張謹(jǐn)，黃成功

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所，浙江杭州，310012)

0 引言

銫光泵磁力儀是量子磁力儀的一種，是基于光泵技術(shù)和磁共振技術(shù)的磁場測量儀器。銫光泵磁力儀其原理是通過光泵作用使吸收室中的原子發(fā)生光學(xué)取向，然后施加外部射頻磁場，外部射頻磁場的頻率同塞曼磁次能級間的躍遷頻率一致，使磁次能級間發(fā)生強(qiáng)烈的磁共振現(xiàn)象，完成去取向。根據(jù)磁共振頻率可以換算得到磁場強(qiáng)度。

銫光泵磁力儀主要用在海洋、地面、航空、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。由于磁力儀在國民經(jīng)濟(jì)、空間探測、軍事技術(shù)和導(dǎo)航領(lǐng)域的重要作用，它一直是各個(gè)國家研究的重點(diǎn)。本文提出一種基于樹莓派計(jì)算模塊和FPGA的便攜式磁力儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有靈活小巧，低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

1 總體設(shè)計(jì)

便攜式磁力儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可分為二個(gè)部分：一是以FPGA為核心的數(shù)據(jù)采集融合部分,其主要由：2通道濾波整形模塊、FPGA模塊和電池管理模塊組成；二是以樹莓派計(jì)算模塊為核心顯控部分,其主要由：樹莓派計(jì)算模塊、LCD顯示、鍵盤、觸摸屏、eMMC存儲器和全球定位系統(tǒng)組成。兩部分之間通過SMI總線相連接，實(shí)現(xiàn)兩部分之間的數(shù)據(jù)交換。便攜式磁力儀系統(tǒng)框圖，如圖1所示，具體的硬件電路設(shè)計(jì)在第3節(jié)詳細(xì)描述。

圖1 便攜式磁力儀系統(tǒng)框圖

1.1 數(shù)據(jù)采集融合部分

以FPGA為核心的數(shù)據(jù)采集融合部分,其主要由：2通道濾波整形模塊、FPGA模塊和電池管理模塊組成，以下詳細(xì)描述。

1.1.1 濾波整形模塊

銫光泵磁力儀輸出TTL電平的方波信號，該信號電壓范圍0-5V,頻率范圍70-350KHz。濾波整形電路功能主要是完成對方波信號的緩沖濾波隔離，原理如圖2所示，輸入的頻率信號經(jīng)過運(yùn)放緩沖隔離后，再輸入二階濾波電路，濾波后的信號進(jìn)入比較器，比較器輸出信號經(jīng)過高速光耦隔離，形成所需要的矩形波，送入FPGA的I/O口。

圖2 濾波整形電路

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)支持2通道的銫光泵磁力儀的頻率信號輸入，因而設(shè)計(jì)了2個(gè)濾波整形模塊。

1.1.2 FPGA模塊

本設(shè)計(jì)采用的是Intel公司的Cyclone IV系列的EP4CE22F17芯片為核心器件實(shí)現(xiàn)改進(jìn)型的等精度計(jì)數(shù)功能。Cyclone IV器件包含了許多新的特性，如嵌入存儲器、嵌入乘法器、PLL和低成本的封裝等。該芯片具有22000個(gè)邏輯單元，4個(gè)鎖相環(huán)，最多153個(gè)I/O管腳，非常適合本設(shè)計(jì)使用。本設(shè)計(jì)采用100MHz的TCXO的高穩(wěn)定度晶振，利用FPGA的鎖相環(huán)模塊將外部的晶振等效倍頻到1600MHz，提高了等精度計(jì)數(shù)器的標(biāo)準(zhǔn)頻率，減小了測頻的相對誤差。FPGA與樹莓派計(jì)算模塊的SMI通信控制接口包括: 數(shù)據(jù)總線SD0～SD15，數(shù)據(jù)地址 SA0～SA5，數(shù)據(jù)讀取 nSWE，數(shù)據(jù)輸出允許nSOE。

1.1.3 電池管理模塊

本設(shè)計(jì)采用鋰電池為整個(gè)系統(tǒng)供電，為了能夠密切監(jiān)視、控制和分配整個(gè)電池系統(tǒng)，選用LTC4013高電壓電池充電器控制器為電池管理模塊。該模塊具有實(shí)時(shí)監(jiān)測電池參數(shù)；電池狀態(tài)估計(jì)；在線診斷與預(yù)警；充、放電與預(yù)充控制；均衡管理和熱管理等功能。電池管理模塊的使用最大限度地延長電池的整體使用壽命，降低使用成本，保護(hù)電池免受損壞，防止出現(xiàn)安全事故。

1.2 顯控模塊部分

以樹莓派計(jì)算模塊為核心顯控部分,其主要由：樹莓派計(jì)算模塊、LCD顯示、鍵盤、觸摸屏、eMMC存儲器和全球定位系統(tǒng)組成，以下詳細(xì)描述。

1.2.1 樹莓派計(jì)算模塊

本設(shè)計(jì)選用樹莓派計(jì)算模塊的第4代板卡，該模塊將各類組件集成在僅有55mm*40mm大小的主板上，其基于1.5GHz四核 ARM Cortex-A72 CPU架構(gòu)，兼容運(yùn)行微軟的WINDOWS10 IoT Core操作系統(tǒng)，帶有32GB eMMC存儲器，8GB LPDDR4-3200 SDRAM內(nèi)存，雙通道HDMI顯示接口，USB2.0和其他十余路通訊接口，最為方便的是模塊還有一路SMI接口，這與FPGA的接口提供了一種高速的數(shù)據(jù)交換接口。利用樹莓派計(jì)算模塊豐富的外圍接口，系統(tǒng)配置了5寸LCD顯示屏和鍵盤、觸摸屏。

1.2.2 全球定位系統(tǒng)

全球定位系統(tǒng)主要為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)位置和速度，保障按預(yù)定路線航行或選擇最佳路線，同時(shí)也提供UTC時(shí)間。本設(shè)計(jì)選用Novatel公司的板卡，該板卡具有小型、低功耗、單頻l1gps+GLONASS等特點(diǎn)，非常適合嵌入到用戶產(chǎn)品中。GPS板卡通過串口輸出 GPS 定位數(shù)據(jù)信息，默認(rèn)采用 NMEA-0183協(xié)議，本設(shè)計(jì)只需要接收解析$GPGGA（全球定位數(shù)據(jù)）、$GPRMC（推薦最小數(shù)據(jù)）、$GPVTG（地面速度信息）等3類協(xié)議。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集融合軟件

數(shù)據(jù)采集融合部分的軟件主要實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)型的等精度測頻。等精度測頻方法的相對誤差與被測頻率的大小無關(guān)，僅與閘門時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān)，即整個(gè)測試頻段的等精度測量。本設(shè)計(jì)利用FPGA實(shí)現(xiàn)改進(jìn)型的等精度測頻方法，提高標(biāo)準(zhǔn)頻率，在閘門時(shí)間一定的條件下，提高了測量精度，減小了測頻的相對誤差。

在FPGA芯片中主要由7個(gè)模塊構(gòu)成：PLL模塊、D觸發(fā)器、標(biāo)準(zhǔn)頻率計(jì)數(shù)器、被測頻率計(jì)數(shù)器、鎖存器、電池管理接口和數(shù)據(jù)控制模塊組成。本設(shè)計(jì)采用的是100MHz的TCXO的高穩(wěn)定度晶振，利用FPGA的鎖相環(huán)模塊將外部的晶振等效倍頻到1.6GHz，減小了測頻的相對誤差。

FPGA與樹莓派計(jì)算模塊的SMI通信控制接口包括: 數(shù)據(jù)總線 SD0～SD15，數(shù)據(jù)地址 SA0～SA5，數(shù)據(jù)讀取 nSWE，數(shù)據(jù)輸出允許nSOE。電池管理接口接收外部電池輸入的信號，并且將處理完成的數(shù)據(jù)傳輸入數(shù)據(jù)接口模塊。其組成框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件組成框架

2.2 顯控模塊部分

樹莓派計(jì)算模塊支持安裝微軟的WINDOWS10 IoT Core操作系統(tǒng)，Windows10IoT核心版是針對小型設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化的一個(gè)Windows10版本，可以在ARM和x86/x64設(shè)備上運(yùn)行。基于該操作系統(tǒng)，筆者用Visual Studio Community 2019環(huán)境開發(fā)了銫光泵磁力儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件，其組成框架如圖4所示。

圖4 顯控模塊部分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件組成框架

銫光泵磁力儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含的相關(guān)軟件模塊：

（1）數(shù)據(jù)采集模塊：銫光泵頻率計(jì)數(shù)模塊、全球定位數(shù)據(jù)模塊；

（2）串口和SMI采集模塊：多路串口，串口號、波特率等，SMI數(shù)據(jù)接口配置；

（3）曲線顯示模塊：銫光泵磁力儀曲線顯示、全球定位數(shù)據(jù)曲線顯示；

（4）數(shù)據(jù)存儲模塊：根據(jù)參數(shù)的設(shè)置，按照一定的格式將采集的數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)存中，便于后處理；

（5）數(shù)據(jù)回放模塊：在磁測作業(yè)結(jié)束后，將實(shí)際采集的信息在顯示屏幕上進(jìn)行回放顯示；

（6）數(shù)據(jù)輸出模塊：以設(shè)定的頻率將包含特定信息的數(shù)據(jù)包發(fā)送給上位機(jī)，默認(rèn)通過串口發(fā)送；

（7）導(dǎo)航與定位模塊；

（8）系統(tǒng)配置參數(shù)模塊；

（9）數(shù)據(jù)管理：將實(shí)際作業(yè)測量的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行輸出和管理。

3 結(jié)束語

項(xiàng)目組完成基于樹莓派計(jì)算模塊和FPGA的便攜式磁力儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已被應(yīng)用于銫光泵磁力儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，達(dá)到了預(yù)期效果。