CN106291753B - 一种半航空瞬变电磁接收机的专用测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半航空瞬变电磁接收机的专用测试装置，包括上位机、信号产生模块、外部存储器、信号存储器、信号输出模块，其中信号产生模块包括Nios系统、SRAM控制模块、相位累加器和锁相环(PLL)；Nios系统是一种可编程片上系统(SOPC)。使用时，在上位机操作界面上输入噪声类型和波形参数，并传输给信号产生模块，信号产生模块根据接收到的参数信息产生波形数据并存储到信号存储器中，相位累加器读取波形数据并传送到信号输出模块，从而产生叠加各种噪声的瞬变电磁信号，瞬变电磁接收机将接收到的波形简单处理后传输到上位机上，由上位机对信号发生器产生的波形和接收机输出的波形进行分析，从而判断接收机的设计是否满足设计要求。

Description

一种半航空瞬变电磁接收机的专用测试装置

技术领域

本发明涉及一种半航空瞬变电磁接收机的专用测试装置，特别是涉及一种能产生半航空瞬变电磁接收机的波形信号且能对波形信号进行分析对比的半航空瞬变电磁接收机的专用测试装置。

背景技术

随着电子技术和计算机技术的不断发展，电磁法仪器在观测精度、抗干扰能力和噪声抑制能力等方面有了很大的提高。电磁法接收仪器和大地对激励信号的响应总和构成电磁法接收系统总的测量结果，而只有大地对激励信号的响应才能反映地下结构的电性信息，为了获取真实的大地对激励信号的电磁响应，必须要消除仪器本身给测量结果带来的影响。因此，仪器的测试和标定是野外作业前的重要一环。

信号源作为仪器测试的主要设备，主要用于生成理想信号测试仪器的性能，目前通用信号源无法满足瞬变电磁接收机的测试需要，具体表现在以下几个方面：

(1)瞬变电磁接收机要求工作于同步方式且瞬变电磁信号类似于e指数信号，市场上现有的信号源虽可通过配套软件产生e指数信号(如Keysight的IntuiLink任意波形软件、泰克的ArbExpressTM软件等)，但是调整参数较为复杂，需要上位机修改参数后重新下载，使用不方便；

(2)无法模拟产生无人机电磁干扰噪声和线圈运动噪声，但这两种噪声是半航空瞬变电磁系统的特有噪声，对瞬变电磁响应信号的质量影响很大；

(3)缺少一体化的信号发生与信号比较功能。被测设备采集现有信号源产生的理想波形后，无法及时对实测波形与理想波形进行对比分析，因而无法验证被测设备的性能指标是否满足要求。

因此研制半航空瞬变电磁专用测试装置对于接收机的测试具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半航空瞬变电磁接收机的专用测试装置，该测试装置能模拟产生叠加了包括无人机电磁干扰噪声和线圈运动噪声在内的主要噪声的瞬变电磁信号，并能对实测瞬变电磁信号与原始瞬变电磁信号进行分析对比。

为达到上述目的，本发明采用现场可编程门阵列(FPGA)和可编程片上系统(SOPC)技术来实现波形信号产生装置，它包括上位机、信号产生模块、外部存储器、信号存储器和信号输出模块，所述信号产生模块包括Nios系统、SRAM控制模块和相位累加器，其中Nios系统是可编程片上系统(SOPC)，包括Nios软核、串口控制器、SRAM控制器和通用IO口，所述上位机用于选择噪声类型和输入波形参数，上位机通过串口控制器与Nios系统通信连接，所述Nios系统通过Nios软核将接收到的波形参数进行处理以产生相应的波形数据，并通过SRAM控制器将波形数据存储到信号存储器以供相位累加器读取；所述SRAM控制模块根据SRAM控制器输出的读写控制信号来切换相位累加器和SRAM控制器对信号存储器的控制；所述通用IO口根据通过串口控制器从上位机得到的相位参数，调节相位累加器的相位累加值；所述相位累加器根据相位的变化输出信号存储器的地址数据，并从信号存储器中读取叠加噪声的瞬变电磁信号数据传送给信号输出模块，同时输出同步脉冲信号；所述信号输出模块将接收到的瞬变电磁信号数据经D/A转换、放大和滤波后输出至被测瞬变电磁接收机，再由被测瞬变电磁接收机处理后无线传输给上位机，上位机对信号进行时频分析，并与专用测试装置产生的瞬变电磁信号进行对比。

进一步地，所述上位机为PC机。

进一步地，所述SRAM控制器采用自定义组件实现信号存储器存储功能。

使用本发明测试装置时，用户在上位机信号分析对比软件控制界面上，可以选择添加的噪声类型和输入信号的幅度、频率和衰减系数等参数，然后信号分析对比软件对这些参数按照协议进行打包处理并发送给信号产生模块；Nios软核根据上位机所设定的参数改变原有信号模型中的参数，从而生成相应的瞬变电磁波形数据，并存储到信号存储器中，相位累加器从信号存储器中读取数据并传送给信号输出模块产生波形；在被测试对象--瞬变电磁接收机中的数据采集模块输出的数据经简单处理后由无线路由传输给上位机，由上位机搭载的信号分析对比软件对测试装置产生的标准信号和接收机接收的实际信号进行时频分析，并根据测试结果不断调整接收机的设计参数直到满足设计指标要求。

本发明具有如下优点：

(1)本发明采用的基于Nios的SOPC系统能使单芯片上很容易产生e指数衰减信号和改变衰减系数，使用非常简便；

(2)除了能模拟传统的高斯噪声、地磁场的微脉动等外，还根据半航空瞬变电磁的需求独创性地添加了无人机电磁干扰噪声和线圈运动噪声，使其更接近于真实环境，具有较强的灵活性和通用性；

(3)同时具有信号产生功能与信号比较功能，能及时对实测瞬变电磁信号与测试装置产生的标准信号进行对比分析，从而能及时验证被测设备的性能指标是否满足要求。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明输出的叠加了无人机电磁干扰噪声的瞬变电磁信号图。

图中：1—上位机 2—信号产生模块 3—信号输出模块 4—瞬变电磁接收机 5—Nios系统 6—Nios软核 7—SRAM控制器 8—存储器控制器 9—串口控制器 10—通用IO口11—EPCS控制器 12—SRAM控制模块 13—相位累加器 14—锁相环(PLL) 15—外部存储器16—外部FLASH 17—晶振 18—信号存储器 19—同步信号输出模块 20—数据采集模块21—数据传输模块

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围不限于此。

实施例

本发明测试装置是基于现场可编程门阵列(FPGA)和可编程片上系统(SOPC)技术设计的，所测试的对象是瞬变电磁接收机4。

如图1所示，本发明测试装置包括上位机1、信号产生模块2、信号输出模块3、外部存储器15、外部FLASH 16、晶振17、信号存储器18和同步信号输出模块19，所述上位机1采用通用的PC机，PC机内搭载有信号分析对比软件，在上位机1的操作界面上可以选择噪声类型和设置波形参数(幅值、衰减系数)，并可以对瞬变电磁接收机4采集到的瞬变电磁信号与测试装置发送的瞬变电磁信号进行比较和分析，并实时存储和生成报表，用户可以根据需要选择噪声类型和调整波形参数，以产生所需的瞬变电磁信号。操作界面上的各功能模块通过LabVIEW编程实现。

所述信号产生模块2采用可编程片上系统(SOPC)技术，通过现场可编程门阵列(FPGA)实现，如图1所示，信号产生模块2包括Nios系统5、SRAM控制模块12、相位累加器13和锁相环(PLL)14，信号产生模块2通过采用Atera公司的CycloneⅣ系列芯片EP4CE10F17和Verilog语言编程实现相位累加器13和SRAM控制模块12的连接。所述Nios系统5是调用Altera公司提供的可裁剪、可编程Nios软核，添加串口控制器9、通用IO口10、自定义的SRAM控制器7、存储器控制器8和EPCS控制器11生成。上位机1通过串口控制器9和Nios系统5通信连接。锁相环(PLL)14用于生成信号产生模块2内各模块的时钟信号以及信号输出模块3的时钟信号。

外围器件包括外部存储器15、外部FLASH 16、晶振17和信号存储器18，外部存储器15采用型号为K4M561633G的同步动态随机存储器(SDRAM)，主要用作Nios系统5运行的内存。作为波形数据存储单元的信号存储器18采用型号为IS61WV25616BLL-10TL的静态随机存取存储器(SRAM)。晶振17与锁相环(PLL)14配套使用，以提供装置所需的时钟频率。

使用时，Nios系统5首先根据上位机1传输的噪声类型和波形参数经Nios软核6更改内部波形公式的参数，实时产生瞬变电磁信号所需波形数据；当SRAM控制器7的写控制信号有效时，SRAM控制模块12将信号存储器的控制权交给SRAM控制器7，此时Nios系统5将波形数据写入信号存储器18中，信号存储器18的地址和波形数据构成一个查找表，通过查询地址可得到需要的波形数据；当SRAM控制器7的读控制信号有效时，SRAM控制模块12将信号存储器18的控制权交给相位累加器13，相位累加器13根据通用IO口10的参数来得到相位累加器13的频率控制字，相位累加器13将频率控制字和之前的累加值相加得到新的累加值，并将其累加值输出经过地址译码后作为信号存储器18的地址，同时从信号存储器18中读取叠加各种噪声的e指数衰减信号数据送给信号输出模块3，相位累加器13不断地累加，经过一个循环回到初始相位，信号产生模块2就输出一个完整周期的数据。

所述信号输出模块3由D/A转换器和运算放大器组成，信号产生模块2产生的数字瞬变电磁信号经D/A转换器转换成模拟信号后，再经运算放大器THS4217构成的低通滤波器输出，输出的瞬变电磁信号是叠加了各种噪声的瞬变电磁信号(如图2所示)。

所述瞬变电磁接收机4包括数据采集模块20和数据传输模块21，数据采集模块20根据同步信号输出模块19输出的同步信号来控制采集信号输出模块3输出的叠加了各种噪声的e指数衰减信号。数据传输模块21由无线路由构成，完成将数据采集模块20采集的数据传输到上位机1上，由上位机1对信号发生器产生的波形和接收机输出的波形进行分析，从而判断瞬变电磁接收机4的设计是否满足设计要求。

以上所述仅是本发明较好的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明的方案和构思进行的改进和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种半航空瞬变电磁接收机的专用测试装置，其特征在于：包括上位机、信号产生模块、外部存储器、信号存储器和信号输出模块，所述信号产生模块包括Nios系统、SRAM控制模块和相位累加器，其中Nios系统是可编程片上系统，包括Nios软核、串口控制器、SRAM控制器和通用IO口，所述上位机用于噪声类型的选择和波形参数的输入，上位机通过串口控制器与Nios系统通信连接，所述Nios系统通过Nios软核将接收到的噪声类型和波形参数进行处理以产生相应的波形数据，并通过SRAM控制器将波形数据存储到信号存储器；所述SRAM控制模块根据SRAM控制器输出的读写控制信号来切换相位累加器和SRAM控制器对信号存储器的控制；所述通用IO口根据从上位机得到的相位参数，调节相位累加器的相位累加值；所述相位累加器根据相位的变化输出信号存储器的地址数据，并从信号存储器中读取叠加噪声的瞬变电磁信号数据传送给信号输出模块，同时输出同步脉冲信号；所述信号输出模块将接收到的瞬变电磁信号数据经D/A转换、放大和滤波后输出到被测瞬变电磁接收机，再由被测瞬变电磁接收机处理后无线传输给上位机，上位机对接收到的瞬变电磁信号进行时频分析，并与专用测试装置产生的瞬变电磁信号进行对比；

当所述SRAM控制器的写控制信号有效时，所述SRAM控制模块将信号存储器的控制权交给所述SRAM控制器，此时所述Nios系统将波形数据写入所述信号存储器中，所述信号存储器的地址和波形数据构成一个查找表，通过查询地址可得到需要的波形数据；当所述SRAM控制器的读控制信号有效时，所述SRAM控制模块将所述信号存储器的控制权交给所述相位累加器，所述相位累加器根据所述通用IO口的参数来得到所述相位累加器的频率控制字，所述相位累加器将频率控制字和之前的累加值相加得到新的累加值，并将所述相位累加器的累加值输出经过地址译码后作为所述信号存储器的地址，同时从所述信号存储器中读取叠加各种噪声的e指数衰减信号数据送给所述信号输出模块，所述相位累加器不断地累加，经过一个循环回到初始相位，所述信号产生模块就输出一个完整周期的数据。

2.根据权利要求1所述的半航空瞬变电磁接收机的专用测试装置，其特征在于：所述上位机为PC机。

3.根据权利要求1所述的半航空瞬变电磁接收机的专用测试装置，其特征在于：所述SRAM控制器采用自定义组件实现信号存储器存储功能。