基于FPGA的数字三轴磁通门传感器的设计与实现

摘要

从上个世纪二十年代开始，便出现了有关磁通门传感器的研究，传统的磁通门传感器多采用模拟电路来实现，随着磁场测量技术的广泛应用，对该传感器的性能要求也越来越高，传统模拟式传感器不能完全适用要求越来越严格的场合，而且其体积、重量比较大，硬件电路结构复杂，温度性能差，可修改性差。为了改善传统式传感器的性能，近些年来，数字式磁通门传感器发展比较快，已有研究者提出了基于单片机和DSP处理器的数字传感器，随着大规模可编程逻辑器件（FPGA）的发展，其成本不断降低，性能不断提高，使得FPGA作为磁通门传感器的处理器成为可能，并能充分发挥FPGA高速处理的特点。国内将FPGA应用在数字磁通门传感器方面的研究比较少，因此本文提出了利用FPGA来设计与实现数字三轴磁通门传感器，以达到比传统式传感器更高的各项性能参数。
　　传统模拟式磁通门传感器多通过检测二次谐波对磁场进行测量，模拟式电路通常包括励磁电路、低通滤波、谐振电路、带通滤波和相敏检波，本文设计的数字式三轴传感器也是基于二次谐波的方法，利用FPGA内部逻辑可编程的特点，将传统模拟式磁通门传感器需要的基本电路，在FPGA内部用多个功能电路模块替代，包括激励模块、相敏检波（PSD）模块、FIR低通滤波器模块，通过使用较高精度的AD、DA器件提高采集数据以及输出数据的精度。本文设计实现了三轴数字式传感器硬件电路结构，设计了尺寸较小的传感头，使得三轴传感器的整体体积及功耗都比较小。从理论上分析了闭环式三轴磁通门传感器常用的紧密球形反馈线圈内部磁场均匀度分布情况，为实现三轴数字式传感器闭环结构奠定理论依据，并对数字式闭环系统需要使用的PID算法进行了功能仿真。
　　本文最后利用标准三轴磁通门传感器对设计的三轴数字式传感器在一定磁场范围内进行了磁场输入与传感器输出的线性度标定，通过采集到的数据对磁通门传感器的灵敏度及分辨率进行了分析，分析结果表明所设计的传感器在实验测量磁场范围内具有比较好的灵敏度和分辨率。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 课题国内外研究情况

1.3 本论文主要工作

1.4 论文的章节安排

第2章 磁通门传感器原理与反馈磁场分析

2.1 磁通门传感器原理

2.2 磁通门信号提取及相敏检波

2.3 球状反馈线圈内部磁场均匀度分析

2.4 本章小结

第3章 数字式磁通门传感器硬件设计

3.1 磁通门传感头设计

3.2 FPGA选择

3.3 AD芯片选择及电路设计

3.4 DA芯片AD5754R电路设计

3.5 功率放大电路及运算放大电路

3.6 JTAG和ASP配置电路

3.7 SDRAM存储电路

3.8 串口电路

3.9 时钟电路

3.10 电源电路

3.12 本章总结

第4章 数字式三轴磁通门传感电路软件设计

4.1 AD控制模块

4.2 相敏检波模块

4.3 FIR低通滤波器及PID控制算法实现

4.4 数据处理模块

4.5 DA控制模块

4.6 激励信号生成模块

4.7 UART控制模块

4.8 顶层模块设计

4.9 本章总结

第5章 系统硬件调试与实验分析

5.1 电源电路与FPGA外围电路调试

5.2 软件板级验证

5.3 实验结果及数据分析

5.4 硬件调试总结

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录一 三轴磁通门传感器开环测试实验图

附录二 单轴磁通门传感器标定实验图