基于FPGA+DSP的浅地表频域电磁探测数字处理系统

周逢道+韩思雨+綦振伟+李刚+孙彩堂

摘 要：针对浅地表频域电磁探测对接收信号采集、传输和现场高效处理的要求，提出基于FPGA+DSP的浅地表频域电磁探测数字处理系统.在FPGA中实现数据采集、控制和传输FIFO（First Input First Output）模块，采用新式通用并行端口UPP（Universal Parallel Port）实现大数据传输，基于TMS320C6748平台，采用正交锁定放大方法，设计高效率数据处理算法，利用上位机软件通过RJ45网口对系统进行控制并显示结果.实测结果表明：该架构数字处理系统，对不同金属有着较强探测能力，加快了数据传输速率，缩短了系统工作时间，提高了工作效率.

关键词：浅地表频域电磁探测；数字处理；FPGA+DSP；正交锁定放大

中图分类号：TH763 文献标识码：A

文章编号：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

浅地表频域电磁探测是通过发射线圈向地下发射不同频率电磁波建立一次场，接收线圈采集地下异常体激发产生的二次场，获得地下介质电磁特性的一种方法，是解决城市施工建设，工程地质调查，军事探测中常常出现误破坏和安全隐患的重要手段.为了提高探测效率，探测平台往往需要快速移动并设置多通道接收大量数据，要求数字处理系统能够采集有效数字信息，快速传输数据并现场高效处理，对经过区域的地下介质电磁特性进行初步判断和显示[1-6].因此，数字处理系统是浅地表频域电磁探测仪器的核心技术之一，其硬件结构和处理算法将直接影响整个仪器系统的效率和性能.所以，研究一种高效的浅地表频域电磁探测数字处理系统具有很大的研究意义.

现在国外比较著名的产品有美国Geophex公司的GEM系列频域电磁探测仪，其数字处理系统架构为分离式结构，探测数据需要存储在机器上，探测完成后传到计算机进行处理显示，不适用于要求实时处理显示的场合[4-8].而国内浅地表的电磁探测领域尚处于研究初期，吉林大学研制了一款宽频电磁探测设备，其数字处理系统架构为FPGA（Field-Programmable Gate Array）+单片机，上位机负责数据处理和结果显示，上位机实时处理数据占用大量CPU资源，效率不高，亟待改善[7].

为了实现浅地表频域电磁探测接收信号的采集、快速传输和现场高效处理，缩短系统工作时间.本文提出了基于FPGA+DSP的浅地表频域电磁探测数字处理系统设计方案，通过设计FPGA采集传输方案、DSP高效率数据处理方案和友好交互的上位机控制软件来实现系统功能.

1 总体设计

图1所示为系统的整体框图.本数字处理系统由FPGA采集传输单元、DSP数据处理单元和上位机控制显示单元3部分组成.FPGA内部发射控制模块产生数字驱动信号驱动发射电路在发射线圈中建立一次场，地下目标体产生涡流反射二次场，接收线圈与其耦合产生接收系统输入信号.通过FPGA采集传输单元控制模拟电路5个通道采集输入信号的数字量，采用新一代大数据传输总线UPP快速传输数据，再经过DSP数据处理单元进行算法处理，上位机通过RJ45网络接口进行采集控制和有效信息显示，RS232串口作为调试和备用数据通道.

2 FPGA采集传输单元设计

2.1 FPGA内部模块设计

本设计FPGA硬件平台采用ALTERA公司的EP3C40Q240系列，它具有大量的逻辑单元，可反复擦写，实时校正，在逻辑时序编程方面具有很大的灵活性[9].如图2所示，使用VHDL语言和原理图相结合的方式在QuartusII软件中构建FPGA内部数据转换模块、同步协调模块、发射控制模块、译码电路模块和FIFO模块.A为数据转换结束标志，B和C为同步信号，D为控制采集信号.

数据转换模块通过I2S（Inter-IC Sound）总线和MCLK将模拟电路中ADC转换的数字信号进行提取，把串行数据转换为并行的32位数据，并提供给FIFO模块，同时产生转换结束信号给同步协调模块.MCLK为FPGA主时钟经过倍频和分频得到的ADC采样频率控制信号，当采样率为384 kHz时，MCLK为49.125 MHz.I2S总线为飞利浦公司制定的一种专门用于数字音频视频信号传输的总线标准，由3条信号线组成：帧时钟信号线LRCK、位时钟信号线BCLK和数据输出信号线SDATA.在MCLK的驱动下，当LRCK为高电平时，ADC输出左通道数据，为低电平时，ADC输出右通道数据；当BCLK为上升沿时，32位采样数据就会按照从高位到低位顺序逐位出现在SDATA上，供FPGA读取[7].

在浅地表频域电磁探测中，采集信号的相位信息是采集结果中非常重要的信息，发射系统和接收系统需要在操作者发出采集指令后同一时刻开始工作，因此具备同步功能的同步协调模块至关重要.当数据转换结束标志和控制采集信号都使能时，同步信号使能发射和FIFO同时进行工作.在需要几套系统同时工作时，可指定一套系统为主系统，其他系统为从系统，主系统的DSP通过拓展控制接口控制从系统的FPGA同步协调模块来使所有系统同步工作[7-8].

发射控制模块根据设定的频率，在同步信号使能情况下输出对应频率方波信号，驱动发射系统中的桥路工作.译码电路模块的输入为来自DSP的8根控制信号总线，模块负责对不同控制编码进行译码，来实现上位机的具体功能.

2.2 大数据传输设计

浅地表频域电磁探测仪器在很多应用场合下需要进行实时数据处理，并得到初步结果供现场判定.本设计中，AD的采样频率很高，再加上多通道采集，使得数据传输速率很大，如式（1）所示：

式中：Q为每秒数据流量；fs为AD采样率；bits为AD的位数；ch为通道个数.由式（1）可知数据传输速率很大，一般的串口传输无法达到该速率.

所以本系统需要设计大数据传输方案，FPGA与DSP的大数据传输有常用的EMIFA即外部存储器接口，也有最近几年TI才推出的UPP即通用并行接口.EMIFA有地址线和数据线，片选信号，读写使能信号；而UPP只有两个数据通道，没有地址线的概念，是通过START/ENABLE/WAIT/CLOCK信号控制数据的传输和同步.所以，一般使用UPP都是在FPGA里生成一个FIFO，DSP通过UPP接口连续的读取FIFO里的数据，而不像EMIFA那样，FPGA中需要建立多个状态寄存器和存储器，先要发送地址信号然后读取或写入数据.所以UPP的通讯速率要比EMIFA高很多.当DSP的CPU频率为456 MHz时，UPP时钟可以达到114 MHz，使用上升沿和下降沿均锁存数据的话传输速率可以达到228 MB/s，而EMIFA的时钟最高为148 MHz[10].基于以上分析，本设计采用UPP作为大数据传输方式，如图3所示，包括FPGA内部FIFO模块和UPP模块两部分.

FIFO模块即先入先出队列，包括数据拆分模块、数据写入模块、存储模块和数据读取模块.由于UPP数据总线为16位，所以数据拆分模块负责在同步信号使能下，将32位采集数据拆分为高16位和低16位以方便传输，并给定每个16位数据包的写信号；数据写入模块采用状态机的方式在数据写信号上升沿到来时，读取16位数据，并按照给定数据存储地址写入存储模块中，当数据存储满时给读取模块FULL标志；存储模块利用QuartusII中MegaWizard Plug-In Manager提供的双口RAM宏模块完成，存储整周期5个通道数据，RAM的位宽为16位，RAM总大小为32 kB；数据读取模块同样采用状态机方式在接收到FULL标志后，给定存储器数据地址，读取整个存储器的数据送到16位UPP数据总线并产生UPP控制信号START，ENABLE，CLOCK，DSP接收模式下单倍数据率的UPP通道信号时序如图4所示.

3 DSP高效数据处理单元设计

本设计DSP平台采用美国德州仪器（TI）公司最新推出的TMS320C6748，它是具有众多连接选项与浮点功能的全新高性能处理器，也是业界功耗最低的浮点数字信号处理器为420 mW，可充分满足高能效、连通性设计对高集成度外设、更低热量耗散以及更长电池使用寿命的需求[11].为达到硬件最快处理速度，本设计DSP的CPU工作频率为456 MHz，采用C语言在CCS软件中编写数据处理算法.

图5所示为DSP数据处理软件流程图，通过RJ45网口接收上位机控制指令，分为两种指令模式：标定模式和正式采集模式.标定模式又分为通道相位标定模式、背景场标定模式和土壤相位标定模式.本数据处理算法基于正交锁定放大方法，它是频率域电磁法中重要的频率信息提取方法，其原理是：已知发射频率，所以二次场的主要频率成分已知，使用同频率的正交参考信号对二次场信号进行I，Q分量的提取来获得异常体频率特性[12].

FPGA控制发射电路向发射线圈发送方波激励信号vT，其傅里叶展开式如式（2）所示：

4 上位机控制显示单元设计

本系统的上位机控制显示单元软件采用C++语言在Microsoft Visual Studio 2010软件中通过MFC编写实现[13-14]，图7所示为上位机软件流程图.控制功能主要包括检测设置、标定模式和正式采集模式3个功能.检测设置功能包括检测网络接口、标定参数设置和采集参数设置；标定模式功能包括通道相位标定、背景场标定和土壤相位标定；正式采集模式包括开始采集和停止采集.显示功能通过OCX绘图软件TeeChart实时描绘I，Q曲线图.

5 实验结果

5.1 金属异常反应测试

本系统主要是针对吉林大学研制的宽频电磁探测设备数字处理系统（以下称原系统）存在的数据传输速度较慢、上位机实时处理数据占用大量CPU资源，效率不高等缺点进行的升级优化[15-17].

在吉林大学野外环境测试室模拟野外探测环境进行金属异常反应测试，用原系统和本系统分别测试无金属异常体情况和几种质量为0.2 g的生活常见金属样品：易拉罐拉环、1角硬币和铜箔，金属掩埋于沙土下1 cm，探测线圈距离地表5 cm，测试频点为2～96 kHz共20个频点，图8（a）～（h）为探测结果的I，Q曲线[18-20].

从图8结果可以对比出，不同金属样品频率曲线差异明显，本系统比原系统曲线幅度更大，对不同金属异常体有着较强的发现能力，为后续的辨识工作打下了坚实基础.

5.2 金属探测灵敏度测试

用原系统和本系统对常见的钢珠进行灵敏度实验，均掩埋于沙土下1 cm，探测距离为探测线圈距离地表距离.测试结果如表1所示.

由表1可知，本系统比原系统探得率有所提高，当探测距离一定时，金属样品质量越大，探测效果越好，探得率越高；当金属样品质量一定时，探测距离越小，探测效果越好，探得率越高.

5.3 系统主要优化特性对比

本系统相比于原系统的主要优化特性对比如表2所示.原系统的数据传输速度为FPGA经单片机向上位机的传输速度，本系统的数据传输速度为FPGA向DSP的传输速度，处理时间为开始采集到结果显示的时间，包括信号采集、传输和处理的时间.

由表2可知，本设计提出的基于FPGA+DSP的浅地表频域电磁探测数字处理系统，数据传输速率提高了9.5倍，数据处理时间缩短了68.75%.

6 结 论

1）在浅地表频域电磁探测数字处理系统中采用FPGA+DSP架构，与原有FPGA+单片机架构相比，数据处理平台由上位机改为DSP，减轻了上位机CPU负担，系统工作时间缩短了68.75%，便于现场高效应用.

2）FPGA与DSP间采用新一代大数据传输总线UPP，其数据传输速率比原有单片机的传输方式提高了9.5倍.

3）基于正交锁定放大技术的数据处理算法对采集信息进行了有效的处理并提取对应的I，Q分量.实验证明应用于新架构的算法对不同金属有着较强的发现能力，对一定范围内不同质量和探测深度的金属异常体探得率较高，可用于一定深度金属异常体的浅地表电磁探测.

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