一种甚低频信号接收系统

技术领域

本发明涉及信息技术领域，具体来讲涉及的是一种甚低频信号接收系统。

背景技术

非开挖铺管技术是指利用各种岩土钻掘的设备和技术手段，在地表不开挖沟槽的条件下，铺设、更换各种地下管线的施工技术。它与传统的挖槽铺管的施工方法相比，具有不影响交通、环保，施工时间短、成本低、应用广泛等许多特点。非开挖施工法中应用较广的为水平导向钻进法，它可根据预先设计好的铺管线路驱动装有契形钻头的钻杆从地面钻入，并用非开挖导向仪导向，引导地下钻头进行定向钻进来实施非开挖铺设地下管线的目的。在非开挖导向钻进中，关键技术是应用高精度非开挖导向仪系统对钻孔轨迹进行控制，而高精度非开挖导向仪系统又是整个钻进机械设备的核心。所以解决非开挖导向仪系统的技术问题对我国大量推广使用现代非开挖铺管技术将带来深远的意义。

非开挖导向仪系统主要由地面跟踪接收导向器、地下探测导向发射探头和钻机同步显示器三部分组成，工作时置于地下钻头内的探测导向发射探头将钻头所处的位置和工况姿态参数，通过有线或着无线形式将信息传送给地面跟踪接收导向器，由其显示屏显示出来。非开挖钻机钻进轨迹跟踪系统的主要功能是将工作在地下的钻机运动状态信息传送给地上工作人员，以便控制其行进轨迹。针对采用有线通信还是无线通信市场存在两种方案，本专利提案采用无线形式。

由于跟踪接收导向器一方面必须接收地下探测导向发射探头发来的地下导向钻头的无线电信号，显示出详细的信息资料，另一方面还必须面对各种复杂的电磁干扰，因此对整个跟踪接收导向器的发明设计要求很高。在电路方面必须接收灵敏度高、选择性好、品质因素优、抗温漂、抗干扰、抗震动、耗能低及显示清晰度高、响应速度快、适合全天候工作。这其中最重要的就是如何在复杂环境下，将我们需要接收的甚低频(3-30kHz)无电电波信号还原出来。

发明内容

因此，为了解决上述不足，本发明在此提供一种甚低频信号接收系统，可以有效抑制50hz(或60hz)工频信号干扰、高频信号干扰。

本发明是这样实现的，构造一种甚低频信号接收系统，其特征在于；

该系统的组成有接收电路、放大电路、带通滤波电路I、可编程放大电路、带通滤波电路II、ADC采样电路、FPGA信号处理电路、MCU处理模块、显示器；

其中，接收电路、放大电路、带通滤波电路I、可编程放大电路、带通滤波电路II、ADC采样电路、FPGA信号处理电路、MCU处理模块、显示器依次连接，

经接收电路接收到的信号依次经过放大电路、带通滤波电路I、可编程放大电路、带通滤波电路II、ADC采样电路后传入FPGA信号处理电路进行通信信号的数字解调，无线电波幅值信息的提取，之后再将通信数据以及幅值信息传递到MCU处理部件。

根据本发明所述一种甚低频信号接收系统，其特征在于；接收电路为谐振天线。

根据本发明所述一种甚低频信号接收系统，其特征在于；放大电路处在本接收电路的第一级，对天线接收到的信号进行直接放大，满足后级的需求。这里的电路结构如图2，直接对差分信号进行放大并转化为对于参考低电平的信号。

根据本发明所述一种甚低频信号接收系统，其特征在于；带通滤波电路I和带通滤波电路II本质上是一样的拓扑，仅仅是所处的位置不同；在构成上，该带通滤波电路由两级Sallen-Key滤波器滤波电路串联而成；以图3为例，R8，R9，R10，C1，C2，C3以及运放构成低通滤波电路，R11，R12，R13，C4，C5，C6以及运放构成了高通滤波电路，两者串联形成了带通滤波电路。相比较与常规的多反馈有源滤波电路，Sallen-Key滤波电路输入阻抗高，在带通范围内增益为零，运放工作在电压跟随模式。该电路结构简单，通带增益、极点角频率和品质因数的表达式简洁，而且品质因数调节方便，可调范围大。

根据本发明所述一种甚低频信号接收系统，其特征在于；可编程放大电路用于在不同的信号强度下修改放大电路增益，满足后侧ADC采样的需求。可编程放大器的增益控制由MCU模块来进行控制；可编程放大电路的输出信号连接至带通滤波器II的输入信号；

带通滤波器II对于可编程放大器的信号进行再一次滤波，输出经过限幅之后再连接到ADC转换电路。

根据本发明所述一种甚低频信号接收系统，其特征在于；ADC采样电路负责将带通滤波器II的输出信号进行模数转换，转换结果通过串行数字通信发送到FPGA模块当中。

根据本发明所述一种甚低频信号接收系统，其特征在于；FPGA处理部分负责完成两部分内容，一是通信数据的解调，根据ADC采样结果解调出原始的通信数据，而是求得无线信号的幅度，进而确定发射信号的探棒处理底下的具体深度。

根据本发明所述一种甚低频信号接收系统，其特征在于；MCU处理模块负责对信息处理，将探棒发送的信息，探棒的深度信息(工作时，探棒一般位于底下，发射的电波传至地面强度会有衰减，通过检测这个信号强度即可推算探棒位处底下的深度情况)换算成实际物理量发送到显示进行显示。

本发明具有如下优点：本发明在此提供一种甚低频信号接收系统；其1，通讯数据的解调采用数字方案，借助于FPGA得到串行通信数据。其2，提出了一种带通滤波电路处理方案，可以有效抑制50hz(或60hz)工频信号干扰、高频信号干扰。其3，两级放大电路，在近距离以及远距离接收探棒信号时，均可满足较好的接收效果。其4，提供了一种可编程放大器的工作逻辑，及时调整放大器的增益。

附图说明

图1是无线信号处理电路框图；

图2是FPGA部分的框图；

图3差分放大电路图；

图4带通滤波电路I示意图；

图5带通滤波电路II示意图；

图6低通滤波电路示意图；

图7可编程放大电路示意图；

图8可编程放大电路工作流程图；

图9带通滤波电路III(可替代电路)。

具体实施方式

下面将结合附图1-图9对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明通过改进在此提供一种甚低频信号接收系统，按照如下方式予以实施；如图1，为系统通讯天线信号的接收电路。天线接收到的信号依次经过放大电路、带通滤波电路I、可编程放大电路、带通滤波电路II、ADC采样电路后传入FPGA模块进行通信信号的数字解调，无线电波幅值信息的提取等，之后再将通信数据以及幅值信息传递到MCU处理部件。

接收电路一般是谐振天线，由电感电容等器件构成一个网络，最终输出一对差分信号。这部分不是本专利的重点，只需要获取其提供的信号即可。两个端子为V

如图2所示，如下FPGA部分的框图；其中，ADC通信模块用于从ADC中接受各个通道的采样数据，经放大倍数选择模块选择合适通道的数据送往FIR低通滤波器，滤波后的数据经信号幅值检测和信号极性检测模块后，生成特定格式的信号采集信息，送往UART TX1模块输出至MCU；各个通道的数据经ASK解调模块后，经UART RX模块得到通信数据，经校验后选择一路最佳通道的通信数据，送往UART TX2模块输出至MCU。

如图3；放大电路处在本接收电路的第一级，对天线接收到的信号进行直接放大，满足后级的需求。这里的电路结构如图3，直接对差分信号进行放大并转化为对于参考低电平的信号。

如图4-图5；带通滤波电路I和带通滤波电路II本质上是一样的拓扑，仅仅是所处的位置不同。在构成上，该带通滤波电路又两级Sallen-Key滤波器滤波电路串联而成。以图3为例，R8，R9，R10，C1，C2，C3以及运放构成低通滤波电路，R11，R12，R13，C4，C5，C6以及运放构成了高通滤波电路，两者串联形成了带通滤波电路。相比较与常规的多反馈有源滤波电路，Sallen-Key滤波电路输入阻抗高，在带通范围内增益为零，运放工作在电压跟随模式。该电路结构简单，通带增益、极点角频率和品质因数的表达式简洁，而且品质因数调节方便，可调范围大。

如图7，可编程放大电路用于在不同的信号强度下修改放大电路增益，满足后侧ADC采样的需求。可编程放大器的增益控制由MCU模块来进行控制。可编程放大电路的输出信号连接至带通滤波器II的输入信号。

带通滤波器II对于可编程放大器的信号进行再一次滤波，输出经过限幅之后再连接到ADC转换电路。

ADC采样电路负责将带通滤波器II的输出信号进行模数转换，转换结果通过串行数字通信发送到FPGA模块当中。

FPGA处理部分负责完成两部分内容，一是通信数据的解调，根据ADC采样结果解调出原始的通信数据，而是求得无线信号的幅度，进而确定发射信号的探棒处理底下的具体深度。

MCU处理模块负责对信息处理，将探棒发送的信息，探棒的深度信息(工作时，探棒一般位于底下，发射的电波传至地面强度会有衰减，通过检测这个信号强度即可推算探棒位处底下的深度情况)换算成实际物理量发送到显示进行显示。

低通滤波电路的参数计算方法如下：

1)计算图6电路的传递函数：

在归一化条件下，式中：

A＝C

B＝2C

C＝C

C

2)选取滤波器的形式(本方案选取三阶巴特沃斯滤波器)，并对比系数：

对比上式子和T(s)表达式，可得

A＝1

B＝2

C＝2

由此求得电容参数的归一化数值。

3)确定系统的基准频率，标准阻抗，换算出滤波器的实际物理参数。

确定标准阻抗Z,基准频率f

R

高通滤波电路与此类似，首先将电路中的电容替换为电阻，电阻替换为电容，并且归一化的数值按照以下公式一一对应完成替换：

对于带通滤波电路，两级Sallen-Key滤波器的串联顺序可以进行调整。如图8带通滤波电路III所示。

本发明具有如下特点：

其1，通讯数据的解调采用数字方案，借助于FPGA得到串行通信数据。

其2，提出了一种带通滤波电路处理方案，可以有效抑制50hz(或60hz)工频信号干扰、高频信号干扰。

其3，两级放大电路，在近距离以及远距离接收探棒信号时，均可满足较好的接收效果。

其4，提供了一种可编程放大器的工作逻辑，及时调整放大器的增益。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。