第三章采集模塊方案設(shè)計

3.1核磁共振找水儀的整體結(jié)構(gòu)

核磁共振找水儀由電源、發(fā)射與接收等部分組成，如圖3.1所示。

在計算機控制下，由單片機和DDS等產(chǎn)生如圖3.2（a）所示的拉莫爾激發(fā)信號，功率驅(qū)動電路將這個信號調(diào)制為發(fā)射所需的電流，經(jīng)開關(guān)，通過鋪設(shè)于地面的電纜發(fā)射出激發(fā)信號。停止激發(fā)后，由快速開關(guān)控制電路將電纜轉(zhuǎn)接到放大器輸入端。放大器將接收到的如圖3.2（b）所示的MRS信號進行模擬調(diào)理后輸出給數(shù)據(jù)采集與處理電路，經(jīng)數(shù)據(jù)處理成為檢測到的地下水信息。圖3.1中的數(shù)據(jù)采集模塊為本文的主要研究內(nèi)容。

3.2采集模塊主要功能及設(shè)計指標(biāo)

3.2.1采集模塊主要功能

1、產(chǎn)生與MRS信號同頻的兩路參考正弦波，兩者相位相差90°；

2、實現(xiàn)兩路參考信號與MRS信號正交矢量放大；

3、同步采集正交后的兩路信號；

4、利用通訊模塊接收上位機指令，將采集到的數(shù)據(jù)上傳到上位機；

5、上位機軟件將接收到的數(shù)據(jù)處理后成圖顯示。

3.2.2采集模塊技術(shù)指標(biāo)

ADC位數(shù)：16位

采集通道：2通道同步采集

信號輸入范圍：-2.5V～+2.5V

采樣率：按1/4倍Lamor頻率程控可調(diào)

采樣時間：0ms～500ms程控可調(diào)

3.3設(shè)計框圖

3.3.1主要電路的實現(xiàn)

本設(shè)計中以51系列單片機為控制核心，控制數(shù)據(jù)采集與處理。本設(shè)計中采用包絡(luò)采集的方案，采集到的數(shù)據(jù)量小，用51系列單片機可以滿足速度、容量等方面的要求。而且51系列單片機還具有開發(fā)環(huán)境完備，開發(fā)工具齊全，應(yīng)用技術(shù)成熟，工作穩(wěn)定可靠，價格經(jīng)濟等優(yōu)點.

如今可編程邏輯器件CPLD的技術(shù)已相當(dāng)成熟，CPLD器件具備了優(yōu)異的高速性能，高度的靈活性、可靠性，大規(guī)模集成及在系統(tǒng)可編程的能力。同時，CPLD的價格也很便宜，具有較高的性價比.

經(jīng)過綜合考慮，本設(shè)計中采用單片機加CPLD的方案。單片機與CPLD的完美結(jié)合也將單片機的應(yīng)用更上一層樓，使很多復(fù)雜的硬件電路集成在一片芯片上，大大的降低了布線的難度，簡化了電路。相敏檢測器PSD是系統(tǒng)中比較重要的部分，也是電路設(shè)計中比較復(fù)雜的部分。在本系統(tǒng)中，選用CPLD和乘法型D/A轉(zhuǎn)換器來構(gòu)成模擬乘法型相敏檢測器。乘法型D/A轉(zhuǎn)換器有數(shù)字輸入、參考電壓輸入、模擬輸出，工作原理如圖3.3所示。

D/A轉(zhuǎn)換器的輸出為：

用CPLD儲存正弦波的波形輸入D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入端，將經(jīng)過核磁共振放大器后的MRS信號輸入D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓輸入端，在模擬輸出端就會得到二者相乘的結(jié)果，這樣就用簡單的電路實現(xiàn)了正弦波信號的產(chǎn)生以及與MRS信號的相乘，實現(xiàn)了相敏檢測器的功能。

采集模塊前面的核磁共振放大器實現(xiàn)了信號通道的功能。核磁共振放大器具有低噪聲、高增益、中心頻率和增益可調(diào)等優(yōu)點，可以很好地滿足信號通道的要求。而CPLD產(chǎn)生的正弦波信號頻率、幅度、相位均可由上位機進行編程調(diào)整，產(chǎn)生了參考信號并實現(xiàn)了參考通道的功能。

3.3.2整體框圖

整體電路框圖如圖3.4所示，整個系統(tǒng)由單片機控制，再通過485通訊芯片由上位機進行操作。信號通過相敏檢測器后，在由CPLD產(chǎn)生的采樣時序控制下，通過A/D轉(zhuǎn)換器進行采集，采集到的I、Q數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機送到上位機進行處理。單片機內(nèi)部存儲器的容量有限，采集到的數(shù)據(jù)需要先存儲在外部存儲器FRAM中，等上位機需要的時候再傳送到上位機。鎖相環(huán)PLL起倍頻作用，為了輸出頻率更精確的正弦參考信號。整個采集模塊的開始采集時間、采樣率、采集結(jié)束時間都可以由上位機進行控制。