基于DSP和FPGA的瞬變電磁儀監(jiān)控系統(tǒng)

朱文浩，張一鳴，張 宇，李佳鵬

（北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部，北京 100124）

0 引 言

石油和礦石等能源燃料的形成，漫長且復(fù)雜。人類的長期挖掘，工業(yè)和制造業(yè)的飛速發(fā)展，導(dǎo)致當前能源儲存無法滿足基本需求。近年來，隨著勘探技術(shù)的進步和勘探儀器的更新?lián)Q代，勘探重心由陸地領(lǐng)域轉(zhuǎn)移到海洋領(lǐng)域。海洋勘探中，美國、挪威及英國處于世界前列。雖然國內(nèi)高等院校和勘探調(diào)查單位已開始研制發(fā)射機，但我國還處于電磁勘探領(lǐng)域的初級階段，研制的設(shè)備與國外差距較大。為擺脫對進口儀器的依賴，需獨立研制具備自主知識產(chǎn)權(quán)的瞬變電磁儀[1-2]。

瞬態(tài)電磁法是一種檢測時間域中地下和海底不同介質(zhì)的電特性方法。瞬態(tài)電磁法的工作原理是海洋電磁發(fā)射機向海地輸出幅值恒定的大功率方波電流脈沖，其負載是發(fā)射電極與海水所組成的發(fā)射線圈。發(fā)射線圈通電后先建立一次場，以激勵目標體感應(yīng)出二次場，然后接收線圈檢測二次場時間域信號，最后分析、處理及反演得到的信號獲悉地貌[3-4]。本系統(tǒng)主要建立一次場，控制電磁發(fā)射機輸出足夠大的功率，并輸出多種頻率的方波電流。

根據(jù)電磁探測技術(shù)的工作原理，需嚴格控制電磁發(fā)射機，以保證電磁發(fā)射輸出多種幅值和頻率的大功率信號。同時，需監(jiān)控電磁發(fā)射機主拓撲各節(jié)點的電流、電壓及溫度等模擬量，以保證監(jiān)控狀態(tài)。本系統(tǒng)以DSP和PFGA為主控芯片和外圍芯片組成的主控板為下位機，對電磁發(fā)射機進行關(guān)鍵的驅(qū)動控制和數(shù)據(jù)采集?；贚ABVIEW開發(fā)平臺制作上位機。上位機和下位機之間采用四線制的RS485接口進行指令傳輸與信息通信。

1 電磁發(fā)射機主拓撲的簡要分析

為增加電磁發(fā)射機的發(fā)射功率，提高功率密度，并保證其安全、可靠及高效運行，本文可控源電磁發(fā)射機主拓撲采取移相全橋軟開關(guān)和全波整流變換器?？煽卦措姶虐l(fā)射機的電路結(jié)構(gòu)主要包括甲板電源、高壓全橋整流、H1逆變橋、高頻全波整流、LC濾波、H2逆變橋及一對發(fā)射電極，從而完成AC-DC電能轉(zhuǎn)換[5]，如圖1所示。

整個拓撲中，下位機需測量的關(guān)鍵節(jié)點的包括：一級母線電壓U1、電流i1，高壓逆變橋H1的電壓U2、電流i2，高頻整流橋輸出電壓U3、二級母線電壓U4、二橋輸出電壓U5及輸出電流i3。下位機需控制高壓逆變橋H1的驅(qū)動PWM波和逆變橋H2的驅(qū)動PWM波[5-6]。

采用AD202KN和LV100-4000采集一級母線電壓，采用萊姆霍爾傳感器測量其余各節(jié)點的電流、電壓模擬量。

高壓逆變橋H1和逆變橋H2分別采用CONCEPT 2SD315AI驅(qū)動板和1SP0635V2M1驅(qū)動板。驅(qū)動板主要用于PWM波信號的隔離和傳輸、電平轉(zhuǎn)換及IGBT的開通關(guān)斷和保護[7]。

2 下位機硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要包括主控系統(tǒng)部分（DSP和FPGA）、模擬量采集部分、驅(qū)動信號輸出部分、越限聲光警報部分、RS485通信部分、錯誤信號反饋部分及軟啟動控制部分，如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)主拓撲

2.2 DSP硬件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)采用TI公司經(jīng)典浮點型數(shù)字信號處理芯片TMS320系列的F28335。該芯片具備高速主頻150 MHz、價格實惠、低功耗、數(shù)據(jù)程序存儲容量大、集成外設(shè)種類多、A/D轉(zhuǎn)換時間短及精度高等優(yōu)點，為嵌入式、電力電子及機電等行業(yè)提供了性能強勁的簡單軟件設(shè)計方案。

DSP核心系統(tǒng)包括電源設(shè)計、復(fù)位電路設(shè)計、JTAG接口設(shè)計、時鐘電路設(shè)計、引導(dǎo)模式設(shè)計、模擬電源及參考電壓電路設(shè)計。該系統(tǒng)涉及的外設(shè)包括ADC、DMA、Watchdog Timer、SCI、IIC、定時器及中斷等。DSP用于完成采樣控制、A/D轉(zhuǎn)換、指令電流計算進行PI控制、通信及軟啟動等。

2.3 FPGA硬件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)采用Altera公司的FPGA芯片——EP3C16器件。代碼編程采用該公司的軟件開發(fā)包Quartus Ⅱ12.1，并通過Verilog硬件描述語言完成邏輯譯碼。本系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)并行化處理、高速采集大批量數(shù)據(jù)及功能可擴展性強等優(yōu)點。

DSP（主機）和FPGA（從機）通過串口進行指令通信。DSP通過并口傳輸調(diào)制參數(shù)至FPGA，F(xiàn)PGA對H1橋進行PWM調(diào)制，生成高精度的驅(qū)動脈沖，并控制H1橋的移相角實現(xiàn)閉環(huán)控制；FPGA根據(jù)收到的DSP發(fā)射指令，對H2橋進行PWM調(diào)制產(chǎn)生驅(qū)動波形，并實現(xiàn)對電磁發(fā)射機的過電壓、過電流及開關(guān)器件的保護。

2.4 模擬量采集硬件設(shè)計

本系統(tǒng)使用萊姆霍爾傳感器采集初級電壓和電流量，并按一定轉(zhuǎn)換比率轉(zhuǎn)換成次級電流。次級電流經(jīng)采樣電阻和A/D信號處理電路處理得到小電壓信號，小電壓信號經(jīng)濾波器后引入AD芯片引腳，并進行線性化處理，以完成對模擬量的采集和量化。模擬量采集結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模擬量采集結(jié)構(gòu)圖

2.4.1 單極性模擬量測量

對于單極性測量點，如一級母線電壓、電流和二級母線電壓。通過萊姆霍爾傳感器和信號處理電路得到0～3 V的小電壓信號，然后經(jīng)濾波電路接到DSP的ADCINA0引腳，以完成對單極性測量點電壓、電流模擬量的采集。信號處理電路，如圖4所示。其中，Rm1為采樣電阻，需在參考值范圍內(nèi)；R1、R3、R5和U2A組成反相器；R2、R4、R6和U3A組成比例運放器，通過調(diào)節(jié)電阻值確定放大倍數(shù)；U2B為電壓跟隨輸出器，隔離前端電壓和采樣點。

2.4.2 雙極性模擬量測量

對于雙極型測量點，如高壓逆變橋H1的電壓和電流、高頻整流橋輸出電壓、二橋輸出電壓及二橋輸出電流，通過萊姆霍爾傳感器得到-5～5 V的小電壓信號，并引入ADI公司的AD7606模塊，以完成對雙極型測量點電壓、電流模擬量的采集。該AD模塊直接將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過16位并口通信方式直接傳送給FPGA[8]。由于AD7606芯片內(nèi)部有抗混疊濾波器，本部分可省略濾波環(huán)節(jié)。AD7606采集電路如圖5所示。

2.4.3 有效值測量

本系統(tǒng)對高壓逆變橋H1輸出電壓和輸出電流的交流波形和高頻整流橋輸出電壓的方波波形進行有效值測量。

根據(jù)有效值定義，將輸入信號的瞬態(tài)值依次進行平方、取平均值和開平方運算，從而得出真有效值。獲得真有效值有兩種方法。第一，數(shù)字測量。該方法技術(shù)繁瑣，且受限于A/D轉(zhuǎn)化器的量化誤差和軟件處理等因素。第二，直接將測量信號引入硬件，并進行真有效值轉(zhuǎn)換。該方法轉(zhuǎn)換精度高，轉(zhuǎn)換時間快[9]。本系統(tǒng)采用美國模擬器件公司的AD637芯片，其真有效值轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。

圖4 信號處理電路

圖5 AD7606采集電路

2.5 驅(qū)動信號硬件設(shè)計

驅(qū)動部分主要由邏輯驅(qū)動的轉(zhuǎn)換、門極驅(qū)動及隔離保護組成[10]。本文采用2SD315AI驅(qū)動板和1SP0635V2M1驅(qū)動板，具備驅(qū)動能力強、反向柵壓足夠和保護閾值較高等優(yōu)點。驅(qū)動信號輸出部分中，將驅(qū)動信號（PWM）分別引入高壓逆變橋H1和逆變橋H2的驅(qū)動板中，以完成驅(qū)動電平信號的轉(zhuǎn)換和驅(qū)動板的錯誤信號反饋。由于芯片的輸出電壓和驅(qū)動板的驅(qū)動電壓不符，本文采用74LVC4245進行3.3～5 V的電平轉(zhuǎn)換。該芯片具備雙電源、高噪聲抑制及高邊沿速率等優(yōu)點。

2.6 RS485通信系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用MAX3490芯片搭建四線制的RS485通信接口。為減弱反射信號，保證通信穩(wěn)定，采用R81作為終端匹配電阻。同時，電路添加R78和R83作為偏置電阻，以確保總線空閑時保持高電平[11]，電路如圖7所示。

圖6 AD637真有效值轉(zhuǎn)換電路

圖7 RS485通信電路

2.7 其他外設(shè)硬件設(shè)計

越限聲光警報部分和軟啟動部分的電路設(shè)計是DSP主控芯片的GPIO引腳設(shè)置成推挽輸出模式，以驅(qū)動LED燈、蜂鳴器及高壓接觸器。本系統(tǒng)采用光耦隔離電路，實現(xiàn)了控制器低壓控制外部高壓，保護了芯片IO，并提高了帶載能力。

錯誤信號反饋部分，將高壓逆變橋H1和逆變橋H2的驅(qū)動板的錯誤反饋信號、節(jié)點過壓信號引入FPGA引腳。FPGA通過檢測IO變化確定可控源電磁發(fā)射機是否出現(xiàn)故障。圖8為過壓信號采集電路。

3 下位機和上位機之間的通信

3.1 主從通信系統(tǒng)

RS485通信模塊具備抗干擾能力強、傳輸距離遠、數(shù)據(jù)傳輸速度快及支持大量節(jié)點等特性。本系統(tǒng)的通信方式采用主從點對點方式[12]。

系統(tǒng)中，PC上位機作為主機，接收響應(yīng)幀，發(fā)送請求幀；下位機作為從機，接收請求幀，發(fā)送響應(yīng)幀。系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)，如圖9所示。圖9中，主控芯片DSP的SCIC通信引腳與MAX3490芯片進行板級通信，MAX3490芯片引出四條雙絞通信線纜，經(jīng)過RS485轉(zhuǎn)USB模塊，然后接入計算機，最后通過驅(qū)動和上位機軟件進行信息通信。

3.2 Modbus通信協(xié)議

Modbus協(xié)議是一種廣泛應(yīng)用于不同控制器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備的通信協(xié)議，采用單主/多從結(jié)構(gòu)，主要包括串口Modbus和網(wǎng)絡(luò)Modbus。其中，串口Modbus傳輸模式分為RTU（Remote Terminal Unit）模式和ASCⅡ模式[13-14]。

RTU模式數(shù)據(jù)區(qū)以十六進制Hex碼進行傳遞，ASCⅡ模式以ASCⅡ碼進行傳遞，RTU模式通過時間差判斷報文的起始，而ASCⅡ模式需要特定的結(jié)束符和起始符。RTU模式具備數(shù)據(jù)密度高和相同波特率下吞吐率高的特點[15]。軟件編程設(shè)計中，采用串口Modbus通信協(xié)議的RTU模式，其請求幀和響應(yīng)幀的描述如圖10所示。

圖8 過壓信號采集電路

圖9 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

圖10 RTU報文幀

3.3 RTU接收驅(qū)動程序設(shè)計

發(fā)送設(shè)備將子節(jié)點地址、功能碼、待發(fā)送的數(shù)據(jù)及算好的CRC數(shù)據(jù)，依次準備到緩存（數(shù)組）中，啟動串口發(fā)送函數(shù)，而整個報文幀必須依次將每個字節(jié)以數(shù)據(jù)流的形式發(fā)送到接收設(shè)備。接收程序設(shè)計流程如圖11所示。

圖11 RTU接收驅(qū)動程序設(shè)計流程圖

圖11 中，t3.5表示前后兩個報文的時間間隔必須大于3.5個字節(jié)時間；t1.5表示字符流中兩個字符的時間間隔必須小于1.5個字符時間。

4 軟件設(shè)計主程圖

本系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括上位機設(shè)計、主芯片DSP設(shè)計及FPGA程序設(shè)計。圖12為系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖。

4.1 上位機軟件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)上位機通過LABVIEW平臺的圖形化G語言 和 VISA（Virtual Instrument Software Architecture）接口模塊進行編程。VISA作為I/O應(yīng)用程序接口，具備面向?qū)ο缶幊?、可擴展性高及兼容性強等優(yōu)點。上位機后面板主要調(diào)用VISA配置模塊、讀取模塊、寫入模塊及串口接收字節(jié)數(shù)模塊[16]。上位機軟件前面板包括參數(shù)配置部分、數(shù)據(jù)發(fā)送控制部分、關(guān)鍵數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫部分及數(shù)據(jù)圖形顯示部分。上位機主界面如圖13所示。串口接收和解析H2橋輸出狀態(tài)響應(yīng)幀，并將關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫，如圖14所示。

圖12 軟件設(shè)計主流程圖

4.1.1 上位機軟件中各模塊的主要功能

（1）參數(shù)配置模塊：設(shè)置通信波特率和控制方式，設(shè)定H2橋的發(fā)射參數(shù)和越限參數(shù)，設(shè)定多頻點發(fā)射的相關(guān)參數(shù)。

（2）數(shù)據(jù)發(fā)送控制模塊：上位機發(fā)送請求幀對下位機進行指令控制，請求關(guān)鍵節(jié)點的電壓、電流及溫度等模擬量。

（3）數(shù)據(jù)接收解析模塊：上位機將接收到的電壓、電流及溫度等模擬量進行解析，并將數(shù)據(jù)顯示在主界面中；上位機接收控制指令的響應(yīng)幀，以確定下位機準確收到上位機的請求且已正確執(zhí)行。

（4）關(guān)鍵數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫模塊：上位機將接收到的電壓、電流及溫度等模擬量和H2橋的輸出狀態(tài)保存到數(shù)據(jù)庫；多頻點發(fā)射時，系統(tǒng)將發(fā)射的頻率和時間存放在數(shù)據(jù)庫

（5）數(shù)據(jù)曲線顯示模塊：主要顯示系統(tǒng)工作時的關(guān)鍵電氣參量，包括一級母線電壓、一級母線電流、H2橋輸出電壓的數(shù)值和曲線、H2橋輸出電流的數(shù)值和曲線、輸出功率及輸出阻抗。

圖13 上位機主界面

圖14 解析H2橋輸出狀態(tài)響應(yīng)幀

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)考慮采樣精度和采樣寬度，采集單、雙極性模擬量，并實時監(jiān)測各節(jié)點，并通過AD637對波形進行有效值測量。實驗證明，模擬量采集電路和代碼線性化具備參考價值。下位機采用DSP和PFGA為主控芯片與其他外圍芯片組成的主控板。采取RS485主從通信方式，搭載Modbus通信協(xié)議，增加了通信距離；采用請求-響應(yīng)的通信機制和CRC校驗，提高了通信效率，保障了數(shù)據(jù)的完整性和正確性。盡管本系統(tǒng)在軟件和硬件上實現(xiàn)了監(jiān)控功能，但還需考慮硬件功耗、GPS授時、發(fā)射機姿態(tài)、測量海底高度以及增強電磁抗干擾能力等，是后續(xù)研究的方向。