摘要：針對傳統(tǒng)磁通門信號處理電路中模擬元件的缺點，設(shè)計一種基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的數(shù)字磁通門系統(tǒng)。整個系統(tǒng)采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)，由激勵產(chǎn)生模塊、信號處理拱塊和負(fù)反饋模塊組成。外圍模擬電路用高速D/A、A/D芯片取代，有利于系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性的提到。FPGA內(nèi)的數(shù)字邏輯實現(xiàn)了磁通門信號解算、激勵正弦信號發(fā)生、D/A、A/D輸入/輸出串并轉(zhuǎn)換的功能，首先用硬件描述語言(HDL)設(shè)計并仿真，然后下載、配置到FPGA中，調(diào)試完成后進(jìn)行實驗，通過實時處理雙鐵芯磁通門傳感器探頭輸出信號對系統(tǒng)進(jìn)行測試。實驗結(jié)果證實了系統(tǒng)功能的正確性。閉環(huán)結(jié)構(gòu)的采用提高了系統(tǒng)信號梯度線性度，與模擬系統(tǒng)相比，基于數(shù)字邏輯的設(shè)計溫度性能更穩(wěn)定，更易于小型化，可移植性更強。
　　0 引言
　　磁通門傳感器最早于1935年發(fā)明并投入應(yīng)用，用于靜態(tài)或者低頻變化的弱磁檢測，擁有其他磁敏元件難以媲美的靈敏度和可靠性，在磁場測量領(lǐng)域一直占據(jù)著不可替代的位置。磁通門傳感器適用于地磁或人體磁場的檢測，在航空、航天、地質(zhì)勘探、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
　　磁通門傳感器探頭通常采用類似于變壓器的雙鐵芯結(jié)構(gòu)，利用軟磁鐵芯變化磁導(dǎo)率的特性將被測磁場調(diào)制成激勵信號的偶次諧波。信號處理系統(tǒng)對探頭輸出加以處理，從中提取與被測磁場大小相關(guān)的信號，轉(zhuǎn)換成直流量并輸出。
　　傳統(tǒng)的磁通門信號處理電路采用模擬元器件，溫度性能嚴(yán)重地受到影響，且很難小型化，可移植性也很差。與之相比，現(xiàn)代數(shù)字磁通門系統(tǒng)，溫度性能穩(wěn)定，體積小，可移植性強。根據(jù)應(yīng)用的具體情況，可選的實現(xiàn)方式多樣，有單片機、可編程數(shù)字邏輯，或數(shù)字信號處理(DSP)芯片等。
　　FPGA(Field Programmable Gate Array)是一種高速的可編程邏輯芯片，具有其他設(shè)備難以比擬的靈活性，其大部分引腳的功能、內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)完全由用戶根據(jù)需要定義。FPGA器件具有很高的實用價值，一方面可以作為專用集成電路的替代品，直接在最終產(chǎn)品中使用，另一方面，也可以在專用集成電路開發(fā)流程中，做行為驗證工具。
　　在本文中，描述了一種基于FPGA的磁通門系統(tǒng)的實現(xiàn)，系統(tǒng)采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)，對磁通門傳感器探頭輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理，提取出反映被測低頻磁場大小的直流信號。
　　1 磁通門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理
　　如圖1所示，整個系統(tǒng)的硬件包括磁通門傳感器探頭，DAC，ADC和FPGA。功能上可分為傳感器激勵源、磁通門信號解算、負(fù)反饋回路三個模塊。

　　FPGA內(nèi)的正弦激勵發(fā)生電路和外部DAC一起構(gòu)成傳感器激勵源模塊。高速ADC和FPGA內(nèi)的A/D接口、相敏整流、低通濾波電路構(gòu)成磁通門信號解算模塊。積分放大、D/A接口、高速DAC，以及反饋網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成了負(fù)反饋模塊。
　　系統(tǒng)工作時，在激勵信號的驅(qū)動下，磁通門探頭的感應(yīng)線圈感應(yīng)環(huán)境磁場大小，產(chǎn)生磁通門信號，經(jīng)隔直濾波后通過高速ADC芯片轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)送FPGA的處理。在FPGA中，ADC芯片采集到的串行數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，然后通過相敏整流、低通濾波后得到直流信號。低通濾波的結(jié)果積分放大后經(jīng)D/A接口轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)送高速DAC芯片轉(zhuǎn)換成模擬信號，經(jīng)反饋電阻反饋到磁通門探頭的補償線圈(即感應(yīng)線圈)，抵消環(huán)境磁場。
　　由于采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)，前向通道上積分放大環(huán)節(jié)的增益可視作無窮大，根據(jù)自動控制原理，整個系統(tǒng)是無差系統(tǒng)，傳感器探頭實際上工作在“零場”條件下，反饋電流產(chǎn)生的磁場和環(huán)境磁場大小相的方向相反，D/A的前端信號，即積分放大環(huán)節(jié)的輸出反映被測磁場的大小。整個系統(tǒng)的信號梯度主要取決于反饋系數(shù)的大小，具有良好的線性度。
　　2 磁通門信號的特點和處理方法
　　磁通門系統(tǒng)的核心是信號處理電路。
　　磁通門傳感器探頭輸出的偶次諧波(以二次為主)是有用的磁通門信號，而其他頻率的信號都是有害噪聲。在實際應(yīng)用中，通常采用“相敏整流-低通濾波”方法處理磁通門信號。首先用相敏整流進(jìn)行頻譜的調(diào)整，通過采用與二次諧波同頻率的方波基準(zhǔn)乘傳感器探頭的輸出，將二次諧波磁通門信號轉(zhuǎn)換為直流分量，然后用低通濾波濾除其他頻率分量，得到反映被測磁場大小的直流量。

　　低通濾波器輸出是相敏整流結(jié)果的直流分量，與磁通門傳感器探頭輸出的二次諧波的幅值線性相關(guān)，反映被測磁場大小。
　　3 硬件電路設(shè)計
　　在該設(shè)計中，F(xiàn)PGA芯片選用Altera公司CYCLONEⅡ系列的EP2C35F626C5，工作速度快，可定義引腳豐富，邏輯單元數(shù)量可觀，性價比高。FPGA的工作時鐘為50MHz。
　　磁通門激勵起到驅(qū)動傳感器工作的作用，由D/A模塊轉(zhuǎn)換FPGA輸出的正弦數(shù)字信號產(chǎn)生；本設(shè)計中，激勵頻率為3.051kHz，是FPGA工作時鐘的64×256分頻，速度相對較低，且精度要求不高，故DAC采用12位并口DA1210芯片。

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