CN105824054A - 基于fpga的多通道航空磁力测量数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于FPGA的多通道航空磁力测量数据采集系统，其特征在于，包括主控芯片、光泵磁力仪、三轴磁通门传感器和GPS卫星定位模块；该主控芯片采软件设计出光泵数据采集模块、三轴磁通门数据采集模块、GPS定位数据采集模块；且三个模块能够并行采集相应数据。本系统可实时采集多个光泵的磁场数据、三轴磁通门数据，同时采集GPS定位数据，实现所有数据的存储记录，实现全张量航磁探测，对地磁矢量在三维空间的变化率信息进行深入分析。本发明具有高度集成、磁场测量精度高等优点，且本发明的使用可为地质构造研究、矿产资源勘查事业提供有力的支持。

Description

基于FPGA的多通道航空磁力测量数据采集系统

技术领域

本发明涉及航空磁力测量技术领域，特别涉及一种航空磁力测量数据采集系统。

背景技术

航空磁力测量(简称航磁测量)是将航空磁力仪及其配套的辅助设备装载在飞行器上，在测量地区上空按照预先设定的测线和高度对地磁场强度或梯度进行测量的地球物理方法。航磁测量与地面磁测相比，具有较高的测量效率，且不受水域、森林、沼泽、沙漠和高山的限制。同时由于飞行是在距地表一定的高度进行的，从而减弱了地表磁性不均匀体的影响，能够更加清楚地反映出深部地质体的磁场特征。

近年来，国内外航空物探技术和方法在许多方面都取得了较大的发展，其中航磁梯度测量技术的应用已经得到普遍认可。为了使测量结果更加全面，不仅要求提供垂直梯度数据，而且要求提供水平梯度数据和矢量梯度数据，因此要求一套航磁测量系统能携带4个以上的光泵磁力仪和三轴磁通门，而且对所有数据的同步性要求非常高。另外，因为航测飞机的运行速度较高，对光泵磁力仪的磁场数据更新速率也有很高的要求，至少要求达到20HZ。

因为系统涉及到多个光泵磁力仪，如果采用一般的MCU来进行光泵Larmor信号的采集和计算，各个模块的运行是串行顺序执行的，难以兼顾所得磁场值的精度和数据更新率，所以一般的多通道航磁测量设备均采用多个光泵磁力仪集成，这就大大增加了整个设备的复杂性和设备代价，而且设备之间的数据同步也难以保证。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供了一种基于FPGA的多通道航磁测量数据采集系统，采用一块FPGA芯片来实现航磁测量的所有操作，各个模块并行运行，不存在时间差，而且可以得到高精度的测量结果，利用本专利技术制作航磁数据采集装置，具有生产成本低、数据更新快、采集精度高等优点。

为实现以上目的，本发明提供了一种多通道航空磁力测量数据采集系统，包括主控模块、先入先出缓存模块、光泵数据采集模块、三轴磁通门数据采集模块、GPS定位数据采集模块、GPS卫星定位模块、若干个光泵磁力仪、若干个三轴磁通门传感器；光泵数据采集模块的输入端口与光泵磁力仪相连接，输出端口与先入先出缓存模块相连接；三轴磁通门数据采集模块的输入端口与三轴磁通门传感器相连接，输出端口与先入先出缓存模块相连接；GPS定位数据采集模块的输入端口与GPS卫星定位模块相连接；主控模块分别与先入先出缓存模块、GPS卫星定位模块相连接。

作为优选的，主控模块、先入先出缓存模块、光泵数据采集模块、三轴磁通门数据采集模块、GPS定位数据采集模块由FPGA芯片例化产生。

作为优选的，主控模块为Microblaze软核，Microblaze软核由FPGA芯片编程实现。

作为优选的，还包括数据存储模块；

数据存储模块与主控模块相连接。

作为优选的，还包括数据通信模块；

数据通信模块与主控模块相连接，数据通信模块通过有线或无线方式与外部上位机相连接。

作为优选的，数据通信模块为蓝牙数据通信模块。

本发明还提供了一种多通道航空磁力测量数据采集方法，利用了上述任意一项的多通道航空磁力测量数据采集系统；

方法具体包括：

在FPGA芯片上创建一个用于实现系统主控的软核；在FPGA芯片上例化若干个并行运行的光泵数据采集计算模块；

所有光泵数据采集计算模块并行运行，将光泵磁力计采集的信号写入先进先出缓存模块，供主控模块读取；

在主控芯片上例化若干个并行运行的三轴磁通门数据采集模块；

所有三轴磁通门数据采集模块并行运行，将光泵磁力计采集的信号写入先进先出缓存模块，供主控模块读取；

主控模块分析并存储光泵磁力仪、三轴磁通门传感器采集到的数据。

作为优选的，采用滑动平均法对光泵磁力仪采集到的数据进行滑动滤波，其步骤具体为：

S1、预设一个计数器Counter和P个分段计数器，每个分段计数器都记录Q个Larmor信号的脉冲，计数值按顺序存入先入先出缓存模块中；

S2、完成N个分段计数器计数后，计算出Larmor信号的频率fm，进而计算出光泵磁力仪所测得的磁场值M；

S3、分段计数器再进行第二轮计数，第一个分段计数器计数完成后，可以计算出当前Larmor信号的频率fm和磁场值；

S4、以后每一个分段计数器计数完成，都可以计算出相应的一个磁场值；

S5、重复所述步骤S3和S4，直至完成测试。

本发明通过采用一种集成有多通道光泵数据采集模块、多通道三轴磁通门数据采集模块、GPS定位数据采集模块的FPGA芯片，使得在航磁测量数据采集系统中，可以实现上述所有模块能够同时并行运行，使得系统能够同时、同步处理不同模块的进程，改变了现有技术中的所有流程按照单线程顺序执行的缺陷，大大地提升了系统检测的精确性、准确性和实时性。

附图说明

图1为基于FPGA的多通道航磁测量数据采集系统原理框图。

图2为Larmor频率信息捕捉示意图。

图3为磁场数据滑动平均采集示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。

如图1所示，本发明的第一种实施方式提供了一种多通道航空磁力测量数据采集系统，包括主控模块、先入先出缓存模块、光泵数据采集模块、三轴磁通门数据采集模块、GPS定位数据采集模块、GPS卫星定位模块、若干个光泵磁力仪、若干个三轴磁通门传感器；光泵数据采集模块的输入端口与光泵磁力仪相连接，输出端口与先入先出缓存模块相连接；三轴磁通门数据采集模块的输入端口与三轴磁通门传感器相连接，输出端口与先入先出缓存模块相连接；GPS定位数据采集模块的输入端口与GPS卫星定位模块相连接；主控模块分别与先入先出缓存模块、GPS卫星定位模块相连接。

在本实施方式中，主控模块、先入先出缓存模块、光泵数据采集模块、三轴磁通门数据采集模块、GPS定位数据采集模块由FPGA芯片例化产生。其中，主控模块为Microblaze软核，Microblaze软核由FPGA芯片编程实现。

在本实施方式中，光泵数据采集模块，用于对四个光泵磁力仪的Larmor信号进行捕捉，并实时计算出磁场数值；三轴磁通门数据采集模块用于处理四个三轴磁通门传感器的模拟信号，并将该模拟信号经放大、检波和积分处理后转换成数字信号；GPS定位数据采集模块用于采集GPS卫星定位模块发出的系统定位数据。

较佳的，该FPGA芯片还可以包括数据存储模块和数据通信模块。数据存储模块用于将光泵数据、三轴磁通门数据、GPS数据写入SD卡中，供事后分析；数据通信模块用于向用户发送实时的测量数据、接受用户发来的系统设置命令，实现人机交互。该数据通信模块可以是有线数据通信模块，也可以是无线数据通信模块。在本实施方式中，采用的是蓝牙数据通信模块。

前述的系统各个模块均由一个FPGA芯片通过VerilogHDL编程实现。目前比较通用的Xilinx或Altera的产品都可以胜任，本发明采用XilinxSpartan6XC6SLX16进行验证实现。

首先，在FPGA芯片上创建一个Microblaze软核，实现光泵数据、三轴磁通门数据、GPS数据的汇总和SD卡存储操作及用户功能设置等逻辑控制，这实际上成为整个系统的一个主控模块。

在FPGA芯片上例化四个光泵数据采集计算模块，所有模块并行运行，确保数据的定点同步，并将所有数据写入一个32位的先进先出缓存模块，供软核读取。

在FPGA芯片上例化四个三轴磁通门数据采集模块，所有模块并行运行，确保数据的定点同步，并将所有数据写入一个32位的先进先出缓存模块，供软核读取。

上述的光泵磁力仪数据采集模块，为了保证磁力仪数据的精度和数据更新率，本发明采用滑动平均法，其实现过程如下：

如图2所示，假设FPGA的时钟频率为100MHz(记为fn)，CS3光泵磁力仪的旋磁比常数为K＝3.498577Hz/nT，如果磁场值为M＝50000nT，则光泵产生的Larmor信号的频率为fm＝M*K＝174928.85Hz(记为fm)。用fn去捕捉fm的上升沿以计算Lamor信号的频率，每一个Larmor脉冲所包含的FPGA时钟个数为C1

C1＝fn/fm

＝100×10⁶/174928.85＝571.66(个)。

由于上升沿捕捉不可避免地会存在一个脉冲的计数误差，所以会导致测量磁场发生误差。实际测量的脉冲计数可能为571或572，由此带来的磁场值的误差E为：

E＝fn/C1-fn/(C1+1)

＝100×10⁶/571-100×10⁶/572＝306.17(nT)。

这显然不能满足航磁测量的精度要求，因此需要对拉莫尔信号进行分频测量，以降低捕捉误差率，提高磁场测量精度，即一次测量多个Larmor信号脉冲，再进行平均计算。对于N分频，则需要N个周期才能得到频率信息，即此时得到的测量频率是N个周期之前的频率所有信号的平均频率，则相应的测量误差EN为1/N。即

EN＝E/N。

当然，信号分频可以提高测量精度，可是需要多个信号周期才能输出一次测量结果，这就必然降低数据输出的速率，影响测量的实时性。所以，本发明的光泵数据采集模块采用滑动平均法对光泵的Larmor信号进行捕捉，兼顾测量精度和数据更新率。

如图3所示，先预设一个计数器Counter，代表每一个FPGA时钟加1；再预设30个分段计数器C1、C2……C30，分别存储每5000个Larmor脉冲的FPGA时钟个数，所有计数器从0开始计数。第一次C30计数完成，此时Counter中的计数值即为150000个Larmor脉冲的FPGA时钟个数，根据公式M＝fn*150000/Counter/K可以计算出光泵磁力仪的磁场值。其中，M为磁场值，fn为FPGA时钟频率，K为CS3光泵磁力仪的旋磁比常数，K＝3.498577Hz/nT

当然，在实际设计时，预设的分段计数器可以不设为30个，每个分段计数器中存储Larmor脉冲的FPGA时钟个数也可以不是5000个，这些数值根据实际的需求可以任意调整。

之后，将C1的计数值暂存至缓存Ctemp，将C1清零并重新开始计数，至C1计数完成，根据M＝fn*5000*30/(Counter-Ctemp)/K即可以计算出当前的磁场值，以此类推，即每5000个Larmor信号周期即可更新一次磁力仪数据，此磁场值的精度和数据更新率分别为

306.17/150000＝0.002nT

174928.85/5000＝34.98Hz

通过以上分析可知，采用本发明的产品运用的方法，磁场值的测量精度和数据更新频率均可以得到满足航磁测量的要求。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种多通道航空磁力测量数据采集系统，其特征在于，包括主控模块、先入先出缓存模块、光泵数据采集模块、三轴磁通门数据采集模块、GPS定位数据采集模块、GPS卫星定位模块、若干个光泵磁力仪、若干个三轴磁通门传感器；所述光泵数据采集模块的输入端口与所述光泵磁力仪相连接，输出端口与所述先入先出缓存模块相连接；所述三轴磁通门数据采集模块的输入端口与所述三轴磁通门传感器相连接，输出端口与所述先入先出缓存模块相连接；所述GPS定位数据采集模块的输入端口与所述GPS卫星定位模块相连接；所述主控模块分别与所述先入先出缓存模块、GPS卫星定位模块相连接。

2.根据权利要求1所述的多通道航空磁力测量数据采集系统，其特征在于，所述主控模块、先入先出缓存模块、光泵数据采集模块、三轴磁通门数据采集模块、GPS定位数据采集模块由FPGA芯片例化产生。

3.根据权利要求2所述的多通道航空磁力测量数据采集系统，其特征在于，所述主控模块为Microblaze软核，所述Microblaze软核由所述FPGA芯片编程实现。

4.根据权利要求1所述的多通道航空磁力测量数据采集系统，其特征在于，还包括数据存储模块；

所述数据存储模块与所述主控模块相连接。

5.根据权利要求1所述的多通道航空磁力测量数据采集系统，其特征在于，还包括数据通信模块；

所述数据通信模块与所述主控模块相连接，所述数据通信模块通过有线或无线方式与外部上位机相连接。

6.根据权利要求5所述的多通道航空磁力测量数据采集系统，其特征在于，所述数据通信模块为蓝牙数据通信模块。

7.一种多通道航孔磁力测量数据采集方法，其特征在于，利用了权利要求1至6中任意一项所述的多通道航空磁力测量数据采集系统；

所述方法具体包括：

在FPGA芯片上创建一个用于实现系统主控的软核；在FPGA芯片上例化若干个并行运行的光泵数据采集计算模块；

所有所述光泵数据采集计算模块并行运行，将光泵磁力计采集的信号写入先进先出缓存模块，供所述主控模块读取；

在主控芯片上例化若干个并行运行的三轴磁通门数据采集模块；

所有所述三轴磁通门数据采集模块并行运行，将光泵磁力计采集的信号写入先进先出缓存模块，供所述主控模块读取；

所述主控模块分析并存储所述光泵磁力仪、三轴磁通门传感器采集到的数据。

8.根据权利要求7所述的多通道航磁测量数据采集方法，其特征在于，采用滑动平均法对所述光泵磁力仪采集到的数据进行滑动滤波，其步骤具体为：

S1、预设一个计数器Counter和P个分段计数器，每个分段计数器都记录Q个Larmor信号的脉冲，计数值按顺序存入先入先出缓存模块中；

S2、完成N个分段计数器计数后，计算出Larmor信号的频率fm，进而计算出光泵磁力仪所测得的磁场值M；

S3、分段计数器再进行第二轮计数，其中，在第一个分段计数器计数完成后，计算出当前Larmor信号的频率fm和磁场值；

S4、重复所述步骤S2和S3，直至完成测试。