第三章采集模塊方案設計

3.1核磁共振找水儀的整體結構

核磁共振找水儀由電源、發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等產生如圖3.2（a）所示的拉莫爾激發信號，功率驅動電路將這個信號調制為發射所需的電流，經開關，通過鋪設于地面的電纜發射出激發信號。停止激發后，由快速開關控制電路將電纜轉接到放大器輸入端。放大器將接收到的如圖3.2（b）所示的MRS信號進行模擬調理后輸出給數據采集與處理電路，經數據處理成為檢測到的地下水信息。圖3.1中的數據采集模塊為本文的主要研究內容。

3.2采集模塊主要功能及設計指標

3.2.1采集模塊主要功能

1、產生與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，將采集到的數據上傳到上位機；

5、上位機軟件將接收到的數據處理后成圖顯示。

3.2.2采集模塊技術指標

ADC位數：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

采樣時間：0ms～500ms程控可調

3.3設計框圖

3.3.1主要電路的實現

本設計中以51系列單片機為控制核心，控制數據采集與處理。本設計中采用包絡采集的方案，采集到的數據量小，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環境完備，開發工具齊全，應用技術成熟，工作穩定可靠，價格經濟等優點.

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

經過綜合考慮，本設計中采用單片機加CPLD的方案。單片機與CPLD的完美結合也將單片機的應用更上一層樓，使很多復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是系統中比較重要的部分，也是電路設計中比較復雜的部分。在本系統中，選用CPLD和乘法型D/A轉換器來構成模擬乘法型相敏檢測器。乘法型D/A轉換器有數字輸入、參考電壓輸入、模擬輸出，工作原理如圖3.3所示。

D/A轉換器的輸出為：

用CPLD儲存正弦波的波形輸入D/A轉換器的數字輸入端，將經過核磁共振放大器后的MRS信號輸入D/A轉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果，這樣就用簡單的電路實現了正弦波信號的產生以及與MRS信號的相乘，實現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等優點，可以很好地滿足信號通道的要求。而CPLD產生的正弦波信號頻率、幅度、相位均可由上位機進行編程調整，產生了參考信號并實現了參考通道的功能。

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產生的采樣時序控制下，通過A/D轉換器進行采集，采集到的I、Q數據經過單片機送到上位機進行處理。單片機內部存儲器的容量有限，采集到的數據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、采集結束時間都可以由上位機進行控制。