基于USB接口的探地雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1　引　言

　　探地雷達( ground penetrating radar，GPR)是一種新型的電磁探測設(shè)備，它具有快速、簡便的對淺層目標和結(jié)構(gòu)進行無損探測的特點，也是目前分辨率、效率最高的地下目標探測設(shè)備之一，因此被廣泛的應(yīng)用于城建、交通、地質(zhì)、考古、國防等部門。在探地雷達的應(yīng)用中，能否準確、高效地采集數(shù)據(jù)是探地雷達系統(tǒng)實用性和可靠性的判據(jù)之一。數(shù)據(jù)采集的準確性直接關(guān)系到探測目標的準確性和雷達數(shù)據(jù)的進一步處理工作;采集數(shù)據(jù)的速度關(guān)系到系統(tǒng)能否實現(xiàn)實時顯示。所以，當雷達設(shè)備將采集數(shù)據(jù)傳回主機時，就需要選擇一種接口來實現(xiàn)數(shù)據(jù)準確、高速的傳輸。

　　傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸接口在低速時常采用標準串行口或并行口，高速時一般采用PCI總線接口。它們存在如下缺點:雖然標準串行口或并行口應(yīng)用開發(fā)比較簡單，但是數(shù)據(jù)傳輸速率較低;PCI總線盡管數(shù)據(jù)傳輸速率比較快，但是硬件設(shè)計和驅(qū)動開發(fā)難度較大，PC I卡的尺寸面積限制了I/O接口的擴展;同時，這三者都不支持即插即用的功能。而USB接口規(guī)范1. 1中的12Mbp s的傳輸速率已經(jīng)可以滿足探地雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的使用需求，其接口簡單、便攜，支持即插即用的優(yōu)點又在很大程度上簡化了系統(tǒng)的硬件設(shè)備，提高了雷達設(shè)備的可移動性。正是基于USB接口的這些優(yōu)點，設(shè)計了基于USB接口的探地雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并開發(fā)了配套的應(yīng)用軟件，實現(xiàn)了探地雷達數(shù)據(jù)的采集、傳輸和實時顯示。

　　2　系統(tǒng)組成與工作原理

　　2. 1　系統(tǒng)組成

　　探地雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由兩部分組成:計算機和數(shù)據(jù)采集卡。計算機作為采集系統(tǒng)的主控設(shè)備，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理等功能;數(shù)據(jù)采集卡由模擬信號放大器、數(shù)控濾波器、時控增益放大器、高精度AD變換電路、F IFO、FT245 USB接口電路和時序控制電路組成，主要完成對取樣電路輸出信號的放大、濾波、采集等任務(wù)，并將采集數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸?shù)接嬎銠C內(nèi)存中，供計算機處理和實時顯示。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用F IFO 設(shè)計數(shù)據(jù)傳送通道，大大簡化了系統(tǒng)的硬件電路和控制時序。在進行數(shù)據(jù)采集的同時，控制邏輯還將存儲在RAM中的增益曲線數(shù)據(jù)周期性的送入DAC中，以實現(xiàn)時控增益放大。在數(shù)據(jù)采集卡中還設(shè)計了一個RS - 232 控制器，用于接收外部定位裝置發(fā)送的定位信息。在探地雷達進行移動探測時，這個定位信息用于標示目標的地理位置。

圖1　探地雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成框圖

　　2. 2　工作原理

　　探地雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在工作時，首先通過打開計算機應(yīng)用軟件將雷達設(shè)備啟動，然后將工作參數(shù)傳送給數(shù)據(jù)采集卡，完成對雷達各項參數(shù)的控制。

　　命令被響應(yīng)后，雷達開始正常工作。采集卡將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過采集控制和傳輸控制后傳送給計算機。

　　數(shù)據(jù)采集控制:數(shù)據(jù)采集卡根據(jù)主機設(shè)置的參數(shù)采集雷達信號。首先將模擬信號進行預(yù)處理，預(yù)處理包括濾波處理和增益控制等，以去除模擬信號中的噪聲，使模擬信號的幅度適于進行AD 轉(zhuǎn)換。

　　然后進行AD 轉(zhuǎn)換，對模擬信號采樣，得到數(shù)字信號。數(shù)據(jù)采集卡在接收探地雷達傳來的模擬視頻信號的同時，還接收幀同步信號。數(shù)據(jù)采集卡將轉(zhuǎn)換得到的A - scan (A - scan:探地雷達在一個測量位置探測獲取的一維時域波形圖)數(shù)據(jù)與幀同步數(shù)據(jù)混合，然后存入FIFO。

　　數(shù)據(jù)傳輸控制:計算機通過USB接口對數(shù)據(jù)采集卡進行訪問，并讀取F IFO 中的數(shù)據(jù)。計算機對數(shù)據(jù)采集卡的訪問是通過查詢方式完成的。數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)置的F IFO容量設(shè)計為32K ×9bit，如果計算機沒有及時讀走FIFO內(nèi)的數(shù)據(jù)，F(xiàn) IFO就會出現(xiàn)溢出錯誤。所以查詢的時間間隔要滿足在該間隔內(nèi)采集的數(shù)據(jù)不能大于F IFO的容量;另一方面，查詢間隔太短，會加大計算機系統(tǒng)的負擔，影響計算機進行數(shù)據(jù)處理的速度，所以要選取適當?shù)牟樵冮g隔。以數(shù)據(jù)采集卡的最快采集速度為例進行計算: 每個scan的采樣點數(shù)為1024，采樣速率為512 scan / s，每一點的數(shù)據(jù)長度為2字節(jié)。這樣在1 s內(nèi)采集數(shù)據(jù)的大小為1024 ×2B ×512 = 1MB。在這樣的采樣率下，經(jīng)32ms采集的數(shù)據(jù)就可將F IFO 裝滿，考慮到計算機系統(tǒng)的其它因素可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖璧K，將查詢間隔設(shè)為20ms。此時既可以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，又可?jié)約計算機系統(tǒng)的資源。

　　3　系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

　　3. 1　硬件設(shè)計

　　與一般的通用數(shù)據(jù)采集卡不同，探地雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡不僅要完成數(shù)據(jù)的采集，還需要根據(jù)探地雷達信號的特點，對模擬信號進行相應(yīng)的預(yù)處理工作。

　　由于探測越深的目標，探地雷達接收的回波信號越小。為了提高對深層目標的分辨率，要采用時控增益放大器對取樣電路輸出的信號進行放大。對淺層目標反射的較強的回波信號，放大器具有較小的增益;對深層目標反射的較弱的回波信號，放大器具有較大的增益。由于探地雷達對地下目標進行重復(fù)掃描，所以放大器的增益曲線是與掃描頻率同步的周期信號，也就是時間的函數(shù)，所以稱為時控增益放大器。時控增益放大器的增益曲線通過計算機軟件進行調(diào)節(jié)，可以為任意的曲線。這樣就給使用者帶來了很大的靈活性，實驗中可以對感興趣回波區(qū)域的放大增益進行調(diào)節(jié)以使目標更加明顯。時控增益放大器由壓控增益放大器、DAC和FPGA內(nèi)部的RAM及控制電路組成。

　　由于不同的采樣點數(shù)和掃描速度使得探地雷達接收機輸出信號的有效帶寬不同，為了提高信噪比，設(shè)計了模擬可控低通濾波以實現(xiàn)對不同帶寬信號的低通濾波。該部分采用集成的開關(guān)電容濾波器設(shè)計，同時在FPGA中設(shè)計控制電路對該濾波器進行控制。最終實現(xiàn)了一個截止頻率為0. 1 - 50KHz可變、8階巴特沃思低通濾波器。

　　在USB芯片的選取上，選擇了FTD I公司推出的FT245BM芯片。該芯片功能強大，傳輸速率快，能夠?qū)崿F(xiàn)USB協(xié)議與并行I/O協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，并支持USB1. 1 及USB2. 0 規(guī)范，數(shù)據(jù)傳輸速率可達1MB /S。不論從芯片本身的功能，還是從系統(tǒng)開發(fā)的角度出發(fā)，該芯片都是探地雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)USB接口設(shè)計的理想選擇。FT245BM片內(nèi)128 字節(jié)的接收F IFO和384字節(jié)的發(fā)送F IFO使得芯片可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)吞吐。當USB 外設(shè)向主機傳輸數(shù)據(jù)時，只需在芯片發(fā)送器的狀態(tài)位為空時向設(shè)備寫入一個字節(jié)寬度即可。如果發(fā)送FIFO 已滿，設(shè)備將發(fā)送器的狀態(tài)位設(shè)置為滿以禁止數(shù)據(jù)寫入，直到F IFO中有部分數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸出去。當主機通過USB向外設(shè)傳輸數(shù)據(jù)時，設(shè)備將首先判斷芯片接收器的狀態(tài)位是否為滿以確定是否可以接收數(shù)據(jù)，然后外設(shè)從主機讀取數(shù)據(jù)直到接收器的狀態(tài)位為滿，表明已沒有可以讀取的數(shù)據(jù)。

　　3. 2　驅(qū)動程序設(shè)計

　　W indows系統(tǒng)下的USB驅(qū)動包括三層，從高到低依次是:USB客戶端設(shè)備驅(qū)動(USB Client DeviceDriver) 、USB總線驅(qū)動(USB Hub (Bus) Driver) 、主機控制器驅(qū)動(Host ControllerDriver)。后兩者由Windows系統(tǒng)提供，用戶只需要開發(fā)USB 客戶端設(shè)備驅(qū)動程序，F(xiàn)TD I公司提供了一個通用的驅(qū)動程序(General Purpose Driver) ，即FTD2XX. SYS。為了增強系統(tǒng)的通用性和可移植性，可以將設(shè)備驅(qū)動程序( FTD2XX. SYS)進行動態(tài)鏈接庫函數(shù)封裝，得到動態(tài)鏈接庫FTD2XX. DLL，從而可以通過動態(tài)鏈接庫直接訪問驅(qū)動程序。驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　實現(xiàn)動態(tài)鏈接庫對驅(qū)動程序的訪問，首先調(diào)用FTD I公司提供的接口函數(shù)FT_Open ( )打開設(shè)備并獲得驅(qū)動程序的句柄，然后調(diào)用FT_GetStatus ( )獲得設(shè)備接收數(shù)據(jù)的長度、傳輸數(shù)據(jù)的長度和設(shè)備的當前狀態(tài)，從而通過驅(qū)動程序得到設(shè)備輸出緩沖區(qū)的信息。進而調(diào)用函數(shù)FT_Read ( )和FT_W rite ( )實現(xiàn)對設(shè)備的讀寫。當應(yīng)用軟件退出時，用FT_Close ( )關(guān)閉設(shè)備。

圖2　驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)圖。

　　3. 3　軟件程序設(shè)計

　　在本系統(tǒng)中，應(yīng)用軟件主要由動態(tài)鏈接庫和應(yīng)用程序兩部分組成。動態(tài)鏈接庫負責與USB 設(shè)備驅(qū)動程序通信，響應(yīng)應(yīng)用程序的各種請求;應(yīng)用程序則以定時查詢的方式將采集數(shù)據(jù)讀入計算機事先開辟的大容量內(nèi)存緩沖區(qū)，同時從緩沖區(qū)讀出數(shù)據(jù)實時顯示，采集結(jié)束后再將內(nèi)存緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)存盤。

　　系統(tǒng)的應(yīng)用軟件用于探地雷達參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集和實時顯示。應(yīng)用程序主要包括參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)錄取兩大部分。參數(shù)設(shè)置部分主要完成對雷達設(shè)備的控制和雷達參數(shù)的設(shè)置，這部分的操作都集中在軟件的設(shè)置界面進行操作;數(shù)據(jù)錄取部分完成對雷達采集數(shù)據(jù)的實時顯示、存盤和數(shù)據(jù)回放，這部分的操作都集中在軟件的錄取界面進行操作，其框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　應(yīng)用軟件框架結(jié)構(gòu)圖

　　系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)后，硬件設(shè)備會將采集的數(shù)據(jù)源源不斷地傳回主機事先開辟的緩存內(nèi)，接著對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，進而檢測每一幀數(shù)據(jù)的幀頭，將檢測到的每一幀數(shù)據(jù)存放入另一塊緩存，進行數(shù)據(jù)修復(fù)，用于系統(tǒng)的實時顯示和存儲操作，并將事先開辟的緩存做清空處理，準備接收新的數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序流程圖如圖4所示。

圖4　應(yīng)用程序流程圖

　　4　實驗結(jié)果與分析

　　考慮到探地雷達工作的環(huán)境和使用的便利性，本系統(tǒng)的計算機采用帶觸摸屏的便攜式工控計算機，數(shù)據(jù)采集卡與工控機集成在一個機殼內(nèi)。通過綜合電纜與探地雷達發(fā)射、接收機連接后就組成了完整的探地雷達系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有小型化、便攜化、低功耗的特點。

　　為了驗證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能和可靠性，進行了如下實驗: 雷達系統(tǒng)對一個距離雷達天線為0. 9m、面積為0. 2m ×0. 3m 的金屬板目標進行探測。雷達天線正對目標平面，并平行于金屬板平面以1m / s的速度沿直線移動，對目標區(qū)域進行探測。

　　實驗參數(shù)設(shè)置:采樣點數(shù)為1024點，掃描速度為64 scan / s，濾波器截止頻率為50KHz，相對增益控制為0dB，波形平均次數(shù)為8次。實驗的參數(shù)設(shè)置界面如圖5所示。圖中顯示了一道A - scan波形。

圖5　實驗參數(shù)設(shè)置界面

　　通過設(shè)置界面修改增益曲線，濾波器截止頻率等參數(shù)，A - scan波形會發(fā)生相應(yīng)的變化。操作者要根據(jù)探測工作的具體情況，合理設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，以得到較好的探測結(jié)果。

　　設(shè)置完畢后，點擊“采集界面”將應(yīng)用軟件切換至數(shù)據(jù)采集錄取界面，系統(tǒng)開始采集并錄取數(shù)據(jù)，采集界面如圖6所示。

圖6　實驗數(shù)據(jù)采集結(jié)果

　　由圖6中右側(cè)的彩色堆積圖可以看出，在時間坐標為6. 5ns處的色帶即為回波的直耦波堆積圖，直耦波位置即可認為是天線位置。在時間坐標為9. 5ns處的圖像中部有一明顯的雙曲線波形，即由地下金屬板的回波形成的二維堆積圖。根據(jù)電磁波在空氣中的傳播速度為3 ×108m / s，可得出目標與天線的距離為( 0. 95ns - 6. 5ns) ×3 ×108m / s =0. 9m。圖6左側(cè)顯示出雷達經(jīng)過正對目標區(qū)域時采集的一維時域波形，在時間坐標相應(yīng)位置可以看到直耦波和目標回波。實驗結(jié)果驗證了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能的完整性。

　　在實驗采集數(shù)據(jù)的過程中，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可靠，且能實現(xiàn)實時顯示，這些都為探地雷達的后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作奠定了良好基礎(chǔ)。

　　通過實驗結(jié)果可以看出，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在應(yīng)用于探地雷達工作時，可以有效地完成對雷達模擬視頻信號的預(yù)處理和采集，并可實現(xiàn)雷達參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)的實時顯示和存儲工作，使探地實驗數(shù)據(jù)的獲取更加穩(wěn)定，可靠，直觀。另外，系統(tǒng)的小型化、便攜化、低功耗設(shè)計，使系統(tǒng)更加適用于外場實驗。所以，此系統(tǒng)完全適用于探地雷達的工程應(yīng)用。

　　5　結(jié)束語

　　實踐證明，使用FT245BM芯片開發(fā)USB 接口具有設(shè)計簡單、價格低廉、開發(fā)周期短的特點。再加上FTD I公司提供的驅(qū)動程序支持，從而使應(yīng)用軟件的可移植性大大提高。通過外場數(shù)據(jù)采集實驗表明，該系統(tǒng)完全滿足探地雷達對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能要求，能夠做到大容量高速連續(xù)采集且穩(wěn)定可靠，接收的數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)實時顯示，并真實地反映出探測區(qū)域的目標特性。