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          1. 电子资讯网 > 可编程逻辑 > FPGA/ASIC技术 > 正文

            如何使用fpga做数字磁通传感器系统

            2020年04月02日 09:21 ? 次阅读

            针对传统磁通门信号处理电路中模拟元件的缺点,设计一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的数字磁通门系统。整个系统采用闭环结构,由激励产生模块、信号处理拱块和负反馈模块组成。外围模拟电路用高速D/A、A/D芯片取代,有利于系统温度稳定性的提到。FPGA内的数字逻辑实现了磁通门信号解算、激励正弦信号发生、D/A、A/D输入/输出串并转换的功能,首先用硬件描述语言(HDL)设计并仿真,然后下载、配置到FPGA中,调试完成后进行实验,通过实时处理双铁芯磁通门传感器探头输出信号对系统进行测试。实验结果证实了系统功能的正确性。闭环结构的采用提高了系统信号梯度线性度,与模拟系统相比,基于数字逻辑的设计温度性能更稳定,更易于小型化,可移植性更强。

            磁通门传感器最早于1935年发明并投入应用,用于静态或者低频变化的弱磁检测,拥有其他磁敏元件难以媲美的灵敏度和可靠性,在磁场测量领域一直占据着不可替代的位置。磁通门传感器适用于地磁或人体磁场的检测,在航空、航天、地质勘探、医疗卫生等领域有着广泛的应用。

            本文引用地址:?http://www.21ic.com/app/eda/201810/799212.htm

            磁通门传感器探头通常采用类似于变压器的双铁芯结构,利用软磁铁芯变化磁导率的特性将被测磁场调制成激励信号的偶次谐波。信号处理系统对探头输出加以处理,从中提取与被测磁场大小相关的信号,转换成直流量并输出。

            传统的磁通门信号处理电路采用模拟元器件,温度性能严重地受到影响,且很难小型化,可移植性也很差。与之相比,现代数字磁通门系统,温度性能稳定,体积小,可移植性强。根据应用的具体情况,可选的实现方式多样,有单片机、可编程数字逻辑,或数字信号处理(DSP)芯片等。

            FPGA(Field Programmable Gate Array)是一种高速的可编程逻辑芯片,具有其他设备难以比拟的灵活性,其大部分引脚的功能、内部电路结构完全由用户根据需要定义。FPGA器件具有很高的实用价值,一方面可以作为专用集成电路的替代品,直接在最终产品中使用,另一方面,也可以在专用集成电路开发流程中,做行为验证工具。

            在本文中,描述了一种基于FPGA的磁通门系统的实现,系统采用闭环结构,对磁通门传感器探头输出的数据进行实时处理,提取出反映被测低频磁场大小的直流信号。

            1 磁通门系统结构和工作原理

            如图1所示,整个系统的硬件包括磁通门传感器探头,DAC,ADC和FPGA。功能上可分为传感器激励源、磁通门信号解算、负反馈回路三个模块。

            如何使用fpga做数字磁通传感器系统

            FPGA内的正弦激励发生电路和外部DAC一起构成传感器激励源模块。高速ADC和FPGA内的A/D接口、相敏整流、低通滤波电路构成磁通门信号解算模块;址糯、D/A接口、高速DAC,以及反馈网络共同构成了负反馈模块。

            系统工作时,在激励信号的驱动下,磁通门探头的感应线圈感应环境磁场大小,产生磁通门信号,经隔直滤波后通过高速ADC芯片转换成串行数据送FPGA的处理。在FPGA中,ADC芯片采集到的串行数据先转换成并行数据,然后通过相敏整流、低通滤波后得到直流信号。低通滤波的结果积分放大后经D/A接口转换成串行数据送高速DAC芯片转换成模拟信号,经反馈电阻反馈到磁通门探头的补偿线圈(即感应线圈),抵消环境磁场。

            由于采用闭环结构,前向通道上积分放大环节的增益可视作无穷大,根据自动控制原理,整个系统是无差系统,传感器探头实际上工作在“零场”条件下,反馈电流产生的磁场和环境磁场大小相的方向相反,D/A的前端信号,即积分放大环节的输出反映被测磁场的大小。整个系统的信号梯度主要取决于反馈系数的大小,具有良好的线性度。

            2 磁通门信号的特点和处理方法

            磁通门系统的核心是信号处理电路。

            磁通门传感器探头输出的偶次谐波(以二次为主)是有用的磁通门信号,而其他频率的信号都是有害噪声。在实际应用中,通常采用“相敏整流-低通滤波”方法处理磁通门信号。首先用相敏整流进行频谱的调整,通过采用与二次谐波同频率的方波基准乘传感器探头的输出,将二次谐波磁通门信号转换为直流分量,然后用低通滤波滤除其他频率分量,得到反映被测磁场大小的直流量。

            如何使用fpga做数字磁通传感器系统

            低通滤波器输出是相敏整流结果的直流分量,与磁通门传感器探头输出的二次谐波的幅值线性相关,反映被测磁场大小。

            3 硬件电路设计

            在该设计中,FPGA芯片选用Altera公司CYCLONEⅡ系列的EP2C35F626C5,工作速度快,可定义引脚丰富,逻辑单元数量可观,性价比高。FPGA的工作时钟为50MHz。

            磁通门激励起到驱动传感器工作的作用,由D/A模块转换FPGA输出的正弦数字信号产生;本设计中,激励频率为3.051kHz,是FPGA工作时钟的64×256分频,速度相对较低,且精度要求不高,故DAC采用12位并口DA1210芯片。

            在闭环系统的前向通道中,A/D模块是偏差检测环节,对传感器探头输出进行采样。该设计中,二次谐波一个周期采样128个点,即ADC采样频率是探头输出二次谐波频率的128倍,也就是781.25kHz。采用AD7980芯片作为A/D转换器,该芯片具有16位精度,转换速度高达1MSPS,可以满足要求。

            在反馈回路中,D/A模块作为低频补偿环节,需要具有较高的精度,而转换速率可以较低;该设计采用DA8552芯片,具有16位精度和100KSPS的转换速率。

            4 FPGA内部电路设计

            4.1 A/D接口和D/A接口

            由于前向通道的ADC芯片、反馈回路的DAC芯片都采用串口通信,因此设计了专用的A/D接口和D/A接口,实现了A/D输入和D/A输出的串并/并串转换。

            4.2 正弦激励发生

            正弦激励发生采用查表的方式实现。用12×256b的ROM存一幅12位正弦波表,以FPGA时钟频率的1/64,即781.25kHz扫描,产生3.051kHz的12位数字正弦信号。

            4.3 磁通门信号解算和积分放大

            磁通门信号的解算是FPGA内数字逻辑最核心的功能,由相敏整流器、基准发生器和FIR数字滤波器三部分共同实现,如图2所示。

            如何使用fpga做数字磁通传感器系统

            相敏整流器由数据转换器和数据选择器构成。数据转换器.Mdfr将输入u(n)转换成补码形式。输出v(n)是输入u(n)或者其补码,由基准h(n)当前的值决定。实际上,电路的功能等价于将u(n)和在1和-1间交替变化的数列相乘,也就是说,v(n)是u(n)以h(n)为基准相敏整流的结果。

            基准发生器Nrm为相敏整流器提供基准h(n)。对50MHz时钟进行分频,产生与二次谐波磁通门信号同频率,即6.103MHz的方波,通过控制信号Ctlr调整相位,使基准的相位和二次谐波磁通门信号的相位对其相敏整流的效率最大化。

            低通滤波器Sinc_Fltr是N点sine滤波器的FIR形式,传输函数是:

            如何使用fpga做数字磁通传感器系统

            信号流图如图3所示。

            由于二次谐波磁通门信号一个周期采样128点,因此N=128;按照图3所示的信号流图,128点sinc滤波器由127个加法器和128个寄存器组成。为防止溢出,加法器和寄存器宽度为16+log28=24位,最后一级输出的高16位作为滤波器的输出。实现了低通滤波的功能。

            如何使用fpga做数字磁通传感器系统

            积分放大由积分器Intgtr实现,结构如图4所示。为防止溢出,采用32位的加法器和寄存器。加法器的一个输入端是低通滤波器的输出,另一个是累加和。在闭环系统中,积分器输出的低16位是反映被测磁场大小的数字量。

            5 实验和结果

            使用双铁芯结构磁通门探头感应被测磁场,磁场强度从0μT变化到25μT。首先去掉积分模块打开反馈回路,对开环结构的前向通道进行测试,然后加入积分模块和闭合反馈回路,对闭环系统进行测试。两次实验的输入/输出关系如图5所示,图中“o”是开环结构的结果,“+”是闭环结构的结果。

            如何使用fpga做数字磁通传感器系统

            两次试验的数据如表1所示。

            如何使用fpga做数字磁通传感器系统

            当系统开环时,随着被测磁场的增大,系统输出单调增高,可以反映被测磁场的大小。输出的非线性度为4.01%,最大误差为0.867μT,受磁通门探头铁芯的非线性影响很大。闭环后,系统非线性度和误差性能得到明显改善,非线性度为0.012%,最大误差为3nT。

            6 结语

            本文中描述的基于FPGA的磁通门传感器系统采用闭环结构,提高了系统输出梯度线性度。FPGA内的数字逻辑实现了包括磁通门信号解算在内的多种功能。实验验证了系统功能的正确性。由于数字逻辑的特点,和模拟系统相比,基于FPGA的设计有着优秀的温度稳定性,可移植性,且易于小型化。本文中的设计可直接应用在最终产品中,也可以作为专用集成电路的行为验证,以此为基础继续开发集成电路芯片。

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            当博通收购高通案遭到美国总统特朗普的阻止后,下一个被华尔街分析师看准的“目标”便锁定在圣何塞芯片厂商...

            发表于 2020-04-02 10:47 ? 700次阅读
            赛灵思推出全新系列的产品类型ACAP 媲美CPU...

            xilinx FPGA bit 文件加密

            当你的项目终于做完了,到了发布的关键节点,为了防止自己的心血被别人利用,最好对产品进行bit加密。 ...

            发表于 2020-04-02 09:33 ? 312次阅读
            xilinx FPGA bit 文件加密

            赛灵思官方博客本周主打:云端时序收敛,高效可靠

            Plunify Cloud 云平台为 FPGA 工程师极大地简化了使用云服务器的技术与安全要求。

            发表于 2020-04-02 08:52 ? 329次阅读
            赛灵思官方博客本周主打:云端时序收敛,高效可靠

            FPGA的几点重要总结

            FPGA编程语言为何叫硬件描述语言? 硬件即FPGA硬件,硬件描述语言,也就自然地告诉...

            发表于 2020-04-02 08:30 ? 400次阅读
            FPGA的几点重要总结

            Achronix半导体全面对接Speedcore...

            该组项目将使研究机构和公司能够使用Achronix高性能Speedcore eFPGA技术快速构建低...

            发表于 2020-04-02 08:25 ? 400次阅读
            Achronix半导体全面对接Speedcore...

            紫光国微参股科技创新型企业

            11月27日,紫光国微在互动平台表示,科创板是科技型创新企业对接资本市场的良好渠道,公司也在关注具体...

            发表于 2020-04-02 15:36 ? 628次阅读
            紫光国微参股科技创新型企业

            Omnitek图像处理与分析

            图像处理与分析:UltraXR 4K波形监视器/ VectorScope和Ultra 4k工具箱

            发表于 2020-04-02 06:25 ? 140次阅读
            Omnitek图像处理与分析

            Kintex-7 FPGA连接DDR3存储器的接...

            这展示了DDR3内存的Kintex-7 FPGA接口功能。

            发表于 2020-04-02 06:23 ? 196次阅读
            Kintex-7 FPGA连接DDR3存储器的接...

            多模式数字控制,性能大升级

            英特尔? Enpirion? 数字 PowerSoC 经过精心的定义、设计和验证,可满足 FPGA、...

            发表于 2020-04-02 14:44 ? 308次阅读
            多模式数字控制,性能大升级

            华为携手赛灵思 展示400G以太网线卡原型

            北京时间3月21日下午消息,一场由网络供应商华为和芯片制造商赛灵思(Xilinx)上周进行的展示,标...

            发表于 2020-04-02 16:13 ? 387次阅读
            华为携手赛灵思 展示400G以太网线卡原型

            ARM崛起和后Altera时代 赛灵思的未来之路...

            英特尔和Altera传出收购消息以后,分分合合好几次。导致我买的股票上涨了5美元,我奖励自己吃了一顿...

            发表于 2020-04-02 16:05 ? 1187次阅读
            ARM崛起和后Altera时代 赛灵思的未来之路...

            GPU跃升为领头羊 以FPGA为主的英特尔也加紧...

            人工智能(AI)热潮持续攀升,AI晶片的竞争也日趋激烈,而GPU近年来可说是跃升为AI晶片领头羊。为...

            发表于 2020-04-02 16:37 ? 133次阅读
            GPU跃升为领头羊 以FPGA为主的英特尔也加紧...

            浅谈运动控制卡的功能及使用

            关于运动控制卡,其实现基于PC的界面,强大的PC功能,两者相互结合,从而使得于东控制器的能力达到了顶...

            发表于 2020-04-02 14:30 ? 545次阅读
            浅谈运动控制卡的功能及使用

            Micron和Achronix提供下一代FPGA...

            2018年11月-MicronTechnology,Inc.(纳斯达克交易代码:MU)日前宣布推出其...

            发表于 2020-04-02 17:32 ? 221次阅读
            Micron和Achronix提供下一代FPGA...

            蜂鸟FPGA开发板及蜂鸟JTAG下载器讲解说明

            perips目录主要用于存放各种外设(Peripherals)模块的Verilog RTL代码,譬如...

            发表于 2020-04-02 17:23 ? 485次阅读
            蜂鸟FPGA开发板及蜂鸟JTAG下载器讲解说明

            选择合适的连接器 有以下这些方法

            要让40个管脚的小脚丫FPGA核心板能够像孙猴子一样神通广大,那就得扩展啊,不仅要支持目前市场上主流...

            发表于 2020-04-02 16:54 ? 192次阅读
            选择合适的连接器 有以下这些方法

            赛灵思FPGA成为设计人员构建卷积神经网络的首选

            人工智能正在经历一场变革,这要得益于机器学习的快速进步。在机器学习领域,人们正对一类名为“深度学习”...

            发表于 2020-04-02 14:08 ? 148次阅读
            赛灵思FPGA成为设计人员构建卷积神经网络的首选

            摩尔定律将要谢幕 未来将是FPGA的天下

            整整50年来,计算机的底层元件都遵从着“摩尔定律”:在价格不变的情况下,集成在芯片上的晶体管数量每隔...

            发表于 2020-04-02 11:31 ? 451次阅读
            摩尔定律将要谢幕 未来将是FPGA的天下

            中美严峻局势下 国产FPGA迎来历史性发展机遇

            2020年04月02日,在今天举行的南京国际集成电路技术达摩论坛上,深圳市紫光同创电子有限公司常务副总...

            发表于 2020-04-02 11:26 ? 273次阅读
            中美严峻局势下 国产FPGA迎来历史性发展机遇

            赛灵思FPGA的创新赋能:全球首个无人机5G基站

            在日前上海举行的首届中国国际进口博览会(进博会)上,电子资讯在赛灵思展台上看到了全球首款无人机5G...

            发表于 2020-04-02 18:08 ? 793次阅读
            赛灵思FPGA的创新赋能:全球首个无人机5G基站

            在AI芯片领域 赛灵思认为FPGA芯片将是重头戏

            3月19日,全球第一大FPGA厂商赛灵思公司新任总裁兼CEOVictorPeng表示,要进一步推动计...

            发表于 2020-04-02 17:30 ? 386次阅读
            在AI芯片领域 赛灵思认为FPGA芯片将是重头戏

            莱迪思宣布进入网络边缘计算市场的AI领域 发挥F...

            根据市场调研机构Semico Research提供的数据显示,未来五年内,使用人工智能的网络边缘设备...

            发表于 2020-04-02 17:25 ? 247次阅读
            莱迪思宣布进入网络边缘计算市场的AI领域 发挥F...

            NVIDIA能比FPGA速度更快的处理所有与AI...

            13日报导,NVIDIA Corporation虽凭借通用GPU(GPGPU)登上人工智能(AI)芯...

            发表于 2020-04-02 17:20 ? 405次阅读
            NVIDIA能比FPGA速度更快的处理所有与AI...

            浪潮发布集成HBM2的FPGA AI加速卡F37...

            美国当地时间11月14日,在达拉斯举行的全球超算大会SC18上,浪潮发布集成HBM2高速缓存的FPG...

            发表于 2020-04-02 17:15 ? 299次阅读
            浪潮发布集成HBM2的FPGA AI加速卡F37...

            Virtex-7 2000T GTX收发器实现高...

            通过Virtex-7 2000T FPGA中的GTX收发器实现高速串行性能。

            发表于 2020-04-02 06:27 ? 301次阅读
            Virtex-7 2000T GTX收发器实现高...

            基于Zynq-7045的全新Mercury ZX...

            经过认证的赛灵思联盟成员Enclustra宣布推出基于Zynq-7045的全新Mercury ZX1...

            发表于 2020-04-02 06:26 ? 287次阅读
            基于Zynq-7045的全新Mercury ZX...

            Xilinx 7系列模拟混合信号评估平台演示

            嵌入式世界2012的Xilinx 7系列模拟混合信号评估平台演示

            发表于 2020-04-02 06:24 ? 272次阅读
            Xilinx 7系列模拟混合信号评估平台演示

            Xilinx Virtex UltraScale...

            该视频显示了世界上最大,最快的HBM启动FPGA在芯片启动的第一天内无错运行。

            发表于 2020-04-02 06:22 ? 301次阅读
            Xilinx Virtex UltraScale...

            基于Xilinx全可编程FPGA的AWS F1实...

            采用基于Xilinx全可编程FPGA的AWS F1实例,Edico Genome可帮助更广泛的用户群...

            发表于 2020-04-02 06:19 ? 317次阅读
            基于Xilinx全可编程FPGA的AWS F1实...

            Spartan-6 FPGA HDL编码技术的特...

            了解如何对寄存器资源进行编码,以便您的设计具有更少的控制集并以更高的系统速度运行,避免最常见的编码错...

            发表于 2020-04-02 06:11 ? 287次阅读
            Spartan-6 FPGA HDL编码技术的特...

            Spartan-6 FPGA中的DCM功能介绍

            了解如何描述Spartan-6 FPGA中的全局和I / O时钟网络,描述时钟缓冲器及其与I / O...

            发表于 2020-04-02 06:10 ? 309次阅读
            Spartan-6 FPGA中的DCM功能介绍

            XDF 2018:如何降低FPGA的成本

            reconfigure.io的Rob Taylor在法兰克福的XDF 2018云轨道中展示了一个用例...

            发表于 2020-04-02 06:08 ? 270次阅读
            XDF 2018:如何降低FPGA的成本

            NGCodec H.265/HEVC视频压缩技术...

            NGCodec开发下一代视频压缩技术,专为超低延时,高质量应用而优化使用Xilinx FPGA,NG...

            发表于 2020-04-02 06:06 ? 387次阅读
            NGCodec H.265/HEVC视频压缩技术...

            Virtex-7 H580T FPGA的演示

            Virtex-7 H580T是全球首款全可编程异构3D FPGA,具有最高速度的低抖动28Gbps收...

            发表于 2020-04-02 05:55 ? 408次阅读
            Virtex-7 H580T FPGA的演示

            如何在UltraScale+设计中使用Ultra...

            了解如何在UltraScale +设计中包含新的UltraRAM模块。 该视频演示了如何在Ultr...

            发表于 2020-04-02 05:50 ? 348次阅读
            如何在UltraScale+设计中使用Ultra...

            TMP411 ±1°C Programmable...

            TMP411设备是一个带有内置本地温度传感器的远程温度传感器监视器。远程温度传感器,二极管连接的晶体管通常是低成本,NPN或PNP型晶体管或二极管,是微控制器,微处理器或FPGA的组成部分。 远程精度为±1 °C适用于多个设备制造商,无需校准。双线串行接口接受SMBus写字节,读字节,发送字节和接收字节命令,以设置报警阈值和读取温度数据。 TMP411器件中包含的功能包括:串联电阻取消,可编程非理想因子,可编程分辨率,可编程阈值限制,用户定义的偏移寄存器,用于最大精度,最小和最大温度监视器,宽远程温度测量范围(高达150°C),二极管故障检测和温度警报功能。 TMP411器件采用VSSOP-8和SOIC-8封装。 特性 ±1°C远程二极管传感器 ±1°C本地温度传感器 可编程非理想因素 串联电阻取消 警报功能 系统校准的偏移寄存器 与ADT7461和ADM1032兼容的引脚和寄存器 可编程分辨率:9至12位 可编程阈值限...

            发表于 2020-04-02 16:35 ? 8次阅读
            TMP411 ±1°C Programmable...

            TMP468 具有引脚可编程的总线地址的高精度远...

            TMP468器件是一款使用双线制SMBus或I 2 C兼容接口的多区域高精度低功耗温度传感器。除了本地温度外,还可以同时监控多达八个连接远程二极管的温度区域。聚合系统中的温度测量可通过缩小;て荡嵘阅,并且可以降低电路板复杂程度。典型用例为监测服务器和电信设备等复杂系统中不同处理器(如MCU,GPU和FPGA)的温度。该器件将诸如串联电阻抵消,可编程非理想性因子,可编程偏移和可编程温度限值等高级特性完美结合,提供了一套精度和抗扰度更高且稳健耐用的温度监控解决方案。 八个远程通道(以及本地通道)均可独立编程,设定两个在测量位置的相应温度超出对应值时触发的阈值。此外,还可通过可编程迟滞设置避免阈值持续切换。 TMP468器件可提供高测量精度(0.75°C)和测量分辨率(0.0 625°C)。该器件还支持低电压轨(1.7V至3.6V)和通用双线制接口,采用高空间利用率的小型封装(3mm×3mm或1.6mm×1.6mm),可在计算系统中轻松集成。远程结支持-55°C至+ 150°C的温度范围。 特性 8通道远程二极管温度传感器精度:±0.75&...

            发表于 2020-04-02 16:05 ? 8次阅读
            TMP468 具有引脚可编程的总线地址的高精度远...