基于DSP的实时被动弱磁探测与定位系统

D j ⋅kφj⋅k (x) 的能量就分别集中在 x = 2 j (k + a) 和 x = 2 j (k + b) 附近。由此可见，时域中的
分 辨 率 随 频 率 的 大 小 而 调 节 ， 高 频 精 密 ， 低 频 粗 疏 。 将 与 噪 声 相 应 的 CJ2⋅k 和
DJ2⋅k ( J1 + 1 ≤
铁磁物体对地磁场扰动产生的信号是非常微弱的。微弱磁场的探测手段有很多，如用核 磁旋进式质子磁力仪、光泵式磁强计测磁场等[1][2]，这些测试方法灵敏度较高，但一般结构 比较复杂，体积较大，工作频率低，不能满足武器系统空间狭小和实时性高的要求。磁阻传 感器也能探测微弱磁场，虽然其灵敏度稍低，但是具有工作频率高、可靠性高，体积小，抗 电磁噪声和干扰的能力强等优点。所以，系统研制时采用三维磁阻传感器探测运动铁磁物体 引起的微弱地磁畸变信号，将该信号转化为电信号，预处理后由 DSP 进行分析、判断，实时 确定目标的位置。
∑ A J 2 f ( x ) =
C J 2 ⋅ kφJ 2⋅k ( x )
k∈Z
∑ D j =
C j ⋅kφj⋅k ( x )
k∈Z
J2
∑ f (x) = AJ2 f (x) + D j f (x) j = J1 +1
（3）
如 果 尺 度 函数 和 小 波 函数 的 能 量 分别 集 中 在 x = a 和 x = b 附 近 ， 则 C j ⋅kφj⋅k (x) 和
2.3 逻辑控制器件 CPLD
复杂可编程逻辑器件（CPLD）具有设计灵活、硬件密度高等优点，广泛应用于辅助控制 逻辑，在数字信号处理领域和先进的 TM320C5402DSP 主芯片结合构成了整个系统的核心。本 系统中采用的 CPLD 为 Altera 公司生产的 MAX7000 系列的 EPM7128A，其可用门 2500，宏单 元 128，逻辑块阵列 8 个，最大用户 I/O 脚 100，最高频率为 178.6MHz [4]。本系统中的片选 信号、读些信号及其它逻辑控制信号，还有 D/A、A/D 与 DSP 之间的缓冲功能、部分电平转 换功能都是在 CPLD 完成的。
号采集及读取的速度由 A/D 和 DSP 共同决定，速度为一个数据三个机器周期，所以数据输入 需要 3N 个机器周期（N 为输入的数据量）；根据在 DSP 中的仿真统计可以得出：信号的去 均值需要 N 次加法、1 次除法、N 次减法，共 13N 个机器周期；归一化需要 N 次加法、N 次 平方、1 次除法和 1 次求平方根，所以归一化过程需要大约 18N 个机器周期；每一尺度上的 近似信号经小波分解，其数量减少一半，每一尺度上的分解算法的乘法次数为 4× N / 2 j ，所 以分解的总乘法次数为：（N/2+N/4+N/8）×4=3.5N，加上寄存器与数据存储区间数据的相互 调用，所以小波消噪部分需要大约 3.5N×（3+2）=17.5N 个机器周期；目标识别与弹目交汇 点判断约需要 16N 个机器周期。根据以上的分析可以看出，整个数据采集与处理过程所需要 的机器周期在 68N 的数量级，取 N 为 256，则总处理时间为：256×68×50ns=0.87ms，完全符 合在毫秒级完成识别定位过程的设计要求。
在硬件设计时还必须注意不同电压之间的转换问题，如 A/D、D/A 转换器的电源电压为 5V，而 DSP 所能接受的最大电平为 3.3V，在这些芯片之间就需要加一个数据转换芯片，本 系统选用 TI 公司的 SN74LVTH16245。
考虑到模块的抗干扰性能要求比较高，电路板做成四层板，上下两层为信号层，中间一 层为地层，一层为电源层。
∑ VJ1 ∋ f (x) = AJ1 f (x) = C J1 ⋅kφJ1⋅k (x) k∈Z
（2）
按照 Mallat 算法将信号分解成低频（小于 2−J2 ）成分 AJ 2 f (x) 和频率介于 2− j 和 2−( j−1)
之间的成分 D j f (x) （ J1 − 1 ≤ j ≤ J 2 ），其中
k∈Z
根据上述原理编写小波消噪子程序，经过三个步骤：分解、阈值确定和重构获得去噪后
的信号。
（3） 传感器与目标最近点判断子程序。
完成磁感应强度三维分量的合成，即
B=
Bx2
+
B
2 y
+
B
2 z
（6）
式中， Bx 、 By 、 Bz 分别为目标磁场在传感器三维坐标上的分量幅值， B 为目标总磁
场矢量的模值。
参考文献
[1] M．Hirota, and K. Nanara, Squid Gradiometers for a Fundamental Study of Underwater magnetic Detection. IEEE Transaction on Applied Superconductivity. 1997，7（2）：2327～2330
2.4 A/D、D/A 部分
A/D 转换器选用 TI 公司专门为 DSP 配套制作的 10 位并行 A/D 转换器 TLV1578。该芯片 用 2.7V~5.5V 的单电源工作，以最大为 1.25Mbit/S 的速度使输入电压数字化。D/A 转换器 也选用 TI 公司出品的 TLC7528。该芯片是双路、8 位十字、并口模拟转换器，具有单独的片 内数据锁存器。使用时将其接为双极性输出。D/A 的输出信号作为测试使用。
特征判断
识别。去均值与归一化处理的计算公式如式(1)。
∑ η
=
1 N
n
xi (n)
xi (n) =
xi (n) −η
N −1
∑ (xi (n) −η)2
n=0
No 距目标最近否?
Yes
(1)
输出探到信号
图 3 主程序框图
式中， xi (n) 为采集到的目标信号。
处理过后的信号作为小波变换的初始信号，它的能量和为 1.0，在变换过程中，由于小
DSP 初始化 开中断
No 采完 256 个数据?
Yes 清标识位 数据转存
3.2 主要功能子程序算法介绍
去均值、归一化
（1）信号的去均值与归一化子程序。 为了防止在以后的信号处理的计算过程中出现溢出，信号输
小波消噪
入后需要进行去均值与归一化处理，这样可以有效地限制信号幅 值的大小，并且将信号统一到同一数量级有助于特征提取与目标
根据传感器与目标最近点的磁场信号变化特征得到判断结果，给出探测到信号指示。
3.3 探测与定位系统处理时间分析计算
在武器系统的工作中，信号处理的实时性要求很高。以下部分就系统的操作时间作以详
-4-

细分析。系统 DSP 时钟频率为 20MHz。 由主流程图即可知系统工作时间主要包括信号采集及读取的时间和数据处理的时间。信

基于 DSP 的实时被动弱磁探测与定位系统
李朝晖，张河，孙磊
（南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094）
lizh204@
摘 要： 根据被动磁引信工作特点，设计了基于三维磁阻传感器和 DSP 的铁磁性目标探测与 定位系统。简述了系统的硬件组成及各部分功能，给出了相应的主程序框图和数据处理的主 要算法，并对系统工作的实时性进行了详细地研究。将此系统用于军事方面或是民用方面， 都取得了较好的效果。 关键词： DSP 探测与定位 铁磁目标 数据处理
2. 系统软件设计
开始
3.1 软件简介
系统主程序框图如图 3 所示。各主要部分功能介绍如下： （1）初始化：系统上电工作之前必须进行初始化。主要完 成对 DSP 的状态寄存器 ST0、ST1，处理器模式状态寄存器 PMST， 时钟模式寄存器 CLKMD，软等待状态寄存器 SWWSR 的初始化等。 （2）中断服务程序：完成 A/D 转换后的数据读入。每当读 入 256 个数据， 标志位置 1。 （3）主程序中 DSP 调用执行相应的数据处理程序，完成对 采得的数字信号的小波消噪、信号的去均值与归一化以及特征值 的提取与判断。
3. 系统对铁磁物体探测的结果及分析
现举一本探测系统应用的例子。对地下埋藏的一直径约 30 厘米、壁厚 5 毫米、长 2.5
30000
2000
磁感应强度 B/nT
1500 1000
500
B Bx By Bz
0
-500
-1.5 -1
-0.5
0
0.5
距目标中心线的位移 x/m
1
1.5
图 4 测得的目标信号
1. 引 言
铁磁性物体在地磁场中会被磁化而产生感应磁场，对地磁场产生扰动。被动磁性探测系 统探测该扰动信号就能获取目标的运动情况、方位等信息，从而进行正确的定位。该探测方 法应用于水下武器对抗中，与其它探测方法如主动声纳探测相比有其独特的长处，如近距离 目标识别能力强、不易被敌方发现、功耗低等。因此被动弱磁性探测与定位系统的研制有其 重要的意义。在民用上也可进行地下埋藏铁磁物体的快速寻找。
1. 被动弱磁探测与定位系统硬件构成
本系统模拟电路及数 字电路硬件部分如图 1 所 示。
主要部分功能及元 件选用简介如下。
2.1 HMC 磁阻传感器
当沿着长而薄的坡莫 合金带的长度方向施加一 定强度的电流，在垂直于 电流的方向施加一磁场
-1-

时，坡莫合金带的电阻值发生变化，如图 2 所示。本系统所用的 HMC1023 磁阻传感器就是据 此原理制成的。该磁阻传感器模块中每维传感器由四个磁阻组成了惠斯通电桥。在传感器线
2.2 核心控制芯片 DSP
系统的核心控制部分为 TM320C5402DSP 芯片。C5000 系列芯片是低功耗高性能的 16 位 定点 DSP 处理器。CPU 采用改进的哈佛结构，具有高度的并行性。其中的 C5402 芯片价格便 宜，速度为 100MPIS，片内存储空间 RAM 为 16K×16bit，ROM 为 4K×16bit[3]。采用 DSP 作 为核心控制器件能够很好的满足探测及分析判断的实时性要求。