基于FPGA的电磁场信号采集与处理系统研究

马 雪

（昆明船舶设备研究试验中心，云南昆明，650051）

基于FPGA的电磁场信号采集与处理系统研究

马 雪

（昆明船舶设备研究试验中心，云南昆明，650051）

为满足对水下电磁场信号的采集与实时处理，并将处理结果上传主机的需求，设计了一种三维磁场信号采集及处理系统。系统采用FPGA控制6通道A/D转换器对磁场信号同步采样，并将原始数据存储在NAND Flash中，同时FPGA对采样数据进行滤波、FFT等初步计算分析。ARM芯片完成信号特征的提取和估计，将结果通过CAN总线上传远端主机。为适应小型水下航行器对空间和航行时间的要求，系统采用低功耗、小型化设计。

水下电磁场；FPGA；CAN总线

0　引言

钢铁舰船在地磁场中被磁化，成为一大块磁铁，海底水雷靠舰船磁场触发，这在第二次世界大战中广泛应用。随着舰艇消音降噪技术和声干扰技术的发展，以传统的声呐对水下目标进行探测、定位和跟踪显得越来越困难，因此水下电磁场在这方面的研究显的更加重要。依项目需求，以FPGA芯片EP4CE75、32位单片机STM32F407、16位AD转换器AD7656为核心，采用STM32固件库和IP核完成了软件开发，实现了小型水下航行器子系统的研制。

1　系统设计

图1　系统总体框图

系统按功能划分有4个单元：1）数据采集单元，由一片6通道16位A/D转换芯片及FPGA组成；2）数据存储单元，由一片4G容量的NAND Flash芯片及FPGA组成；3）系统通信单元，由STM32F407IGH6及外围以太网PHY芯片、CAN接口收发芯片组成；4）信号特征提取和估计单元，由一片STM32芯片及RS-232接口组成。总系统方案如图1所示。

主控芯片选用Altera公司Cyclone IV E系列 FPGA 器件EP4CE75，该器件可在1.0V和1.2V核电压下使用。主要用于低功耗、低成本实现较高性能的领域。

信号特征提取和估计和系统通信采用ARM Cortex-M4 内核的32位MCU。该器件具有以下特性：

1）ARM Cortex-M4 内核具备浮点运算单元（FPU）和增强的DSP处理指令，168MH主频下可达到210DMIPS的处理能力，满足系统对信号处理速度的要求；2）2个CAN控制器支持CAN2.0B协议，满足系统处理结果上传主机的要求；3）1个IEEE 802.3-2002标准的以太网控制器，支持外部PHY接口实现10/100 Mbit/s 数据传输速率。系统采用简化介质独立接口（RMII）与外部物理层(PHY) 相连，节约I/O资源的同时简化PCB布线。

2　信号处理机硬件设计

2.1数据采集单元硬件设计

数据采集单元设计中，采用Bartington公司的磁场传感器mag-03，传感器具有X,Y和Z三个正交分量，量程为±100uT,带宽为0-3kHz，具有分辨率高，低噪声和工作稳定性等特点。只需为其提供±12V的电源，磁场传感器集成反接保护电路和电源滤波电路，降低电源噪声，提高电路的可靠性。Vx、Vy、Yz三轴磁场信号经过放大器和抗混叠滤波器后供A/D转换器采样。

采样电路部分由一片ADI公司的AD7656数模转换器和FPGA连接，芯片集成6个独立16位双极性 ADC。本设计采用高速并口模式传输采样数据，并口模式由16位数据总线和控制信号组成，3 个CONVST管脚连接到一起，进行6 通道同步采样。这样降低了FPGA软件编写的难度，减少逻辑资源和存储器的消耗。

2.2数据存储单元硬件设计

K9F4G08UOC 是一个4Gbit 并带备用的32Mbit 容量的存储器。系统工作在20k的采样率下，以NAND Flash的读写速度，4Gbit的容量能满足系统1小时以上的数据存储。I/O 引脚可作为地址和数据输入输出以及命令输入，FPGA通过控制信号及I/O，对NANO Flash进行编程、擦除、读等操作。数字存储单元电路如图2所示。

图2　数据存储单元原理图

2.3系统通信单元硬件设计

在硬件设计中，STM32芯片集成2个支持CAN2.0B协议控制器，1个以太网控制器。CAN总线控制器通过RxD 和TxD连接到高速光耦HCPL-0600并通过接口芯片TJA1050转换为差动信号，接口芯片通过CANL和CANH连接到CAN总线。以太网控制器通过简化介质独立接口（RMII）连接到外部物理层（PHY）芯片DP83848。为保证电气隔离性，提高电路抗干扰能力，CAN总线采用DC-DC隔离模块和高速光耦进行隔离，以太网采用网络变压器进行隔离。系统通信单元电路如图3所示。

2.4信号特征提取和估计单元硬件设计

图3　系统通信单元原理图

该单元的主要功能是，读取存储在FPGA双口RAM的FFT结果数据，并对数据进行频率估计、相位、幅度计算。STM32F407采用ARM公司Cortex-M4内核设计，集成FPU（浮点运算单元）和增强的DSP处理指令，最高工作主频168MHz，1M字节的片上闪存（Flash），196K字节的内嵌SRAM。硬件电路设计中，该芯片的工作电压范围1.8V到3.6V，系统供电为其提供稳定的3.3V电源。8MHz的外部晶振通过时钟管理器倍频和分频后为其提供168MHz的工作时钟。STM32F407这些特性满足系统对实时性的要求。

3　系统软件设计

系统有两种工作模式，实航模式和回放模式，系统通过判断命令控制字来决定工作模式。系统软件设计主要在FPGA平台和STM32平台上完成，为缩短开发周期，FPGA平台采用Verilog语言配合Altera IP核设计，STM32平台采用STM32F4固件库和开源的TCP/IP协议栈LwIP进行设计。系统程序流程如图4所示。

图4　系统程序流程图

3.1实航模式程序设计

在实航模式下，CAN控制器初始化，通过设置寄存对工作模式、波特率和数据帧格式等参数的设置，根据设计要求，CAN总线波特率设置为500Kbps，工作模式设置为常规模式，数据帧格式设置为标准帧格式。CAN总线初始化完成后接收主机发来的命令控制字，接收到AD采样开始命令时，在FPGA的双口RAM中写入启动AD开始转换命令字。FPGA控制AD转换器对磁传感器信号进行采集并将数据存储在FIFO中。当FIFO状态为满时，一方面将数据写入NAND Flash中，另一方面将数据发送至信号处理模块进行数字滤波和FFT变换，结果写入双口RAM。信号特征提取和估计单元通过FSMC总线读取双口RAM的数据，进行频率估计、相位补偿、幅度计算。

3.2回放模式程序设计

LwIP是轻量级IP协议，可在无操作系统的支持下运行。系统采用UDP模式传输数据，该模式不需要建立连接的请求和应答，直接进行双向数据传输，具有更高的传输速度。在回放模式下，以太网初始化对MAC地址、IP地址、端口地址、子网掩码参数设置。初始化成功后创建一个UDP控制块，并连接到指定IP地址和端口号的主机。系统通过上位机发来的命令字判别数据回放或者NAND Flash管理模式，接收到数据回放命令字时，系统对NAND Flash写保护，确保数据不被覆盖，并读取存储在NAND Flash中的数据通过UDP发送至上位机。

4　系统测试

基于上述的设计，对本系统进行了水下测试。测试中采用信号源输出不同频率的信号，经过功率放大器后，提供给电磁辐射器，系统采集和处理数据后发至上位机机进行显示，对不同的信号频率、水深、辐射器与传感器距离进行多次测试。测试结果如图5所示。电磁辐射器布放在20m水深处，磁传感器布放在15m水深处，传感器和电磁辐射器距离6m，从频谱图可见信号在800Hz处形成明显谱线，满足设计要求。

图5　测试结果频谱图

5　结论

针对小型水下航行器对水下磁场采集、存储、分析的需求，设计了一套低功耗、小体积、实时性高的磁场信号处理系统。系统利用FPGA资源丰富的优势，对磁场信号进行多路同步采集，大容量NAND Flash芯片实现数据存储，浮点运算IP核完成FIR和FFT运算。利用外设丰富的高性能STM32实现了CAN总线和以太网通信。STM32与FPGA采用FSMC接口高效并行通信的方式。系统经过水下测试，功能满足设计需求，测量误差在可接受的范围内。系统可用于其他数据采集与信号处理系统，具有较好的运用前景。

[1]杨国义.舰船水下电磁场国外研究现状[J].舰船科学技术.2011,33(12) 138-142.

[2]LwIP--A Lightweight TCP/IP stack[EB/OL]. http:// savannah.nongnu.org/projects/lwip.2015

[3]谢希仁.计算机网络[M].电子工业出版社.2006

[4]鲁力,张波.嵌入式TCP/IP协议的高速电网络数据采集系统[J]. 仪器仪表学报. 2009(02)

[5]林涛,邹黎华,耿勇男.多类型多通道的数据采集系统设计[J].电子测量与仪器学报. 2009(S1)

[6]ST.AN4488 Application note[EB/OL].2015(03)

Research on electromagnetic field signal acquisition and processing system based on FPGA

Ma Xue
（Kunming ship equipment research and test center，Kunming,Yunnan,650051）

In order to meet the needs of the data acquisition and real-time processing of underwater electromagnetic field,the processing results are uploaded to the host computer,a three-dimensional magnetic field signal acquisition and processing system is designed.The system adopts FPGA control 6 channel A/D converter to sample the magnetic field signal synchronously,and store the original data in Flash NAND,at the same time,the FPGA is used to filter the sampled data,FFT and so on.ARM chip to complete the signal feature extraction and estimation,the results will be uploaded through the CAN bus remote host.In order to meet the requirements of the space and time of the small underwater vehicle,the system is designed with low power consumption and small size.

underwater electromagnetic field;FPGA;CAN bus