实验题目：基于 SOPC 的便携式水下目标探测演示系统设计

1. 实验内容与任务（限 500 字）

1）以背景磁场为测量对象，以磁通门磁力仪为传感器，设计基于 SOPC 的便携式水下目标探测演示系统。

2）以充电宝为便携式电源，通过DC-DC转换电路，设计+13V等直流供电电路模块。

3）分析磁通门传感器输出数据特征，选择相应模数转换芯片，设计面向磁通门传感器数据采集的信号调理电路和模数转换电路。

4）以 FPGA 为模数转换控制器件，设计基于 verilog 的模数转换控制逻辑和基于 FIFO 的采样数据缓存逻辑。

5）以 TFT 液晶显示屏为显示模块，以 NiosII 为显示控制软核，设计基于 SOPC 的背景磁场信息显示模块，并通过预设检测门限对背景磁场异常进行报警，实现对水下目标探测系统的功能演示。

2. 实验过程及要求（限 300 字）

1）学习了解基于磁检测的水下目标探测基本原理，了解磁通门传感器的使用方法。

2） 学习 DC-DC 转换原理，查阅相关芯片和电路，设计基于 5V 充电宝供电的便携式 $\underline { { + } } 1 3 \mathrm { { V } }$ 等供电模块。

3）利用+13V 直流电压驱动磁通门传感器，通过示波器观察传感器输出信号，以记录实测电压信号的方式记录测试位置背景磁场强度。数据记录方式如表 1。

注： X：背景磁场水平向东方向分量；Y: 背景磁场水平向南方向分量；

Z：背景磁场垂直向下方向分量；

4）根据传感器输出信号特征，查阅相关模数转换芯片技术手册并确定AD芯片型号，设计传感器数据采集电路（提示：根据传感器数据范围和 AD 芯片输入测量范围设计基于运放的前端信号调理电路；根据 AD 模块供电要求和 FPGA 主板接口分配设计 AD 模块和 FPGA 主板的接口电路）。

5）在前期 QuartusII 软件使用和工程设计培训的基础上，设计基于 verilog 的模数转换控制逻辑，并通过FPGA内置FIFO对采样数据进行缓存。

6）回顾基于 NiosII 软核的 SOPC 系统设计方法，学习 TFT 液晶显示模块使用方法，在深入分析 TFT 液晶模块相关接口函数的基础上，完成基于 SOPC 的 TFT 显示驱动逻辑和程序设计。

7）将磁通门传感器、模拟电路、片上数字逻辑电路、NiosII 软核程序进行联合调试，设计基于SOPC的水下目标探测演示系统，并预设目标预警门限参数。

8）搭建简易演示环境，将铁磁性目标在磁通门传感器下方通过，模拟航空反潜，观察演示效果，并根据演示效果进行程序相关参数修正。

9）记录测试数据，撰写设计总结报告，学习交流本项目对学员电子技术综合实践能力培养的心得体会以及改进意见。

3. 相关知识及背景（限 150 字）

这是一个综合运用电工理论（磁场检测）、模拟电子技术、可编程数字逻辑（verilog设计）、片上可编程系统（SOPC）解决军事工程实际问题的典型案例，需要运用磁场分析、传感器及检测技术、信号调理、模数转换、FIFO缓存、SOPC设计等相关知识与技术方法。并涉及测试精度分析、检测门限设置等工程概念与方法。

4. 教学目的（限 100 字）

通过紧贴部队的工程案例，引导学生了解部队反潜手段和磁传感器知识，通过根据需求选择元器件、电路设计制作、可编程逻辑设计和片上系统构建与调试，以及测试环境构建及测试数据分析，提升学生电子技术综合实践能力。

5. 实验教学与指导

本实验是一个锻炼学生综合运用电子技术解决部队实际问题的工程实践项目，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、联合调试、测试分析、设计修正、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1）了解部队航空反潜基本方法和磁传感器分类，学习磁通门传感器基本使用方法和注意事项。
2）课堂搭建简易测试环境，结合示波器和直流稳压电源，为学生演示磁通门传感器检测铁磁性目标的探测效果，强化学生对磁传感器的感性认识。
3）通过课堂演示，引导学生分析磁通门传感器输出数据的基本特征，为后续模数采样模块的电路设计提供数据依据。
4）分析磁通门传感器的供电要求，讲解 DC-DC转换电路基本原理，简要介绍常用转换芯片型号，要求学生自主查阅相关芯片资料，设计和制作磁通门传感器供电模块。
5）介绍模数转换电路设计注意事项，讲解运放在模数转换前端电路中的应用，引导学生根据待测信号特征选取AD芯片型号，并根据FPGA开发板引脚接口，设计和制作模数转换模块。
6）复习基于 Verilog 的可编程数字逻辑设计和基于 QuartusII 的片上 FIFO 调用方法，引导学生设计AD采样控制和缓存逻辑电路。
7）讲解 TFT 显示模块使用方法，分析 TFT 接口和控制函数，引导学生设计基于 NiosII 软核的TFT控制逻辑。
8）综合分析系统各模块信号传递关系，引导学生构建 SOPC 系统，并进行软硬件联合调试，控制AD采样模块进行数据采样，并将数据显示在TFT屏幕上。
9）在联合调试完成后，将系统水平固定在木质平台上（桌面即可），将铁磁性测试目标（如体积较大的铁扳手）在木质平台下方穿过，观察系统测试数据变化情况，分析并设置报警门限电压（如，在烟台市区实测地心方向传感器输出电压为 4.22V，当下方有铁磁性目标出现时，电压变为4.88V，则报警门限电压可设为4.3V-4.7V，具体数值根据待测目标类型而定）。
10）在项目完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。在设计中，要注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数
要求；在调试中，要注意分析实验室环境对对测试结果的影响，电路工作的稳定性与可靠性等。

6. 实验原理及方案

1） 系统结构

图1 系统结构图

2） 实现方案

图2 实现方案多样性选择框图

首先，对于磁通门传感器输出的三个方向的电压信号进行信号调理，调理电路的设计方案受后端模数转换芯片的选型影响，可供选择的方案包括：幅度衰减、幅度放大、电压跟随、阻抗匹配。比如模数转换芯片如果选择 AD9288，则传感器信号经过信号调理电路后幅度应该控制在 $1 \mathrm { V p p }$ 范围内；再如，模数转换芯片选择 TLC549，则传感器信号经信号调理电路后幅度应控制在 $5 \mathrm { V p p }$ 范围内。

其次，模数转换电路部分应根据待测信号的特征以及学生前期的工程基础进行选择；比如，；对于传感器Y 方向输出的电压可能为负，则应该考虑测试范围涵盖负电压范围的AD芯片；再如，学生能够熟练应用verilog语言设计状态机程序，则应优先考虑串行模数转换器件，简化线路连接。

在 TFT 液晶显示模块方面，学生根据教员提供的模块电路图、接口协议以及接口函数文件（c语言），基础较弱的学生可以通过 FPGA 内置 NiosII 软核，通过 c 语言直接调用接口函数控制 TFT显示，也可以自行设计基于 verilog的TFT 显示控制逻辑生成 IP 核，实现对TFT 的控制。

在电源转换模块设计方面，需要设计各模块工作电源供电电路，如磁通门传感器的 $\pm 1 3 \mathrm { V }$ 、液晶显示模块的 $+ 5 \mathrm { V } _ { \cdot } + 3 . 3 \mathrm { V }$ ，以及信号调理电路和模数转换电路模块的相关供电电压（一般为+10V、 $+ 5 \mathrm { V }$ 、$+ 3 . 3 \mathrm { V }$ ）。其中 FPGA 核心板自带 5V 转 3.3V、5V 转 2.5V、5V 转 1.2V 电路，无需学生设计。XL6009、LM2621、XC9119D10A 是常用的 DC-DC 升压芯片，AIC1084、AMS1117 系列型号是常用的 DC-DC降压/稳压芯片，学生可根据其使用说明搭建需要的DC-DC 电路。

报警门限设置模块主要为了实现手动输入报警门限电压，可通过按键直接输入数字量，也可通过电位器输入模拟量，经AD 转换后输入SOPC系统。

7. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1）实验需求分析：包括项目设置背景、测试对象分析、显示数据构成等。
2）实现方案论证：包括总体方案论证和相关模块方案论证。
3）理论推导计算：包括信号调理电路相关参数计算、AD 采样速率以及片上缓存空间容量计算等。
4） 电路设计与参数选择：包括DC-DC模块元器件选型与外围元件参数选择、AD模块电路设计、信号调理电路设计与参数选择等。
5） 电路测试方法：包括 DC-DC 模块电压测试、信号调理电路效果测试、AD 模块采样准确性测试、TFT显示程序测试、门限设置电路功能测试等。
6） 实验数据记录：主要包括上述电路测试过程中的数据记录。
7） 数据处理分析：主要包括对实验记录数据的分析，以及对所测磁场强度常量与异常变量的分析，确定报警门限电平设置。
8）实验结果总结：总结项目完成情况，分析收获和不足，并提出对项目设置的改进意见。

8. 考核要求与方法（限 300 字）

1）实物验收：功能与性能指标的完成程度（如磁场强度测量精度、门限设置准确度），完成时间。

2） 实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。

3）自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。

4）实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。

5）实验数据：测试数据和探测效果。

6）实验报告：实验报告的规范性与完整性。

9. 项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

近两年，军队院校广泛开展“向打仗聚焦、向部队靠拢”教学改革活动，本实践项目能够将较为枯燥和零散的电子技术知识和装备科研结合、和军事热点问题结合，通过背景介绍调动学生兴趣，涵盖方案比较与选择、原理图绘制、电路制作、FPGA设计、软硬件联调等多个环节，既锻炼学生综合运用电子技术知识解决军事工程问题，又培养学生自学能力、工程素养、合作意识。

实验案例信息表