基于FPGA的数字磁通门传感器系统设计和实现

　　摘要：针对传统磁通门信号处理电路中模拟元件的缺点，设计一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的数字磁通门系统。整个系统采用闭环结构，由激励产生模块、信号处理拱块和负反馈模块组成。外围模拟电路用高速D/A、A/D芯片取代，有利于系统温度稳定性的提到。FPGA内的数字逻辑实现了磁通门信号解算、激励正弦信号发生、D/A、A/D输入/输出串并转换的功能，首先用硬件描述语言(HDL)设计并仿真，然后下载、配置到FPGA中，调试完成后进行实验，通过实时处理双铁芯磁通门传感器探头输出信号对系统进行测试。实验结果证实了系统功能的正确性。闭环结构的采用提高了系统信号梯度线性度，与模拟系统相比，基于数字逻辑的设计温度性能更稳定，更易于小型化，可移植性更强。
　　0 引言
　　磁通门传感器最早于1935年发明并投入应用，用于静态或者低频变化的弱磁检测，拥有其他磁敏元件难以媲美的灵敏度和可靠性，在磁场测量领域一直占据着不可替代的位置。磁通门传感器适用于地磁或人体磁场的检测，在航空、航天、地质勘探、医疗卫生等领域有着广泛的应用。
　　磁通门传感器探头通常采用类似于变压器的双铁芯结构，利用软磁铁芯变化磁导率的特性将被测磁场调制成激励信号的偶次谐波。信号处理系统对探头输出加以处理，从中提取与被测磁场大小相关的信号，转换成直流量并输出。
　　传统的磁通门信号处理电路采用模拟元器件，温度性能严重地受到影响，且很难小型化，可移植性也很差。与之相比，现代数字磁通门系统，温度性能稳定，体积小，可移植性强。根据应用的具体情况，可选的实现方式多样，有单片机、可编程数字逻辑，或数字信号处理(DSP)芯片等。
　　FPGA(Field Programmable Gate Array)是一种高速的可编程逻辑芯片，具有其他设备难以比拟的灵活性，其大部分引脚的功能、内部电路结构完全由用户根据需要定义。FPGA器件具有很高的实用价值，一方面可以作为专用集成电路的替代品，直接在最终产品中使用，另一方面，也可以在专用集成电路开发流程中，做行为验证工具。
　　在本文中，描述了一种基于FPGA的磁通门系统的实现，系统采用闭环结构，对磁通门传感器探头输出的数据进行实时处理，提取出反映被测低频磁场大小的直流信号。
　　1 磁通门系统结构和工作原理
　　如图1所示，整个系统的硬件包括磁通门传感器探头，DAC，ADC和FPGA。功能上可分为传感器激励源、磁通门信号解算、负反馈回路三个模块。

　　FPGA内的正弦激励发生电路和外部DAC一起构成传感器激励源模块。高速ADC和FPGA内的A/D接口、相敏整流、低通滤波电路构成磁通门信号解算模块。积分放大、D/A接口、高速DAC，以及反馈网络共同构成了负反馈模块。
　　系统工作时，在激励信号的驱动下，磁通门探头的感应线圈感应环境磁场大小，产生磁通门信号，经隔直滤波后通过高速ADC芯片转换成串行数据送FPGA的处理。在FPGA中，ADC芯片采集到的串行数据先转换成并行数据，然后通过相敏整流、低通滤波后得到直流信号。低通滤波的结果积分放大后经D/A接口转换成串行数据送高速DAC芯片转换成模拟信号，经反馈电阻反馈到磁通门探头的补偿线圈(即感应线圈)，抵消环境磁场。
　　由于采用闭环结构，前向通道上积分放大环节的增益可视作无穷大，根据自动控制原理，整个系统是无差系统，传感器探头实际上工作在“零场”条件下，反馈电流产生的磁场和环境磁场大小相的方向相反，D/A的前端信号，即积分放大环节的输出反映被测磁场的大小。整个系统的信号梯度主要取决于反馈系数的大小，具有良好的线性度。
　　2 磁通门信号的特点和处理方法
　　磁通门系统的核心是信号处理电路。
　　磁通门传感器探头输出的偶次谐波(以二次为主)是有用的磁通门信号，而其他频率的信号都是有害噪声。在实际应用中，通常采用“相敏整流-低通滤波”方法处理磁通门信号。首先用相敏整流进行频谱的调整，通过采用与二次谐波同频率的方波基准乘传感器探头的输出，将二次谐波磁通门信号转换为直流分量，然后用低通滤波滤除其他频率分量，得到反映被测磁场大小的直流量。

　　低通滤波器输出是相敏整流结果的直流分量，与磁通门传感器探头输出的二次谐波的幅值线性相关，反映被测磁场大小。
　　3 硬件电路设计
　　在该设计中，FPGA芯片选用Altera公司CYCLONEⅡ系列的EP2C35F626C5，工作速度快，可定义引脚丰富，逻辑单元数量可观，性价比高。FPGA的工作时钟为50MHz。
　　磁通门激励起到驱动传感器工作的作用，由D/A模块转换FPGA输出的正弦数字信号产生；本设计中，激励频率为3.051kHz，是FPGA工作时钟的64×256分频，速度相对较低，且精度要求不高，故DAC采用12位并口DA1210芯片。

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