基于FPGA 的磁異常數據采集系統設計

張燕強，賈云飛，蔡璨

（南京理工大學機械學院，江蘇南京 210094）

金屬掩埋物的探測與識別對于人類認識和開發未知領域有很大幫助，該技術已被應用于很多領域，如地下管道探測、海底掩埋物打撈、未爆彈藥探測等[1]。還包括航空磁探潛是通過磁探儀探測磁異信號，從而進行航空反潛[2]。

采用磁通門傳感器陣列對金屬目標引起的磁場變化進行測量，從而對目標進行定位是一種有效的手段。為了對目標的精準識別和定位，要求同步采集磁通門傳感器陣列輸出信號，為下一步的數據處理提供基礎。利用FPGA 并行運算的特性，可嚴格保證同步[3]。文中基于FPGA 設計了一套同步數據采集系統，通過實驗驗證了系統的同步性和有效性。系統采用Altera 公司（現已被Intel 收購）推出的CycloneIV 系列芯片EP4CE10F17I7N，實時性強、處理速度快、靈活性強、功能可以隨時改變、功耗低[4-7]。

1 系統總體設計

文中設計的同步數據采集系統由采集部分和上位機數據處理部分組成。利用磁傳感器陣列勘探磁場時，必須同步測量陣列中各傳感器的信號，上位機才能進行準確解析。基于此，采集部分以FPGA 為核心，主要由磁通門傳感器陣列、A/D 轉換電路、數據存儲電路、電源電路和無線數據傳輸電路組成，上位機數據處理部分由Labview 軟件實現。整個系統采用插卡式的結構設計，便于后期的維護，每個磁通門傳感器有X、Y和Z三路信號輸出，因此，8 個磁通門傳感器共有24 路信號輸出，系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構

為了降低功耗，系統設置了休眠模式，上電后處于休眠狀態，等待上位機的喚醒指令，當接收到喚醒指令后，系統返回一個握手信號，同時系統開始同步采集數據，并將采集到的數據存儲在同步動態隨機存儲器（Synchronous Dynamic Random Access Memory,SDRAM）中[8-10]，采集完成后，系統返回一個采集結束信號，等待上位機讀取數據，當系統接收到讀取指令后，通過WiFi 把存儲在SDRAM 中磁場數據發送給上位機進行處理。

2 系統硬件設計

2.1 采集結構

為了系統工作的可靠性和后期的維護方便，整個采集系統采用插卡式的結構設計，分為主控板和采集卡兩部分。每塊采集卡采集一個傳感器的輸出信號，因此，采集系統共有8 塊采集卡和1 塊主控板，系統硬件結構如圖2 所示。

圖2 系統硬件結構

8 塊采集卡采集到的傳感器信號在主控芯片FPGA 的控制下，將采集到的數據存儲在主控板上的外部存儲器SDRAM 中，待一次采集工作完成之后，將采集到的數據發送給上位機進行處理。

2.2 A/D轉換電路

A/D 轉換電路采用32 位高精度的模數轉換芯片ADS1262，該芯片可正負輸入，輸入范圍為±2.5 V，其內部集成低噪聲可編程的增益放大器放大倍數最高可達32 倍，可編程調節采樣速率[11-14]，最高采樣率可達38400SPS。采集系統的每塊采集卡板載3 片ADS1262 芯片，負責采集一個磁通門傳感器的3 路輸出信號。

采集系統所使用的磁通門傳感器是西安華舜測量設備有限責任公司的新一代傳感器，型號是HSF923-2H5-AA，其相關參數如表1 所示。

表1 磁通門傳感器參數

由于傳感器輸出電壓信號范圍為-10～+10 V，ADS1262 芯片的輸入范圍-2.5～+2.5 V，因而，為了防止輸入信號的幅值過高而燒毀芯片，在進行A/D 轉換之前需要對被測信號進行相應處理[15]。在數據傳輸過程中，不可避免的會受到50～60 Hz 信號造成的干擾，導致信號質量下降，因此需要通過濾波進行信號質量調理[16]，采集卡的電路設計如圖3 所示。

圖3 A/D采集電路

2.3 存儲電路

由于采集系統每次采集的數據量為22 MB，遠遠超過FPGA 的片上存儲資源，而采集完成后的數據是立即發送的，不需保存，因而采用SDRAM 作為數據存儲器，其具有價格低，讀寫速度快，可突發傳輸的特點，文中采用的型號是HY57V256GTR，SDRAM硬件連接如圖4 所示。

圖4 SDRAM原理圖

此外，在主控板上還包含一片用于無線數據發送的WiFi模塊，主控板如圖5 所示。

圖5 主控板

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件結構

系統軟件部分主要包括上位機指令接收程序、A/D 同步采集程序、SDRAM 控制器程序和無線數據傳輸程序4 個部分，采用Verilog HDL 語言在QuartusII13.1 平臺上進行開發，采集系統軟件結構如圖6 所示。

圖6 采集系統軟件結構

3.2 工作模式

為了降低功耗、延長工作時間，采集系統設置了休眠模式和工作模式。采集系統在上電后，首先開始初始化A/D 轉換器和配置SDRAM 存儲器，然后進入休眠狀態，當準備開始采集時，上位機通過Wi-Fi向采集系統發送喚醒指令，在收到喚醒指令后，系統返回應答信號，代表系統已經喚醒，切換為工作模式，準備開始采集，這時如果向系統發送開始采集的指令，系統開始采集數據，持續工作時間為30 s，在采集完成后，系統會自動通過Wi-Fi 將數據發送給上位機。在采集過程中，如果向系統發送終止采集的指令，系統就會終止采集，并將這次采集的數據發送給上位機，數據發送完成后，再次進入休眠模式。

3.3 A/D同步采集程序

ADS1262 支持SPI 接口控制，整個系統共有24片A/D 芯片，由于要嚴格保證采集系統的同步性，因而程序設計時，應保證采集數據的指令同時發送，在接收數據時，應保證接收到的數據是同一時刻的數據，因而，采集程序采用了模塊化設計的思想，其結構如圖7 所示。

圖7 A/D同步采集程序結構

3.4 SDRAM控制器程序

上電后，首先初始化配置SDRAM，由于A/D 采集的數據是32 位的，而選用的SDRAM 存儲器的每個存儲單元為16 位，因此，每個數據需要連續的兩個存儲單元來存儲，將SDRAM 配置成突發傳輸的方式，SDRAM 的工作流程如圖8 所示。

圖8 SDRAM工作流程

3.5 無線數據傳輸

由于采集系統工作條件的限制，不能通過有線傳輸的方式發送數據，因而該系統采用Wi-Fi 來進行數據的無線傳輸。在一次采集工作結束后，系統啟動數據傳輸模式，自動將保存在SDRAM 中的數據發送給上位機。

4 系統實驗

4.1 正弦波采樣測試

測試系統采集信號發生器輸出的頻率為20 Hz，峰峰值為2 V的正弦波，正弦波采樣結果波形如圖9所示。

圖9 正弦波采樣結果

采樣數據快速傅里葉變換的結果如圖10 所示。

圖10 采樣數據快速傅里葉變換結果

通過采樣波形及快速傅里葉變換結果可知，采集卡采到的信號是峰峰值為2 V、頻率為20 Hz 的正弦信號，和信號發生器輸出的信號一致，采集系統可正常工作。

4.2 同步性測試

利用QuartusII13.1 軟件自帶SignalTap 調試工具，抓取信號的實時波形，驗證采集系統的同步性，同步性測試結果如圖11 所示。

圖11 同步性測試結果

可以看出，當系統接收到采集命令后，各個通道開始同時采集磁通門傳感器陣列的數據，同步性良好。

4.3 噪聲水平測試

在信號輸入端短接并接地的條件下，測試采集系統的電路噪聲，并根據數理統計的方法，將噪聲的分布情況繪成如圖12 所示的噪聲分布曲線。

圖12 噪聲分布情況

以第6 個傳感器的噪聲數據為例，從圖中可以看出，電路的噪聲平均值為13 μV，最大值為35 μV，最小值為9 μV，峰峰值為44 μV。根據表1 可知，傳感器的靈敏度為100 μV/nT，電路的噪聲水平低于傳感器的靈敏度，因而采集系統具有良好的工作性能。

4.4 目標探測實驗

當在傳感器附近沒有目標時，傳感器陣列的靜態輸出信號如圖13 所示。

圖13 傳感器靜態輸出

采集系統開始工作以后，在距離傳感器2 m 的位置揮動金屬目標，目標探測結果如圖14 所示。

圖14 目標探測結果

為了方便觀察在目標探測過程中傳感器各個軸輸出信號的變化情況，將傳感器X、Y、Z軸的輸出情況分別如圖15、圖16 和圖17 所示。

圖15 X軸輸出

圖16 Y軸輸出

圖17 Z軸輸出

可以看出，當有目標出現時，傳感器的輸出信號有明顯的波動，實現了磁異常目標探測的功能。

5 結束語

文中根據磁通門傳感器的工作原理，設計了一套磁異常探測系統，重點介紹了磁異常探測系統的硬件電路設計和軟件結構，實驗結果表明，系統同步采集性能良好，噪聲水平遠低于文中所采用的磁通門傳感器的靈敏度，在2 m 范圍內能有效探測目標。