基于FPGA的单轴数字磁通门传感器设计与实现

摘要

传统的磁通门传感器基于模拟电路设计,随着测量精度和测量范围的提高,传统的模拟信号处理方法逐渐无法满足需求。同时,温度性能差也成为模拟电路的一大缺点。因此,磁通门传感器的发展趋势便是将磁通门信号进行数字化处理。随着数字信号处理技术和FPGA器件的发展,采用FPGA来处理磁通门信号,可大大改善磁通门传感器的温度性能,提高其测量范围和测量精度,并且具有耐震性好、容易修改、稳定性高等特点。由于数字磁通门传感器的这些优点,它被广泛应用到各个科研领域之中,比如航空、航天、地质勘探、环境磁场监测等众多领域。
　　对于双铁芯结构的磁通门传感器,磁通门信号为偶次谐波的叠加,其中的二次谐波最能反映被测磁场的大小,因此需要设计特定的电路,将偶次谐波中的二次谐波提取出来。
　　本文从功能和性能两方面对数字磁通门传感器系统进行分析,并且考虑到系统的运算速度、精度、体积等几个方面,提出了合适的总体方案。采用FPGA产生激励信号对传感头进行激励,从而产生磁通门信号。对信号进行功率放大和选频后,用AD转换电路对信号进行模数转换,再用FPGA对数字信号进行相关处理,最后用DA转换电路对信号进行数模转换。
　　本文介绍了磁通门传感头的结构以及制作,并且详细论述了数字磁通门信号处理系统的工作原理以及设计原理,并据此选择了适当的AD芯片、FPGA芯片以及DA芯片来制作电路。根据数字磁通门信号在FPGA内的走向,分别设计了A/D控制模块、相敏整流模块、FIFO缓存模块、FIR低通滤波器模块以及D/A控制模块等。然后用仿真软件Modelsim对各模块进行了功能仿真,验证了各模块的正确性。最后制作出电路板,用实际电路对相关模块进行了调试,验证了本系统的可行性。
　　本文设计的磁通门传感器具有以下优点:
　　(1)比模拟磁测量系统更稳定、受环境的影响很小、具有较强的抗干扰能力。
　　(2)只需通过一片FPGA就可以完成整流、缓存以及滤波等过程,减小了系统的体积,并且提高了电路集成度。
　　(3)使用灵活方便,方便修改。通过可编程硬件语言来设计信号处理模块,可以通过软件来进行设计修改,而不需要改变电路。
　　顺应磁通门传感器向高精度、微型化、数字化的发展方向,本文设计并实现了数字式磁通门传感器,研究了相关的实现方式,改善了磁通门传感器的性能。实验结果表明,本文设计的磁通门传感器具有较高的精度、较好的稳定性以及温度性能,能够满足一般的磁场测试需求。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 课题的发展背景与研究意义

1.3 本文的主要工作

1.4 本论文的章节安排

第2章 数字磁通门传感器的工作原理

2.1 磁通门现象

2.2 磁通门的数字模型

2.3 磁通门输出信号的处理

2.4 本章小结

第3章 系统硬件设计

3.1 磁通门传感头的设计

3.2 FPGA的选择

3.3 磁通门传感器前端电路

3.4 AD7671模数转换电路

3.5 AD7849数模转换电路

3.6 电源电路

3.7 FPGA时钟电路

3.8 JTAG接口配置电路

3.9 存储器SDRAM电路

3.10 PCB制版的注意事项

3.11 本章小结

第4章 系统软件设计与实现

4.1 FPGA的设计流程

4.2 软件整体框架

4.3 A/D控制模块的设计

4.4 基波模块的设计

4.5 相敏整流模块的设计

4.6 FIFO缓存模块的设计

4.7 FIFO控制模块的设计

4.8 FIR低通滤波器模块的设计

4.9 激励模块

4.10 D/A控制模块的设计

4.11 本章小结

第5章 系统的测试

5.1 系统硬件测试

5.2 系统软件测试

5.3 实验结果与分析

5.4 调试中遇到的问题及解决

5.5 调试心得

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录 电路板实物图