基于FPGA嵌入式软核的瞬变电磁接收机的设计与开发

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瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method缩写TEM),是近几年来应用越来越广泛的地质勘察方法。在矿藏勘探,工程勘探,水资源勘察,考古研究等领域成为越来越重要的手段。瞬变电磁依靠电磁感应原理,利用地质构造表现出的电性差异,实现对地下构造进行测量和分析。瞬变电磁法的出现简化了地质勘察的工作,加快了资源开发的步伐,帮助当今地球物理勘探工作取得了丰硕的成果。目前国内外的瞬变电磁仪的设计理念朝着高集成,小体积,大发射功率,低功耗,高精度和高智能化的方向发展。但是国内的瞬变电磁仪的精度和动态范围参数和国外先进仪器还有一定差距。国外仪器价格昂贵,虽在我国的一些地方应用状况良好,但价格还是成为了很多国内资源勘探的门槛。为了满足国内的市场的需求,本文设计并开发了一套瞬变电磁接收机,并完成了性能测试。该接收机的采样频率为1MHz,带宽为100kHz,动态范围达到170dB,并且满足了低成本,低功耗,高精度应用要求。  本文以FPGA嵌入式软核为技术核心进行设计和研发,提高了系统集成度,简化了电路设计。该架构可以减小设备体积降低功耗,为便携式瞬变电磁仪提供了可行的解决方案。浮点AD转换器是以程控放大器与AD转换器相结合的数模转换单元,它为提高测量动态范围和提高信号分辨率而设计。本文根据传统的浮点AD的设计理念,结合瞬变电磁信号的特点,改进了浮点AD设计方案,使其更加适用于瞬变电磁信号的采集。本文完成了基于uC/OS-Ⅱ操作系统的嵌入式软件系统开发,实现了对瞬变电磁接收机的智能控制以及数据传输,使系统操作简便,快捷。本文针对瞬变电磁接收机的设计与开发分为以下几个部分:  (1)分析了瞬变电磁法系统模型,介绍了其工作方式。根据瞬变电磁信号的特点给出了瞬变电磁接收机的系统架构方案,并分析了各个功能模块的设计要求,对方案的选择进行了描述,阐述了设计方案的适用性。  (2)设计了硬件电路,给出了各个功能模块的电路原理图。硬件设计包括,接收机线圈的匹配方法,电源电路,前置放大器电路,浮点AD转换器电路,主控平台的FPGA数字系统设计,以太网接口电路,收发机同步电路。  (3)开发了嵌入式系统软件,包括驱动,应用程序接口,采集控制程序,与上位机通信程序。  (4)完成了对本文设计的瞬变电磁接收机在室内和户外的分布测试和整体测试。  
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