基于FPGA+DSP的淺地表頻域電磁探測(cè)數(shù)字處理系統(tǒng)

周逢道+韓思雨+綦振偉+李剛+孫彩堂

摘 要：針對(duì)淺地表頻域電磁探測(cè)對(duì)接收信號(hào)采集、傳輸和現(xiàn)場(chǎng)高效處理的要求，提出基于FPGA+DSP的淺地表頻域電磁探測(cè)數(shù)字處理系統(tǒng).在FPGA中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制和傳輸FIFO（First Input First Output）模塊，采用新式通用并行端口UPP（Universal Parallel Port）實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)傳輸，基于TMS320C6748平臺(tái)，采用正交鎖定放大方法，設(shè)計(jì)高效率數(shù)據(jù)處理算法，利用上位機(jī)軟件通過RJ45網(wǎng)口對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制并顯示結(jié)果.實(shí)測(cè)結(jié)果表明：該架構(gòu)數(shù)字處理系統(tǒng)，對(duì)不同金屬有著較強(qiáng)探測(cè)能力，加快了數(shù)據(jù)傳輸速率，縮短了系統(tǒng)工作時(shí)間，提高了工作效率.

關(guān)鍵詞：淺地表頻域電磁探測(cè)；數(shù)字處理；FPGA+DSP；正交鎖定放大

中圖分類號(hào)：TH763 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-2974（2016）10-0094-08

Abstract：To meet the requirements of acquisition， transport and spot efficient processing of the received signal in shallow surface frequency-domain electromagnetic detection， a digital processing system for shallow surface frequency-domain electromagnetic detection based on FPGA+DSP was proposed. Data acquisition， control， and transmission FIFO module were compiled in FPGA. New universal parallel port UPP was used to achieve high data transfer. Efficient data processing algorithm was written with orthogonal lock-in amplification method based on TMS320C6748. The system was controlled and the results were displayed with PC software through the RJ45 network port. Test results have shown that the digital processing system of the proposed architecture for different metals has a strong ability of discovery. Data transmission rate is accelerated， system working time is shortened and work efficiency is improved.

Key words：shallow surface frequency-domain electromagnetic detection； digital processing； FPGA+DSP； orthogonal lock-in amplification

淺地表頻域電磁探測(cè)是通過發(fā)射線圈向地下發(fā)射不同頻率電磁波建立一次場(chǎng)，接收線圈采集地下異常體激發(fā)產(chǎn)生的二次場(chǎng)，獲得地下介質(zhì)電磁特性的一種方法，是解決城市施工建設(shè)，工程地質(zhì)調(diào)查，軍事探測(cè)中常常出現(xiàn)誤破壞和安全隱患的重要手段.為了提高探測(cè)效率，探測(cè)平臺(tái)往往需要快速移動(dòng)并設(shè)置多通道接收大量數(shù)據(jù)，要求數(shù)字處理系統(tǒng)能夠采集有效數(shù)字信息，快速傳輸數(shù)據(jù)并現(xiàn)場(chǎng)高效處理，對(duì)經(jīng)過區(qū)域的地下介質(zhì)電磁特性進(jìn)行初步判斷和顯示[1-6].因此，數(shù)字處理系統(tǒng)是淺地表頻域電磁探測(cè)儀器的核心技術(shù)之一，其硬件結(jié)構(gòu)和處理算法將直接影響整個(gè)儀器系統(tǒng)的效率和性能.所以，研究一種高效的淺地表頻域電磁探測(cè)數(shù)字處理系統(tǒng)具有很大的研究意義.

現(xiàn)在國(guó)外比較著名的產(chǎn)品有美國(guó)Geophex公司的GEM系列頻域電磁探測(cè)儀，其數(shù)字處理系統(tǒng)架構(gòu)為分離式結(jié)構(gòu)，探測(cè)數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)在機(jī)器上，探測(cè)完成后傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理顯示，不適用于要求實(shí)時(shí)處理顯示的場(chǎng)合[4-8].而國(guó)內(nèi)淺地表的電磁探測(cè)領(lǐng)域尚處于研究初期，吉林大學(xué)研制了一款寬頻電磁探測(cè)設(shè)備，其數(shù)字處理系統(tǒng)架構(gòu)為FPGA（Field-Programmable Gate Array）+單片機(jī)，上位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示，上位機(jī)實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)占用大量CPU資源，效率不高，亟待改善[7].

為了實(shí)現(xiàn)淺地表頻域電磁探測(cè)接收信號(hào)的采集、快速傳輸和現(xiàn)場(chǎng)高效處理，縮短系統(tǒng)工作時(shí)間.本文提出了基于FPGA+DSP的淺地表頻域電磁探測(cè)數(shù)字處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過設(shè)計(jì)FPGA采集傳輸方案、DSP高效率數(shù)據(jù)處理方案和友好交互的上位機(jī)控制軟件來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能.

1 總體設(shè)計(jì)

圖1所示為系統(tǒng)的整體框圖.本數(shù)字處理系統(tǒng)由FPGA采集傳輸單元、DSP數(shù)據(jù)處理單元和上位機(jī)控制顯示單元3部分組成.FPGA內(nèi)部發(fā)射控制模塊產(chǎn)生數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路在發(fā)射線圈中建立一次場(chǎng)，地下目標(biāo)體產(chǎn)生渦流反射二次場(chǎng)，接收線圈與其耦合產(chǎn)生接收系統(tǒng)輸入信號(hào).通過FPGA采集傳輸單元控制模擬電路5個(gè)通道采集輸入信號(hào)的數(shù)字量，采用新一代大數(shù)據(jù)傳輸總線UPP快速傳輸數(shù)據(jù)，再經(jīng)過DSP數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行算法處理，上位機(jī)通過RJ45網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行采集控制和有效信息顯示，RS232串口作為調(diào)試和備用數(shù)據(jù)通道.

2 FPGA采集傳輸單元設(shè)計(jì)

2.1 FPGA內(nèi)部模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)FPGA硬件平臺(tái)采用ALTERA公司的EP3C40Q240系列，它具有大量的邏輯單元，可反復(fù)擦寫，實(shí)時(shí)校正，在邏輯時(shí)序編程方面具有很大的靈活性[9].如圖2所示，使用VHDL語言和原理圖相結(jié)合的方式在QuartusII軟件中構(gòu)建FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、同步協(xié)調(diào)模塊、發(fā)射控制模塊、譯碼電路模塊和FIFO模塊.A為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，B和C為同步信號(hào)，D為控制采集信號(hào).

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊通過I2S（Inter-IC Sound）總線和MCLK將模擬電路中ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行提取，把串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行的32位數(shù)據(jù)，并提供給FIFO模塊，同時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)給同步協(xié)調(diào)模塊.MCLK為FPGA主時(shí)鐘經(jīng)過倍頻和分頻得到的ADC采樣頻率控制信號(hào)，當(dāng)采樣率為384 kHz時(shí)，MCLK為49.125 MHz.I2S總線為飛利浦公司制定的一種專門用于數(shù)字音頻視頻信號(hào)傳輸?shù)目偩€標(biāo)準(zhǔn)，由3條信號(hào)線組成：幀時(shí)鐘信號(hào)線LRCK、位時(shí)鐘信號(hào)線BCLK和數(shù)據(jù)輸出信號(hào)線SDATA.在MCLK的驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)LRCK為高電平時(shí)，ADC輸出左通道數(shù)據(jù)，為低電平時(shí)，ADC輸出右通道數(shù)據(jù)；當(dāng)BCLK為上升沿時(shí)，32位采樣數(shù)據(jù)就會(huì)按照從高位到低位順序逐位出現(xiàn)在SDATA上，供FPGA讀取[7].

在淺地表頻域電磁探測(cè)中，采集信號(hào)的相位信息是采集結(jié)果中非常重要的信息，發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)需要在操作者發(fā)出采集指令后同一時(shí)刻開始工作，因此具備同步功能的同步協(xié)調(diào)模塊至關(guān)重要.當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志和控制采集信號(hào)都使能時(shí)，同步信號(hào)使能發(fā)射和FIFO同時(shí)進(jìn)行工作.在需要幾套系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)，可指定一套系統(tǒng)為主系統(tǒng)，其他系統(tǒng)為從系統(tǒng)，主系統(tǒng)的DSP通過拓展控制接口控制從系統(tǒng)的FPGA同步協(xié)調(diào)模塊來使所有系統(tǒng)同步工作[7-8].

發(fā)射控制模塊根據(jù)設(shè)定的頻率，在同步信號(hào)使能情況下輸出對(duì)應(yīng)頻率方波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)發(fā)射系統(tǒng)中的橋路工作.譯碼電路模塊的輸入為來自DSP的8根控制信號(hào)總線，模塊負(fù)責(zé)對(duì)不同控制編碼進(jìn)行譯碼，來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的具體功能.

2.2 大數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

淺地表頻域電磁探測(cè)儀器在很多應(yīng)用場(chǎng)合下需要進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，并得到初步結(jié)果供現(xiàn)場(chǎng)判定.本設(shè)計(jì)中，AD的采樣頻率很高，再加上多通道采集，使得數(shù)據(jù)傳輸速率很大，如式（1）所示：

式中：Q為每秒數(shù)據(jù)流量；fs為AD采樣率；bits為AD的位數(shù)；ch為通道個(gè)數(shù).由式（1）可知數(shù)據(jù)傳輸速率很大，一般的串口傳輸無法達(dá)到該速率.

所以本系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)大數(shù)據(jù)傳輸方案，F(xiàn)PGA與DSP的大數(shù)據(jù)傳輸有常用的EMIFA即外部存儲(chǔ)器接口，也有最近幾年TI才推出的UPP即通用并行接口.EMIFA有地址線和數(shù)據(jù)線，片選信號(hào)，讀寫使能信號(hào)；而UPP只有兩個(gè)數(shù)據(jù)通道，沒有地址線的概念，是通過START/ENABLE/WAIT/CLOCK信號(hào)控制數(shù)據(jù)的傳輸和同步.所以，一般使用UPP都是在FPGA里生成一個(gè)FIFO，DSP通過UPP接口連續(xù)的讀取FIFO里的數(shù)據(jù)，而不像EMIFA那樣，F(xiàn)PGA中需要建立多個(gè)狀態(tài)寄存器和存儲(chǔ)器，先要發(fā)送地址信號(hào)然后讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù).所以UPP的通訊速率要比EMIFA高很多.當(dāng)DSP的CPU頻率為456 MHz時(shí)，UPP時(shí)鐘可以達(dá)到114 MHz，使用上升沿和下降沿均鎖存數(shù)據(jù)的話傳輸速率可以達(dá)到228 MB/s，而EMIFA的時(shí)鐘最高為148 MHz[10].基于以上分析，本設(shè)計(jì)采用UPP作為大數(shù)據(jù)傳輸方式，如圖3所示，包括FPGA內(nèi)部FIFO模塊和UPP模塊兩部分.

FIFO模塊即先入先出隊(duì)列，包括數(shù)據(jù)拆分模塊、數(shù)據(jù)寫入模塊、存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)讀取模塊.由于UPP數(shù)據(jù)總線為16位，所以數(shù)據(jù)拆分模塊負(fù)責(zé)在同步信號(hào)使能下，將32位采集數(shù)據(jù)拆分為高16位和低16位以方便傳輸，并給定每個(gè)16位數(shù)據(jù)包的寫信號(hào)；數(shù)據(jù)寫入模塊采用狀態(tài)機(jī)的方式在數(shù)據(jù)寫信號(hào)上升沿到來時(shí)，讀取16位數(shù)據(jù)，并按照給定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址寫入存儲(chǔ)模塊中，當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)滿時(shí)給讀取模塊FULL標(biāo)志；存儲(chǔ)模塊利用QuartusII中MegaWizard Plug-In Manager提供的雙口RAM宏模塊完成，存儲(chǔ)整周期5個(gè)通道數(shù)據(jù)，RAM的位寬為16位，RAM總大小為32 kB；數(shù)據(jù)讀取模塊同樣采用狀態(tài)機(jī)方式在接收到FULL標(biāo)志后，給定存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)地址，讀取整個(gè)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)送到16位UPP數(shù)據(jù)總線并產(chǎn)生UPP控制信號(hào)START，ENABLE，CLOCK，DSP接收模式下單倍數(shù)據(jù)率的UPP通道信號(hào)時(shí)序如圖4所示.

3 DSP高效數(shù)據(jù)處理單元設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)DSP平臺(tái)采用美國(guó)德州儀器（TI）公司最新推出的TMS320C6748，它是具有眾多連接選項(xiàng)與浮點(diǎn)功能的全新高性能處理器，也是業(yè)界功耗最低的浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器為420 mW，可充分滿足高能效、連通性設(shè)計(jì)對(duì)高集成度外設(shè)、更低熱量耗散以及更長(zhǎng)電池使用壽命的需求[11].為達(dá)到硬件最快處理速度，本設(shè)計(jì)DSP的CPU工作頻率為456 MHz，采用C語言在CCS軟件中編寫數(shù)據(jù)處理算法.

圖5所示為DSP數(shù)據(jù)處理軟件流程圖，通過RJ45網(wǎng)口接收上位機(jī)控制指令，分為兩種指令模式：標(biāo)定模式和正式采集模式.標(biāo)定模式又分為通道相位標(biāo)定模式、背景場(chǎng)標(biāo)定模式和土壤相位標(biāo)定模式.本數(shù)據(jù)處理算法基于正交鎖定放大方法，它是頻率域電磁法中重要的頻率信息提取方法，其原理是：已知發(fā)射頻率，所以二次場(chǎng)的主要頻率成分已知，使用同頻率的正交參考信號(hào)對(duì)二次場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行I，Q分量的提取來獲得異常體頻率特性[12].

FPGA控制發(fā)射電路向發(fā)射線圈發(fā)送方波激勵(lì)信號(hào)vT，其傅里葉展開式如式（2）所示：

4 上位機(jī)控制顯示單元設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的上位機(jī)控制顯示單元軟件采用C++語言在Microsoft Visual Studio 2010軟件中通過MFC編寫實(shí)現(xiàn)[13-14]，圖7所示為上位機(jī)軟件流程圖.控制功能主要包括檢測(cè)設(shè)置、標(biāo)定模式和正式采集模式3個(gè)功能.檢測(cè)設(shè)置功能包括檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)接口、標(biāo)定參數(shù)設(shè)置和采集參數(shù)設(shè)置；標(biāo)定模式功能包括通道相位標(biāo)定、背景場(chǎng)標(biāo)定和土壤相位標(biāo)定；正式采集模式包括開始采集和停止采集.顯示功能通過OCX繪圖軟件TeeChart實(shí)時(shí)描繪I，Q曲線圖.

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1 金屬異常反應(yīng)測(cè)試

本系統(tǒng)主要是針對(duì)吉林大學(xué)研制的寬頻電磁探測(cè)設(shè)備數(shù)字處理系統(tǒng)（以下稱原系統(tǒng)）存在的數(shù)據(jù)傳輸速度較慢、上位機(jī)實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)占用大量CPU資源，效率不高等缺點(diǎn)進(jìn)行的升級(jí)優(yōu)化[15-17].

在吉林大學(xué)野外環(huán)境測(cè)試室模擬野外探測(cè)環(huán)境進(jìn)行金屬異常反應(yīng)測(cè)試，用原系統(tǒng)和本系統(tǒng)分別測(cè)試無金屬異常體情況和幾種質(zhì)量為0.2 g的生活常見金屬樣品：易拉罐拉環(huán)、1角硬幣和銅箔，金屬掩埋于沙土下1 cm，探測(cè)線圈距離地表5 cm，測(cè)試頻點(diǎn)為2～96 kHz共20個(gè)頻點(diǎn)，圖8（a）～（h）為探測(cè)結(jié)果的I，Q曲線[18-20].

從圖8結(jié)果可以對(duì)比出，不同金屬樣品頻率曲線差異明顯，本系統(tǒng)比原系統(tǒng)曲線幅度更大，對(duì)不同金屬異常體有著較強(qiáng)的發(fā)現(xiàn)能力，為后續(xù)的辨識(shí)工作打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).

5.2 金屬探測(cè)靈敏度測(cè)試

用原系統(tǒng)和本系統(tǒng)對(duì)常見的鋼珠進(jìn)行靈敏度實(shí)驗(yàn)，均掩埋于沙土下1 cm，探測(cè)距離為探測(cè)線圈距離地表距離.測(cè)試結(jié)果如表1所示.

由表1可知，本系統(tǒng)比原系統(tǒng)探得率有所提高，當(dāng)探測(cè)距離一定時(shí)，金屬樣品質(zhì)量越大，探測(cè)效果越好，探得率越高；當(dāng)金屬樣品質(zhì)量一定時(shí)，探測(cè)距離越小，探測(cè)效果越好，探得率越高.

5.3 系統(tǒng)主要優(yōu)化特性對(duì)比

本系統(tǒng)相比于原系統(tǒng)的主要優(yōu)化特性對(duì)比如表2所示.原系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度為FPGA經(jīng)單片機(jī)向上位機(jī)的傳輸速度，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度為FPGA向DSP的傳輸速度，處理時(shí)間為開始采集到結(jié)果顯示的時(shí)間，包括信號(hào)采集、傳輸和處理的時(shí)間.

由表2可知，本設(shè)計(jì)提出的基于FPGA+DSP的淺地表頻域電磁探測(cè)數(shù)字處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸速率提高了9.5倍，數(shù)據(jù)處理時(shí)間縮短了68.75%.

6 結(jié) 論

1）在淺地表頻域電磁探測(cè)數(shù)字處理系統(tǒng)中采用FPGA+DSP架構(gòu)，與原有FPGA+單片機(jī)架構(gòu)相比，數(shù)據(jù)處理平臺(tái)由上位機(jī)改為DSP，減輕了上位機(jī)CPU負(fù)擔(dān)，系統(tǒng)工作時(shí)間縮短了68.75%，便于現(xiàn)場(chǎng)高效應(yīng)用.

2）FPGA與DSP間采用新一代大數(shù)據(jù)傳輸總線UPP，其數(shù)據(jù)傳輸速率比原有單片機(jī)的傳輸方式提高了9.5倍.

3）基于正交鎖定放大技術(shù)的數(shù)據(jù)處理算法對(duì)采集信息進(jìn)行了有效的處理并提取對(duì)應(yīng)的I，Q分量.實(shí)驗(yàn)證明應(yīng)用于新架構(gòu)的算法對(duì)不同金屬有著較強(qiáng)的發(fā)現(xiàn)能力，對(duì)一定范圍內(nèi)不同質(zhì)量和探測(cè)深度的金屬異常體探得率較高，可用于一定深度金屬異常體的淺地表電磁探測(cè).

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