CN109655927B - 一种基于cpld的变增益等效采样探地雷达控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于探地雷达领域，并公开了一种基于CPLD的变增益等效采样探地雷达控制系统。其包括上位机、MCU微处理器、CPLD、延时触发电路、模数转换模块、发射模块和接收模块，上位机用于发出指令和接收信号；MCU微处理器用于实现上位机与CPLD之间的信息交互，模数转换模块用于将来自接收模块的电磁波信号转换为数字信号，CPLD用于设定发射和接收电磁波信号的总次数、发射的时间间隔、接收时间间隔和增益倍率；延时触发电路用于控制发射模块和接收模块是否发射或接收信号；接收模块用于实现等效增益采样。通过本发明，实现地表深层微弱信号的采集，提高控制系统的并行处理能力和检测精度。

Description

一种基于CPLD的变增益等效采样探地雷达控制系统

技术领域

本发明属于探地雷达领域，更具体地，涉及一种基于CPLD的变增益等效采样探地雷达控制系统。

背景技术

探地雷达应用广泛，包括高速公路检测、地下无损检测、空洞检测、桥梁甲板分层定位、地下管道检测、地质沉积物检测、地质结构检测、确定基岩和地下水位的深度、地下文物结构位置确定、生命探测及地雷探测等等。

现有的探地雷达控制系统采用微处理器作为系统的主控制器，通过软件程序控制雷达的工作过程。系统开发周期短，但微处理器不能做到精准控制系统，并且并行处理能力差，不能做到精准控制；与此同时，现有的接收模块对于反射信号的接收能力较差以及模数转换模块综合性能较差。上述原因导致最终的探地雷达系统性能较差。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于CPLD的变增益等效采样探地雷达控制系统，通过对该控制系统中的关键组件CPLD和变增益单元的布局与设计，尤其是CPLD同时与发射模块、接收模块和模数转换模块连接，实现发射模块、接收模块和模数转换模块的并行运行，彼此之间互不影响，提升系统的并行处理能力和精确控制，实现对发射模块、接收模块和模数转换模块的控制，另外，变增益单元对不同周期接收的电磁波信号边增益增大，使得待检测地面深层后期反射的电磁波信号得以采集，由此解决探地雷达测量误差大以及无法探测地表深层的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于CPLD的变增益等效采样探地雷达控制系统，所述雷达控制系统包括上位机、MCU微处理器、CPLD、延时触发电路、模数转换模块、发射模块和接收模块，其特征在于，

所述上位机与所述MCU微处理器连接，用于发出开或关的指令和接收来自所述模数转换模块的信号；所述MCU微处理器与所述CPLD连接，用于实现所述上位机与CPLD之间的信息交互，所述模数转换模块用于将来自所述接收模块的电磁波信号转换为数字信号；

所述CPLD同时与所述延时触发电路和模数转换模块连接，用于设定向待检测地面发射和接收电磁波信号的总次数、发射电磁波信号的时间间隔、接收从所述待检测地面反射的电磁波信号的时间间隔和每次接收电磁波信号时的增益倍率，同时还用于控制所述模数转换模块是否向所述MCU微处理器反馈数字信号；

所述延时触发电路分别与所述发射模块和接收模块连接，用于根据所述发射电磁波信号的时间间隔控制所述发射模块向待检测地面发射电磁波信号，以及根据所述接收电磁波信号的时间间隔控制所述接收模块接收来自待检测地面反射的电磁波信号，使得在一个周期内的采样等效为多个周期的分散采样，以此实现等效采样过程；

所述接收模块中按照设定的所述接收电磁波信号的时间间隔接收待检测地面反射的电磁波信号，以此采集待检测地面反射的不同周期对应的电磁波信号，即不同地表深度对应的电磁波信号，所述接收模块中设置有变增益单元，用于按照设定的所述增益倍率对不同周期接收的来自待检测地面的电磁波信号进行相应增益的放大，以此实现不同周期接收的电磁波信号变增益放大，与此同时也使得待检测地面深层反射的信号被放大，进而使得该深层反射的信号按照设定的时间间隔得以被采集。

进一步优选地，所述接收模块还包括接收天线、四管采样门和调理放大单元，所述接收天线与所述变增益单元连接，用于接收待检测地面反射的电磁波信号，并将接收的电磁波信号传送给所述变增益单元，所述四管采样门按照设定的所述接收电磁波信号的时间开或关，以此实现间隔采集所述电磁波信号，所述调理放大单元与所述四管采样门连接，用于将采集的电磁波信号进行整体的电压放大，并将进行电压放大后的电磁波信号传递给所述模数转换模块。

进一步优选地，所述延时触发电路与所述四管采样门之间设置有栅极驱动器、变压器和功分器，通过三者的配合实现控制所述四管采样门的按照设定的所述接收电磁波信号的时间开或关，所述栅极驱动器与所述延时触发电路连接，用于将来自所述延时触发电路的电压信号进行功率的放大，所述变压器同时与所述栅极驱动器和功分器连接，用于将放大功率的所述电压信号的倍数放大，所述功分器用于将来自所述变压器的电压信号方向，以此使得所述四管采样门导通。

进一步优选地，所述发射模块包括栅极驱动器、变压器、雪崩三极管和发射天线，所述栅极驱动器与所述延时触发电路连接，所述变压器介于所述栅极驱动器和雪崩三极管之间，所述雪崩三极管与所述发射天线连接，用于将来自所述变压器的电压信号转化为向下的负脉冲信号输出，所述发射天线接收所述负脉冲信号并转化为电磁波信号发射。

进一步优选地，所述模数转换模块包括ADC和RAM，所述ADC同时与所述接收模块和CPLD连接，用于将来自所述接收模块的电磁波信号转换为数字信号，所述RAM与所述MCU微处理器连接，用于将来自所述ADC的数字信号存储，当存储的数据达到预设存储大小后，将存储的所述数字信号通过所述MCU微处理传输给所述上位机。

进一步优选地，所述上位机与MCU微处理器之间通过USB进行通信。

进一步优选地，所述MCU微处理器与CPLD之间通过422串口进行通信。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明以CPLD为主控单元，以MCU为协控单元，通过CPLD精确地控制延时触发电路的触发时间，进而精确地控制发射模块进行信号发射，接收模块进行变增益等效采样，即使得在将数据传输给MCU的同时，发射模块和接收模块同时工作并行处理，并行处理RAM数据传输给MCU微处理器以及命令发射和接收模块继续正常的发射、接收信号，从而提升了系统并行处理的能力以及精准控制的能力。

2、本发明通过设变增益单元实现变增益等效采样，在等效采样的基础上增加变增益控制，浅层反射的信号强，比如，对于地表浅层信号增益值设定为-20db,在电路控制中一定程度上衰减浅层信号，中层信号较为微弱，通过CPLD控制变增益单元，增益值设定为20db，在电路控制中一定程度上增强中层信号，深层信号很微弱，通过将增益值设定为40db，以此很大地增强深层信号，使其得以被采集，通过变增益等效采样，提升了控制系统接收反射信号的性能；

3、本发明通过采用等效采样的方式，使得在在一个周期内完成的多次采样分散到多个周期完成，通过对不同周期的电磁波进行变增益处理，从而实现不同周期电磁波的单独处理，提高测量精度。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的明基于CPLD的变增益等效采样探地雷达控制系统的整体结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的探地雷达工作原理图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的探地雷达等效采样工作原理图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的通过时变增益的方式进行等效采样示意图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的通过最终的等效采样效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的明基于CPLD的变增益等效采样探地雷达控制系统的整体结构示意图，如图1所示，一种基于CPLD的变增益等效采样探地雷达控制系统，本发明的下位机包括以复杂可编程逻辑器件CPLD为主控单元，以MCU为协控单元，发射模块、接收模块、延时触发电路、模数转换模块，本发明的上位机用于接收采集的数字信号。上位机与MCU微处理器通过USB进行通信；MCU微处理器与CPLD通过422串口通信进行通信；CPLD与延时触发电路相连，精确地控制延时触发电路的触发时间；延时触发电路与发射模块、接收模块相连，以此控制发射模块、接收模块完成数据的等效采样，其中接收模块通过时变增益的方式进行等效采样，使得信号能够被高效率的采集；接收模块与模数转换模块相连，将接收到的信号进行模数转换，由于之前的电路通过时变增益的方式进行等效采样，因此降低了ADC硬件要求以及数据传输存储速率要求；模数转换模块与MCU微处理器相连，用于将采集数据传输给MCU微处理器，最终将数据通过USB传输给上位机，上位机调用MATLAB进行数据成像。从而完成整套控制系统的工作。其中，ADC为模数转换器，CPLD为复杂可编程逻辑器件，MCU为微控制单元，RAM为随机存取存储器。

MCU微处理器用于连接上位机和CPLD，CPLD用于设定向待检测地面发射和接收电磁波信号的总次数、发射电磁波信号的时间间隔、接收从待检测地面反射的电磁波信号的时间间隔和每次接收电磁波信号时的增益倍率设定发射和采样信号的时间间隔，另外还用于控制ADC的是否将数字信号传递给RAM；延时触发电路按照发射电磁波信号的时间间隔发出一个电压信号，以此控制发射模块发射电磁波信号，同时按照相同的方式发出一个电压信号使得接收模块接收电磁波信号。

接收模块包括四管采样门、变增益单元和调理放大单元，四管采样门一方面用于降低采样的电磁波信号的频率，另一方面可以看作是一个按取样脉冲周期性接通的开关，当它被取样脉冲接通时，则输入脉冲中的瞬时电压对电容充电到输入脉冲的瞬时电压值，这个过程取样，在两脉冲中间隔期间，开关管截至，电容上的取样电压一直被保持到开关下一次接通；

变增益单元用于按照时域接收的电磁波信号进行放大，例如，总共发射511次信号，前1-111次的信号衰减20db，第112-311次的信号放大20db倍，312-511次的信号放大20db，等等；调整放大模块用于整体的电磁波信号进行整体的电压放大。

与四管采样门连接的还有栅极驱动器、变压器和功分器，三者用于控制四管采样门按照相应的采样时间间隔进行开关，栅极驱动器与延时触发电路连接，用于将来自延时触发电路的电压信号的功率放大，变压器将电压信号倍数放大，功分器用于将接收到的电压信号进行反向，以此实现将四管采样门的导通；

发射模块包括栅极驱动器、变压器、雪崩三极管和发射天线，接收天线用于接收地面反射的电磁波信号；雪崩三极管用于接收电压信号，并输出向下的负脉冲信号；发射天线将负脉冲信号转化为电磁波信号发射出去；栅极驱动器和变压器与接收模块中的相同。

模数转换模块包括ADC和双口RAM，ADC用于将电磁波信号转换为数字信号，双口RAM用于将离散的采样点的数字信号进行存储，当达到预设的存储大小后，将该数字信号传输给上位机。

下面将介绍本发明的工作流程，具体入下：

上位机与MCU微处理器通过USB通信后，命令MCU微处理器开始工作，MCU微处理器再通过422通信协议命令CPLD开始工作，CPLD再控制延时触发电路，延时触发电路在CPLD的控制下，每经过一个T的时间段就触发一个脉冲给发射模块，脉冲通过发射模块的栅极驱动器，变压器，雪崩三极管后，实际产生了约为200V的负脉冲，200V的负脉冲进入发射天线向地下发射脉冲信号，随后，接收天线接收从地下发射回来的信号，接收到信号后经过变增益单元，信号被变增益处理后到达四管采样门。在四管采样门这里存在着一种等效采样的信号采集方式，具体来说就是被CPLD控制的延时触发电路在固定的时间Tb+n*Δt触发脉冲信号，在经过栅极驱动器、变压器和功分器后，导通四管采样门采集到Tb+n*Δt这个时间点的信号数据，n随着采样过程逐渐增大。从而实现通过时变增益的方式进行等效采样，这个功能的实现与CPLD的精准控制密切相关，采集到的信号经过调理放大模块后，进入ADC进行模数转换，之后转换后的数字信号进入双口RAM，等该数据存满后，双口RAM将数据传寄给MCU微处理器，最后MCU微处理器通过USB将数据传寄给上位机，上位机调用MATLAB进行数据成像，从而完成整套控制系统的工作。

CPLD具体的型号是Altera公司的EPM1270T144C5N，有144个引脚，其核心工作频率为50MHz，由外部有源晶振NZ2016S提供，CPLD与MCU微处理器通过422串口通信进行通信，CPLD控制采集数据由ADC传输到双口RAM，由于CPLD高性能的并行处理能力特性以及精准控制能力，使得系统能够精确控制延时触发电路，从而使得系统能够高性能的完成通过时变增益的方式进行等效采样。

图2是按照本发明的优选实施例所构建的探地雷达工作原理图，如图2所示，探地雷达工作时贴着地面，沿着一条测线发射脉冲信号，接收到的信号如图3所示，理想情况下，假设地下无异物，介质完全均匀，接收到的信号只有耦合波和地表反射波，耦合波指的是发射天线发射出电磁波后，接收天线直接收到的信号，一般探测时天线几乎贴着地面，天线耦合波与地表反射波在时域上基本重叠，当有异物时，接收信号中会出现反射波。反射波与耦合波的时间差与异物的深度成正相关。

图3是按照本发明的优选实施例所构建的探地雷达等效采样工作原理图，如图3所示，等效采样是指将原本要在一个周期内完成的多次采样分散到多个周期完成，采用等效采样需要设计延时触发电路，电路输出两路触发脉冲，一路以周期T控制脉冲源的产生，那么回波信号的周期也是为T。另一路是相对第一路延时Tb+n*Δt的触发信号，用于控制采样，Tb是一个可调的固定大小的延时，Δt是步进延迟，对应实时采样时两点之间采样间隔，取值为0.25ns，n随着采样过程逐渐增大，图3是对回波的采样，回波的周期为T，每个回波采一个点，并保持到下一个回波的到来。因此，两点之间的采样间隔为T+Δt，由于T取决于发射脉冲的重复频率，T远远大于Δt，等效采样的采样间隔远远大于实时采样的采样间隔Δt，在本发明中，T取典型值100us，即发射脉冲的重复频率为10kHz，若令保持时间与采样间隔相等，按照10倍于重复频率计算，ADC采样率大于10/T即可，即100KSa/s，远远小于实时采样中的所需的4GSa/s，要求大大降低。

图4是按照本发明的优选实施例所构建的通过时变增益的方式进行等效采样示意图，如图4所示，时变增益的方式进行等效采样又名等效时变增益，它的特点是对于单个回波的采样时窗的时间段内，增益值是固定的，只是不同回波之间增益不同。假定1到111个回波增益值均为-20dB，112到311个回波增益值均为20dB，312到511个回波增益值均为40dB。实时时变增益调节的时刻依赖于时窗大小，而等效时变增益调节的时刻主要由脉冲重复周期T决定。从图中可以看出，在0到111*T时间段内，这111个回波衰减了20dB进入四管采样门，虽然反射波1和反射波2也跟着衰减了，但该时间段内并不会采集它们，只会采集到耦合波。这是因为只有耦合波在回波0-111对应的时窗范围内，同样的，在112*T到311*T的时间段内，这200个回波增益20dB后进入四管采样门，虽然耦合波也跟着增益了，但由于只有反射波1在时窗范围内，四管采样门只会采集到放大20dB后的反射波1，并不会采集到耦合波和反射波2。在312*T到511*T时间段内，虽然耦合直达波与反射波1也跟着放大了40dB，同理，四管采样门只会采集到放大40dB后的反射波2。图5是按照本发明的优选实施例所构建的通过最终的等效采样效果图，如图5所示，完成整个时窗的采样后，四管采样门最终采集到的数据是衰减20dB的耦合波、放大20dB的反射波1,以及放大40dB的反射波2。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于CPLD的变增益等效采样探地雷达控制系统，所述雷达控制系统包括上位机、MCU微处理器、CPLD、延时触发电路、模数转换模块、发射模块和接收模块，其特征在于，

所述上位机与所述MCU微处理器连接，用于发出开或关的指令和接收来自所述模数转换模块的信号；所述MCU微处理器与所述CPLD连接，用于实现所述上位机与CPLD之间的信息交互，所述模数转换模块用于将来自所述接收模块的电磁波信号转换为数字信号；

所述CPLD同时与所述延时触发电路和模数转换模块连接，用于设定向待检测地面发射和接收电磁波信号的总次数、发射电磁波信号的时间间隔、接收电磁波信号的时间间隔和每次接收电磁波信号时的增益倍率，同时还用于控制所述模数转换模块是否向所述MCU微处理器反馈数字信号；

所述延时触发电路分别与所述发射模块和接收模块连接，用于根据所述发射电磁波信号的时间间隔控制所述发射模块向待检测地面发射电磁波信号，以此发射多次电磁波信号，另外还根据所述接收电磁波信号的时间间隔控制所述接收模块接收电磁波信号，以此使得所述接收模块接收与发射次数相同的电磁波信号；

所述接收模块接收待检测地面反射的电磁波信号，并按照设定的所述接收电磁波信号的时间间隔采集不同次数待检测地面反射的不同时间对应的电磁波信号，使得一次采样等效为多次的分散采样，以此实现等效采样，所述接收模块中设置有变增益单元，用于按照设定的所述增益倍率对不同次数接收的来自待检测地面的电磁波信号进行相应增益的放大，以此实现不同次数接收的电磁波信号的变增益放大，同时也使得待检测地面深层反射的信号被放大，进而使得该深层反射的信号按照设定的时间间隔得以被采集；

所述接收模块还包括接收天线、四管采样门和调理放大单元，所述接收天线与所述变增益单元连接，用于接收待检测地面反射的电磁波信号，并将接收的电磁波信号传送给所述变增益单元，所述四管采样门按照设定的所述接收电磁波信号的时间开或关，以此实现间隔采集所述电磁波信号，所述调理放大单元与所述四管采样门连接，用于将采集的电磁波信号进行整体的电压放大，并将进行电压放大后的电磁波信号传递给所述模数转换模块；

所述延时触发电路与所述四管采样门之间设置有栅极驱动器、变压器和功分器，通过三者的配合实现控制所述四管采样门的按照设定的所述接收电磁波信号的时间开或关，所述栅极驱动器与所述延时触发电路连接，用于将来自所述延时触发电路的电压信号进行功率的放大，所述变压器同时与所述栅极驱动器和功分器连接，用于将放大功率的所述电压信号的倍数放大，所述功分器用于将来自所述变压器的电压信号方向，以此使得所述四管采样门导通。

2.如权利要求1所述的一种基于CPLD的变增益等效采样探地雷达控制系统，其特征在于，所述发射模块包括栅极驱动器、变压器、雪崩三极管和发射天线，所述栅极驱动器与所述延时触发电路连接，所述变压器介于所述栅极驱动器和雪崩三极管之间，所述雪崩三极管与所述发射天线连接，用于将来自所述变压器的电压信号转化为向下的负脉冲信号输出，所述发射天线接收所述负脉冲信号并转化为电磁波信号发射。

3.如权利要求1所述的一种基于CPLD的变增益等效采样探地雷达控制系统，其特征在于，所述模数转换模块包括ADC和RAM，所述ADC同时与所述接收模块和CPLD连接，用于将来自所述接收模块的电磁波信号转换为数字信号，所述RAM与所述MCU微处理器连接，用于将来自所述ADC的数字信号存储，当存储的数据达到预设存储大小后，将存储的所述数字信号通过所述MCU微处理传输给所述上位机。

4.如权利要求1所述的一种基于CPLD的变增益等效采样探地雷达控制系统，其特征在于，所述上位机与MCU微处理器之间通过USB进行通信。

5.如权利要求1所述的一种基于CPLD的变增益等效采样探地雷达控制系统，其特征在于，所述MCU微处理器与CPLD之间通过422串口进行通信。

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