基于FPGA+DSP的淺地表頻域電磁探測數字處理系統

周逢道+韓思雨+綦振偉+李剛+孫彩堂

摘 要：針對淺地表頻域電磁探測對接收信號采集、傳輸和現場高效處理的要求，提出基于FPGA+DSP的淺地表頻域電磁探測數字處理系統.在FPGA中實現數據采集、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）實現大數據傳輸，基于TMS320C6748平臺，采用正交鎖定放大方法，設計高效率數據處理算法，利用上位機軟件通過RJ45網口對系統進行控制并顯示結果.實測結果表明：該架構數字處理系統，對不同金屬有著較強探測能力，加快了數據傳輸速率，縮短了系統工作時間，提高了工作效率.

關鍵詞：淺地表頻域電磁探測；數字處理；FPGA+DSP；正交鎖定放大

中圖分類號：TH763 文獻標識碼：A

文章編號：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是通過發射線圈向地下發射不同頻率電磁波建立一次場，接收線圈采集地下異常體激發產生的二次場，獲得地下介質電磁特性的一種方法，是解決城市施工建設，工程地質調查，軍事探測中常常出現誤破壞和安全隱患的重要手段.為了提高探測效率，探測平臺往往需要快速移動并設置多通道接收大量數據，要求數字處理系統能夠采集有效數字信息，快速傳輸數據并現場高效處理，對經過區域的地下介質電磁特性進行初步判斷和顯示[1-6].因此，數字處理系統是淺地表頻域電磁探測儀器的核心技術之一，其硬件結構和處理算法將直接影響整個儀器系統的效率和性能.所以，研究一種高效的淺地表頻域電磁探測數字處理系統具有很大的研究意義.

現在國外比較著名的產品有美國Geophex公司的GEM系列頻域電磁探測儀，其數字處理系統架構為分離式結構，探測數據需要存儲在機器上，探測完成后傳到計算機進行處理顯示，不適用于要求實時處理顯示的場合[4-8].而國內淺地表的電磁探測領域尚處于研究初期，吉林大學研制了一款寬頻電磁探測設備，其數字處理系統架構為FPGA（Field-Programmable Gate Array）+單片機，上位機負責數據處理和結果顯示，上位機實時處理數據占用大量CPU資源，效率不高，亟待改善[7].

為了實現淺地表頻域電磁探測接收信號的采集、快速傳輸和現場高效處理，縮短系統工作時間.本文提出了基于FPGA+DSP的淺地表頻域電磁探測數字處理系統設計方案，通過設計FPGA采集傳輸方案、DSP高效率數據處理方案和友好交互的上位機控制軟件來實現系統功能.

1 總體設計

圖1所示為系統的整體框圖.本數字處理系統由FPGA采集傳輸單元、DSP數據處理單元和上位機控制顯示單元3部分組成.FPGA內部發射控制模塊產生數字驅動信號驅動發射電路在發射線圈中建立一次場，地下目標體產生渦流反射二次場，接收線圈與其耦合產生接收系統輸入信號.通過FPGA采集傳輸單元控制模擬電路5個通道采集輸入信號的數字量，采用新一代大數據傳輸總線UPP快速傳輸數據，再經過DSP數據處理單元進行算法處理，上位機通過RJ45網絡接口進行采集控制和有效信息顯示，RS232串口作為調試和備用數據通道.

2 FPGA采集傳輸單元設計

2.1 FPGA內部模塊設計

本設計FPGA硬件平臺采用ALTERA公司的EP3C40Q240系列，它具有大量的邏輯單元，可反復擦寫，實時校正，在邏輯時序編程方面具有很大的靈活性[9].如圖2所示，使用VHDL語言和原理圖相結合的方式在QuartusII軟件中構建FPGA內部數據轉換模塊、同步協調模塊、發射控制模塊、譯碼電路模塊和FIFO模塊.A為數據轉換結束標志，B和C為同步信號，D為控制采集信號.

數據轉換模塊通過I2S（Inter-IC Sound）總線和MCLK將模擬電路中ADC轉換的數字信號進行提取，把串行數據轉換為并行的32位數據，并提供給FIFO模塊，同時產生轉換結束信號給同步協調模塊.MCLK為FPGA主時鐘經過倍頻和分頻得到的ADC采樣頻率控制信號，當采樣率為384 kHz時，MCLK為49.125 MHz.I2S總線為飛利浦公司制定的一種專門用于數字音頻視頻信號傳輸的總線標準，由3條信號線組成：幀時鐘信號線LRCK、位時鐘信號線BCLK和數據輸出信號線SDATA.在MCLK的驅動下，當LRCK為高電平時，ADC輸出左通道數據，為低電平時，ADC輸出右通道數據；當BCLK為上升沿時，32位采樣數據就會按照從高位到低位順序逐位出現在SDATA上，供FPGA讀取[7].

在淺地表頻域電磁探測中，采集信號的相位信息是采集結果中非常重要的信息，發射系統和接收系統需要在操作者發出采集指令后同一時刻開始工作，因此具備同步功能的同步協調模塊至關重要.當數據轉換結束標志和控制采集信號都使能時，同步信號使能發射和FIFO同時進行工作.在需要幾套系統同時工作時，可指定一套系統為主系統，其他系統為從系統，主系統的DSP通過拓展控制接口控制從系統的FPGA同步協調模塊來使所有系統同步工作[7-8].

發射控制模塊根據設定的頻率，在同步信號使能情況下輸出對應頻率方波信號，驅動發射系統中的橋路工作.譯碼電路模塊的輸入為來自DSP的8根控制信號總線，模塊負責對不同控制編碼進行譯碼，來實現上位機的具體功能.

2.2 大數據傳輸設計

淺地表頻域電磁探測儀器在很多應用場合下需要進行實時數據處理，并得到初步結果供現場判定.本設計中，AD的采樣頻率很高，再加上多通道采集，使得數據傳輸速率很大，如式（1）所示：

式中：Q為每秒數據流量；fs為AD采樣率；bits為AD的位數；ch為通道個數.由式（1）可知數據傳輸速率很大，一般的串口傳輸無法達到該速率.

所以本系統需要設計大數據傳輸方案，FPGA與DSP的大數據傳輸有常用的EMIFA即外部存儲器接口，也有最近幾年TI才推出的UPP即通用并行接口.EMIFA有地址線和數據線，片選信號，讀寫使能信號；而UPP只有兩個數據通道，沒有地址線的概念，是通過START/ENABLE/WAIT/CLOCK信號控制數據的傳輸和同步.所以，一般使用UPP都是在FPGA里生成一個FIFO，DSP通過UPP接口連續的讀取FIFO里的數據，而不像EMIFA那樣，FPGA中需要建立多個狀態寄存器和存儲器，先要發送地址信號然后讀取或寫入數據.所以UPP的通訊速率要比EMIFA高很多.當DSP的CPU頻率為456 MHz時，UPP時鐘可以達到114 MHz，使用上升沿和下降沿均鎖存數據的話傳輸速率可以達到228 MB/s，而EMIFA的時鐘最高為148 MHz[10].基于以上分析，本設計采用UPP作為大數據傳輸方式，如圖3所示，包括FPGA內部FIFO模塊和UPP模塊兩部分.

FIFO模塊即先入先出隊列，包括數據拆分模塊、數據寫入模塊、存儲模塊和數據讀取模塊.由于UPP數據總線為16位，所以數據拆分模塊負責在同步信號使能下，將32位采集數據拆分為高16位和低16位以方便傳輸，并給定每個16位數據包的寫信號；數據寫入模塊采用狀態機的方式在數據寫信號上升沿到來時，讀取16位數據，并按照給定數據存儲地址寫入存儲模塊中，當數據存儲滿時給讀取模塊FULL標志；存儲模塊利用QuartusII中MegaWizard Plug-In Manager提供的雙口RAM宏模塊完成，存儲整周期5個通道數據，RAM的位寬為16位，RAM總大小為32 kB；數據讀取模塊同樣采用狀態機方式在接收到FULL標志后，給定存儲器數據地址，讀取整個存儲器的數據送到16位UPP數據總線并產生UPP控制信號START，ENABLE，CLOCK，DSP接收模式下單倍數據率的UPP通道信號時序如圖4所示.

3 DSP高效數據處理單元設計

本設計DSP平臺采用美國德州儀器（TI）公司最新推出的TMS320C6748，它是具有眾多連接選項與浮點功能的全新高性能處理器，也是業界功耗最低的浮點數字信號處理器為420 mW，可充分滿足高能效、連通性設計對高集成度外設、更低熱量耗散以及更長電池使用壽命的需求[11].為達到硬件最快處理速度，本設計DSP的CPU工作頻率為456 MHz，采用C語言在CCS軟件中編寫數據處理算法.

圖5所示為DSP數據處理軟件流程圖，通過RJ45網口接收上位機控制指令，分為兩種指令模式：標定模式和正式采集模式.標定模式又分為通道相位標定模式、背景場標定模式和土壤相位標定模式.本數據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：已知發射頻率，所以二次場的主要頻率成分已知，使用同頻率的正交參考信號對二次場信號進行I，Q分量的提取來獲得異常體頻率特性[12].

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

4 上位機控制顯示單元設計

本系統的上位機控制顯示單元軟件采用C++語言在Microsoft Visual Studio 2010軟件中通過MFC編寫實現[13-14]，圖7所示為上位機軟件流程圖.控制功能主要包括檢測設置、標定模式和正式采集模式3個功能.檢測設置功能包括檢測網絡接口、標定參數設置和采集參數設置；標定模式功能包括通道相位標定、背景場標定和土壤相位標定；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實時描繪I，Q曲線圖.

5 實驗結果

5.1 金屬異常反應測試

本系統主要是針對吉林大學研制的寬頻電磁探測設備數字處理系統（以下稱原系統）存在的數據傳輸速度較慢、上位機實時處理數據占用大量CPU資源，效率不高等缺點進行的升級優化[15-17].

在吉林大學野外環境測試室模擬野外探測環境進行金屬異常反應測試，用原系統和本系統分別測試無金屬異常體情況和幾種質量為0.2 g的生活常見金屬樣品：易拉罐拉環、1角硬幣和銅箔，金屬掩埋于沙土下1 cm，探測線圈距離地表5 cm，測試頻點為2～96 kHz共20個頻點，圖8（a）～（h）為探測結果的I，Q曲線[18-20].

從圖8結果可以對比出，不同金屬樣品頻率曲線差異明顯，本系統比原系統曲線幅度更大，對不同金屬異常體有著較強的發現能力，為后續的辨識工作打下了堅實基礎.

5.2 金屬探測靈敏度測試

用原系統和本系統對常見的鋼珠進行靈敏度實驗，均掩埋于沙土下1 cm，探測距離為探測線圈距離地表距離.測試結果如表1所示.

由表1可知，本系統比原系統探得率有所提高，當探測距離一定時，金屬樣品質量越大，探測效果越好，探得率越高；當金屬樣品質量一定時，探測距離越小，探測效果越好，探得率越高.

5.3 系統主要優化特性對比

本系統相比于原系統的主要優化特性對比如表2所示.原系統的數據傳輸速度為FPGA經單片機向上位機的傳輸速度，本系統的數據傳輸速度為FPGA向DSP的傳輸速度，處理時間為開始采集到結果顯示的時間，包括信號采集、傳輸和處理的時間.

由表2可知，本設計提出的基于FPGA+DSP的淺地表頻域電磁探測數字處理系統，數據傳輸速率提高了9.5倍，數據處理時間縮短了68.75%.

6 結 論

1）在淺地表頻域電磁探測數字處理系統中采用FPGA+DSP架構，與原有FPGA+單片機架構相比，數據處理平臺由上位機改為DSP，減輕了上位機CPU負擔，系統工作時間縮短了68.75%，便于現場高效應用.

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

3）基于正交鎖定放大技術的數據處理算法對采集信息進行了有效的處理并提取對應的I，Q分量.實驗證明應用于新架構的算法對不同金屬有著較強的發現能力，對一定范圍內不同質量和探測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.

參考文獻

[1] 劉奇元，于德介，王翠亭，等. 基于DSP的磨削表面粗糙度在線監測系統開發[J]. 湖南大學學報：自然科學版，2015，42（8）： 1-7.

LIU Qi-yuan， YU De-jie， WANG Cui-ting， et al. Development of the online measuring system of grinding surface roughness based on DSP[J]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2015， 42（8）： 1-7. （In Chinese）

[2] 張文秀，林君，劉立超，等. 分布式電磁探測寬頻數據采集系統設計與實現[J]. 吉林大學學報：工學版，2012，42（6）：1426-1431.

ZHANG Wen-xiu， LIN Jun， LIU Li-chao， et al. Design and implementation of broadband data acquisition system for distributed electromagnetic exploration [J]. Journal of Jilin University： Engineering and Technology Edition， 2012， 42（6）： 1426-1431. （In Chinese）

[3] GRIMM R E. Low-frequency electromagnetic methods for planetary subsurface exploration[C]//2013 IEEE Aerospace Conference，AERO2013.Big Sky，Montana United States：IEEE Computer Society， 2013： 1-9.

[4] WANG Shi-bin， CHEN Xue-feng， WANG Yan，et al. Nonlinear squeezing time-frequency transform for weak signal detection [J]. Signal Processing， 2015，113（8）：195-210.

[5] 張赫.寬頻帶低頻連續波電磁法儀器的研制[D].長春：吉林大學儀器科學與電氣工程學院，2012：1-5.

ZHANG He .Development of broadband low-frequency continous-wave electronmagnetic method instruments [D].Changchun： College of Instrumentation and Electrical Engineering， Jilin University， 2012：1-5. （In Chinese）

[6] SVATOS J，VEDRAL J，FEXA P. Metal detector excited by frequency-swept signal [J]. Metrology and Measurement Systems， 2011， 18（1）： 57-67.

[7] 丁凱來.淺地表電磁探測系統關鍵技術研究[D].長春：吉林大學儀器科學與電氣工程學院，2015：17-23.

DING Kai-lai. Research on key techniques of shallow surface electromagnetic detection system [D].Changchun： College of Instrumentation and Electrical Engineering， Jilin University， 2015：17-23. （In Chinese）

[8] 劉立超.網絡化可控源音頻大地電磁法接收系統關鍵技術研究[D].長春：吉林大學儀器科學與電氣工程學院，2014：17-26.

LIU Li-chao. Research on key techniques of networked receiver for controlled source audio-frequency magnetotelluric method [D].Changchun： College of Instrumentation and Electrical Engineering， Jilin University， 2014：17-26. （In Chinese）

[9] 陳欣波，陳欣，陳智敏，等. Altera FPGA工程師成長手冊[M].北京：清華大學出版社，2012：106-148.

CHEN Xin-bo， CHEN Xin，CHEN Zhi-min，et al. Growing manual of Altera FPGA engineer [M]. Beijing： Tsinghua University Press， 2012：106-148. （In Chinese）

[10]SHUBITIDZE F，FERNANDEZ J P， BARROWES B E，et al. The orthonormalized volume magnetic source model for discrimination of unexploded ordnance [J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2014，（52）8： 4658-4670.

[11]董言治，婁樹理，劉松濤.TMS320C6000系列DSP系統結構原理與應用教程[M].北京：清華大學出版社，2014：1-20.

DONG Yan-zhi， LOU Shu-li， LIU Song-tao. Structural principle and application guide of TMS320C6000 DSP [M]. Beijing： Tsinghua University Press， 2014：1-20. （In Chinese）

[12]高晉占.微弱信號檢測[M].2版.北京：清華大學出版社，2011：171-214.

GAO Jin-zhan. Weak signal detection [M]. 2nd ed. Beijing： Tsinghua University Press， 2011： 171-214. （In Chinese）

[13]仇谷峰，張京，曹黎明.基于Visual C++的MFC編程[M].北京：清華大學出版社，2015：85-115.

QIU Gu-feng， ZHANG Jing， CAO Li-ming. MFC programming based on visual C++ [M]. Beijing： Tsinghua University Press， 2015：85-115. （In Chinese）

[14]譚浩強. C程序設計[M].4版.北京：清華大學出版社，2010：37-82.

TAN Hao-qiang. C programming [M].4th ed. Beijing： Tsinghua University Press， 2010：37-82. （In Chinese）

[15]周逢道，王金玉，唐紅忠，等. 近地表電磁探測多頻數字驅動信號產生技術[J]. 吉林大學學報：工學版，2013，43（3）： 682-687.

ZHOU Feng-dao， WANG Jin-yu， TANG Hong-zhong， et al. Multi-frequency digital drive signal generation technology in near surface electromagnetic detection domain [J]. Journal of Jilin University： Engineering and Technology Edition， 2013， 43（3）： 682-687. （In Chinese）

[16]SVATOS J，VEDRAL J，FEXA P. Metal detector excited by frequency-swept signal[J].Metrology and Measurement Systems， 2011， 18（1）： 57-67.

[17]陳健.寬頻帶時頻電磁接收機關鍵技術研究[D].長春： 吉林大學儀器科學與電氣工程學院，2012：1-20.

CHEN Jian .Research on key techniques of broadband time-frequency electromagnetic receiver [D].Changchun： College of Instrumentation and Electrical Engineering， Jilin University， 2012：1-20. （In Chinese）

[18]WANG Jie， YANG Lu， GAO Long， et al. Current progress on weak signal detection[C]//Quality， Reliability， Risk， Maintenance， and Safety Engineering （QR2MSE）.Chengdu， China： IEEE Computer Society， 2013： 1812-1818.

[19]ABBIE T，WATNI K， PAUL S L.Weak-signal iterative holography [J].Applied Optics， 2015，54（10）：2615-2619.

[20]SHEVLYAKOV G， SHIN V， EE S，et al. Asymptotically stable detection of a weak signal[J]. International Journal of Adaptive Control and Signal Processing， 2014， 28（9）： 848-858.