实现字长为32位的DSP与8位、16位或32位外部程序存储器的接口。
(2)实现高速DSP与低速ROM的接口。
(3)实现用户程序与DSP片内存储空间的匹配。

2.4 数据处理

采用TMS320VC33的定时器1每隔100ms发送一串数目固定的脉冲型激励信号，该激励信号经放大和驱动后再经DSP控制交替地施加到两只超声波传感器上。当一只传感器处于发送状态时，另一只就处于接收状态，即每只传感器每隔200ms完成一次收和发。接收到的超声波信号又经过放大和整形后送入DSP的引脚，同时利用TMS320VC33的定时器2检测从发送到接收所用的时间，进而根据(3)式计算出对发和对收的时间差，再由(4)式通过浮点运算计算出泥浆流速，并将结果存储在DS1251中。在存储数据的同时，利用DS1251片内的时钟，将该数据所对应的时间也一并存储在数据区内。这就为地面将流速与深度对应起来提供了基础，因为在井下通过DS1251计时的同时，地面也有一套与之同步的计时器对时间与深度进行了相应的记录。