基于樹莓派計算模塊和FPGA的便攜式磁力儀數據采集系統設計

張謹，黃成功

(中國船舶重工集團公司第七一五研究所，浙江杭州，310012)

0 引言

銫光泵磁力儀是量子磁力儀的一種，是基于光泵技術和磁共振技術的磁場測量儀器。銫光泵磁力儀其原理是通過光泵作用使吸收室中的原子發生光學取向，然后施加外部射頻磁場，外部射頻磁場的頻率同塞曼磁次能級間的躍遷頻率一致，使磁次能級間發生強烈的磁共振現象，完成去取向。根據磁共振頻率可以換算得到磁場強度。

銫光泵磁力儀主要用在海洋、地面、航空、生物醫療等領域。由于磁力儀在國民經濟、空間探測、軍事技術和導航領域的重要作用，它一直是各個國家研究的重點。本文提出一種基于樹莓派計算模塊和FPGA的便攜式磁力儀數據采集系統，具有靈活小巧，低功耗等優點。

1 總體設計

便攜式磁力儀數據采集系統可分為二個部分：一是以FPGA為核心的數據采集融合部分,其主要由：2通道濾波整形模塊、FPGA模塊和電池管理模塊組成；二是以樹莓派計算模塊為核心顯控部分,其主要由：樹莓派計算模塊、LCD顯示、鍵盤、觸摸屏、eMMC存儲器和全球定位系統組成。兩部分之間通過SMI總線相連接，實現兩部分之間的數據交換。便攜式磁力儀系統框圖，如圖1所示，具體的硬件電路設計在第3節詳細描述。

圖1 便攜式磁力儀系統框圖

1.1 數據采集融合部分

以FPGA為核心的數據采集融合部分,其主要由：2通道濾波整形模塊、FPGA模塊和電池管理模塊組成，以下詳細描述。

1.1.1 濾波整形模塊

銫光泵磁力儀輸出TTL電平的方波信號，該信號電壓范圍0-5V,頻率范圍70-350KHz。濾波整形電路功能主要是完成對方波信號的緩沖濾波隔離，原理如圖2所示，輸入的頻率信號經過運放緩沖隔離后，再輸入二階濾波電路，濾波后的信號進入比較器，比較器輸出信號經過高速光耦隔離，形成所需要的矩形波，送入FPGA的I/O口。

圖2 濾波整形電路

本數據采集系統支持2通道的銫光泵磁力儀的頻率信號輸入，因而設計了2個濾波整形模塊。

1.1.2 FPGA模塊

本設計采用的是Intel公司的Cyclone IV系列的EP4CE22F17芯片為核心器件實現改進型的等精度計數功能。Cyclone IV器件包含了許多新的特性，如嵌入存儲器、嵌入乘法器、PLL和低成本的封裝等。該芯片具有22000個邏輯單元，4個鎖相環，最多153個I/O管腳，非常適合本設計使用。本設計采用100MHz的TCXO的高穩定度晶振，利用FPGA的鎖相環模塊將外部的晶振等效倍頻到1600MHz，提高了等精度計數器的標準頻率，減小了測頻的相對誤差。FPGA與樹莓派計算模塊的SMI通信控制接口包括: 數據總線SD0～SD15，數據地址 SA0～SA5，數據讀取 nSWE，數據輸出允許nSOE。

1.1.3 電池管理模塊

本設計采用鋰電池為整個系統供電，為了能夠密切監視、控制和分配整個電池系統，選用LTC4013高電壓電池充電器控制器為電池管理模塊。該模塊具有實時監測電池參數；電池狀態估計；在線診斷與預警；充、放電與預充控制；均衡管理和熱管理等功能。電池管理模塊的使用最大限度地延長電池的整體使用壽命，降低使用成本，保護電池免受損壞，防止出現安全事故。

1.2 顯控模塊部分

以樹莓派計算模塊為核心顯控部分,其主要由：樹莓派計算模塊、LCD顯示、鍵盤、觸摸屏、eMMC存儲器和全球定位系統組成，以下詳細描述。

1.2.1 樹莓派計算模塊

本設計選用樹莓派計算模塊的第4代板卡，該模塊將各類組件集成在僅有55mm*40mm大小的主板上，其基于1.5GHz四核 ARM Cortex-A72 CPU架構，兼容運行微軟的WINDOWS10 IoT Core操作系統，帶有32GB eMMC存儲器，8GB LPDDR4-3200 SDRAM內存，雙通道HDMI顯示接口，USB2.0和其他十余路通訊接口，最為方便的是模塊還有一路SMI接口，這與FPGA的接口提供了一種高速的數據交換接口。利用樹莓派計算模塊豐富的外圍接口，系統配置了5寸LCD顯示屏和鍵盤、觸摸屏。

1.2.2 全球定位系統

全球定位系統主要為系統提供實時位置和速度，保障按預定路線航行或選擇最佳路線，同時也提供UTC時間。本設計選用Novatel公司的板卡，該板卡具有小型、低功耗、單頻l1gps+GLONASS等特點，非常適合嵌入到用戶產品中。GPS板卡通過串口輸出 GPS 定位數據信息，默認采用 NMEA-0183協議，本設計只需要接收解析$GPGGA（全球定位數據）、$GPRMC（推薦最小數據）、$GPVTG（地面速度信息）等3類協議。

2 軟件設計

2.1 數據采集融合軟件

數據采集融合部分的軟件主要實現了改進型的等精度測頻。等精度測頻方法的相對誤差與被測頻率的大小無關，僅與閘門時間和標準頻率有關，即整個測試頻段的等精度測量。本設計利用FPGA實現改進型的等精度測頻方法，提高標準頻率，在閘門時間一定的條件下，提高了測量精度，減小了測頻的相對誤差。

在FPGA芯片中主要由7個模塊構成：PLL模塊、D觸發器、標準頻率計數器、被測頻率計數器、鎖存器、電池管理接口和數據控制模塊組成。本設計采用的是100MHz的TCXO的高穩定度晶振，利用FPGA的鎖相環模塊將外部的晶振等效倍頻到1.6GHz，減小了測頻的相對誤差。

FPGA與樹莓派計算模塊的SMI通信控制接口包括: 數據總線 SD0～SD15，數據地址 SA0～SA5，數據讀取 nSWE，數據輸出允許nSOE。電池管理接口接收外部電池輸入的信號，并且將處理完成的數據傳輸入數據接口模塊。其組成框圖如圖3所示。

圖3 數據采集系統軟件組成框架

2.2 顯控模塊部分

樹莓派計算模塊支持安裝微軟的WINDOWS10 IoT Core操作系統，Windows10IoT核心版是針對小型設備進行了優化的一個Windows10版本，可以在ARM和x86/x64設備上運行。基于該操作系統，筆者用Visual Studio Community 2019環境開發了銫光泵磁力儀數據采集系統軟件，其組成框架如圖4所示。

圖4 顯控模塊部分數據采集系統軟件組成框架

銫光泵磁力儀數據采集系統包含的相關軟件模塊：

（1）數據采集模塊：銫光泵頻率計數模塊、全球定位數據模塊；

（2）串口和SMI采集模塊：多路串口，串口號、波特率等，SMI數據接口配置；

（3）曲線顯示模塊：銫光泵磁力儀曲線顯示、全球定位數據曲線顯示；

（4）數據存儲模塊：根據參數的設置，按照一定的格式將采集的數據存儲到內存中，便于后處理；

（5）數據回放模塊：在磁測作業結束后，將實際采集的信息在顯示屏幕上進行回放顯示；

（6）數據輸出模塊：以設定的頻率將包含特定信息的數據包發送給上位機，默認通過串口發送；

（7）導航與定位模塊；

（8）系統配置參數模塊；

（9）數據管理：將實際作業測量的數據文件進行輸出和管理。

3 結束語

項目組完成基于樹莓派計算模塊和FPGA的便攜式磁力儀數據采集系統，該數據采集系統已被應用于銫光泵磁力儀數據采集系統中，達到了預期效果。