基于ARM的雷電三維電場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張自嘉，張麗萍，花曉蕾

(1．南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，江蘇南京 210044;2．南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京 210044)

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基于ARM的雷電三維電場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張自嘉1,2，張麗萍1，花曉蕾1

(1．南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，江蘇南京 210044;2．南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京 210044)

對(duì)雷電三維電場(chǎng)進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集與分析，可以為研究不同方向的雷電電場(chǎng)對(duì)電氣設(shè)備的影響以及研究不同地形對(duì)雷電結(jié)構(gòu)的影響提供重要參考。設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)纂娙S電場(chǎng)進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括傳感器模塊、信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)模塊、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)等。利用3個(gè)通道A/D實(shí)現(xiàn)了對(duì)3路電場(chǎng)信號(hào)的采樣，通過ARM11控制高速A/D轉(zhuǎn)換和FIFO的讀寫，并且利用QT和SQLite數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件，完成了對(duì)采集數(shù)據(jù)的管理。

ARM11(s3c6410)；三維電場(chǎng)；數(shù)據(jù)采集；QT；SQLite

0 引言

雷電是自然界的一種強(qiáng)烈的放電現(xiàn)象，隨著微電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用和微電子器件集成的不斷提高，雷電放電電流電磁輻射形成的雷電電磁脈沖對(duì)電子、電氣設(shè)備及系統(tǒng)造成的損傷越來越嚴(yán)重，因此包括雷電電磁脈沖在內(nèi)的電場(chǎng)測(cè)量問題受到了研究者們的關(guān)注。

目前許多電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)探測(cè)方向一般與傳感器主軸方向平行或垂直,實(shí)現(xiàn)地面矢量電場(chǎng)的1個(gè)或2個(gè)分量的探測(cè)。而雷電電場(chǎng)是以三維矢量形式存在的,只對(duì)矢量電場(chǎng)的1個(gè)或2個(gè)分量探測(cè)時(shí),探測(cè)到的電場(chǎng)值可能有較大的偏差，并且也無從分析不同分量的雷電電場(chǎng)對(duì)電氣設(shè)備的影響[1]。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般利用PC 機(jī)和各種數(shù)據(jù)采集卡或基于單片機(jī)和FPGA/CPLD 的方式。利用PC 機(jī)和各種數(shù)據(jù)采集卡需要工控機(jī)或PC 機(jī)，雖然使用方便，但體積、功耗都比較大，不便于現(xiàn)場(chǎng)特別是不同地形的野外環(huán)境使用；基于單片機(jī)和FPGA/CPLD 的數(shù)據(jù)采集在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸方面受到較大限制。近年來隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，具有單片機(jī)的小巧、低功耗優(yōu)點(diǎn)，但功能趨向PC 機(jī)CPU 的ARM微處理器，在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。基于ARM11的雷電三維電場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以S3C6410為硬件核心，利用3路通道對(duì)雷電三維電場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并且提供可視化的上位機(jī)操作界面，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析。本系統(tǒng)不僅可以對(duì)雷電三維電場(chǎng)的X、Y、Z方向的電場(chǎng)進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集，而且可以為研究不同地形環(huán)境對(duì)雷電結(jié)構(gòu)的影響提供有利的技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

該系統(tǒng)主要由測(cè)量天線、信號(hào)調(diào)理電路模塊、ADC采樣模塊、微處理器部分、顯示模塊和上位機(jī)軟件等部分組成。微處理器采用RISC 結(jié)構(gòu)的S3C6410，它基于ARM1176JZF-S內(nèi)核，外設(shè)齊全，接口標(biāo)準(zhǔn)且擴(kuò)展方便，最高主頻可達(dá)667 MHz，具有低功耗、高性能的優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)還包括GPS時(shí)鐘授時(shí)，準(zhǔn)確地記錄數(shù)據(jù)發(fā)生的時(shí)間。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

測(cè)量天線是利用3根金屬棒作為雷電三維電場(chǎng)的傳感器，金屬棒采用三維空間結(jié)構(gòu)，兩兩相互垂直。3根金屬棒分別對(duì)應(yīng)雷電電場(chǎng)的3個(gè)方向(X、Y、Z方向)，每一根金屬棒所測(cè)的是與其相對(duì)應(yīng)方向的電場(chǎng)值。把3個(gè)傳感器所采集到的信號(hào)分別通過3路調(diào)理電路進(jìn)行處理，通過ARM同時(shí)控制3路A/D轉(zhuǎn)換電路，3路高速采樣率的A/D把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，分別送入緩存器FIFO進(jìn)行緩存，ARM從FIFO 讀入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，把處理后的數(shù)據(jù)通過RS485通訊接口上傳至上位機(jī)，進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，USB接口也可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存，可進(jìn)行后續(xù)的處理。LCD顯示模塊作為人機(jī)交互的輸入輸出接口用于控制

和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析。

2 系統(tǒng)主要硬件及接口設(shè)計(jì)

2．1 信號(hào)調(diào)理電路與高速ADC接口電路的設(shè)計(jì)

當(dāng)有變化的電場(chǎng)時(shí)，在金屬棒上就會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的大小正比例于感應(yīng)電場(chǎng)的變化率，所以為了得到感應(yīng)電場(chǎng)的大小，首先通過1個(gè)積分電路對(duì)其進(jìn)行積分，并將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為可供ADC采集的電壓信號(hào)。因?yàn)楦袘?yīng)電流最小為pA級(jí)別的，且輸入帶寬要達(dá)到10 MHz以上，所以這里選擇AD8066運(yùn)算放大器，其輸入偏置電流為1 pA，帶寬為145 MHz，AD8066一款電壓反饋型雙路放大器，提供FET輸入，性能出色、易于使用，它采用專有XFCB工藝制造，工作噪聲極低，輸入阻抗非常高[3]。A/D轉(zhuǎn)換芯片使用AD9280，具有8 bit分辨率，系統(tǒng)使用20MSPS的采樣率。由于AD9280的輸入電壓范圍為0～2 V，所以通過運(yùn)放將-5～5 V的電壓輸入范圍轉(zhuǎn)換為0～2 V。信號(hào)調(diào)理電路與ADC接口電路原理圖如圖2所示。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路與ADC接口電路原理圖

圖2為雷電三維電場(chǎng)X方向的電場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的信號(hào)調(diào)理電路與ADC接口電路原理圖。雷電三維電場(chǎng)的Y方向與Z方向的電場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的信號(hào)調(diào)理電路與ADC接口電路基本一致，這里不再贅述。

2．2 高速ADC與ARM的接口設(shè)計(jì)

雷電發(fā)生時(shí)，傳感器分別接收到高速變化的電場(chǎng)信號(hào)，然后經(jīng)過前端調(diào)理電路的處理，把模擬信號(hào)送入高速A/D轉(zhuǎn)換器中。A/D轉(zhuǎn)換器采用8位單通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片AD9280。其采樣速率可以達(dá)到32MSPS,采用單電源供電，該芯片采用3．3 V供電，內(nèi)置1個(gè)片內(nèi)采樣保持放大器和基準(zhǔn)電壓源，它采用多級(jí)差分流水線架構(gòu)，數(shù)據(jù)速率達(dá)32 MSPS，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)保證無失碼。可以選擇各種輸入范圍和偏移，并可通過單端或差分方式驅(qū)動(dòng)輸入。本系統(tǒng)采用0～2 V單端輸入，并采用3片AD9280對(duì)雷電三維電場(chǎng)進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集。3片AD9280通過連接在ARM11上的觸發(fā)器的觸發(fā)信號(hào)開始同步工作，同時(shí)AD9280的數(shù)據(jù)總線與緩存器FIFO的數(shù)據(jù)總線以及ARM的數(shù)據(jù)端口連一起，通過這樣的連接方式ARM可以靈活地處理A/D轉(zhuǎn)換器的采樣輸出數(shù)據(jù)。由于本系統(tǒng)采用的是3片A/D轉(zhuǎn)換器，為了使3片A/D同時(shí)工作，提高系統(tǒng)的效率，因此采用3個(gè)FIFO來獨(dú)立地將3路A/D輸出進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。AD、FIFO與ARM的接口框圖如圖3所示。

圖3 ADC、FIFO與ARM的接口框圖

圖3中只畫出X方向的ADC 、FIFO與ARM的接口框圖，其他2個(gè)方向與X方向的接口框圖基本一致。本系統(tǒng)采用3片F(xiàn)IFO，這是因?yàn)樵贏RM高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，ARM往往不能適應(yīng)A/D芯片的工作速率，為了提高ARM的工作效率，避免數(shù)據(jù)的丟失和方便控制，用FIFO作為兩者之間的接口可以達(dá)到很好的效果。

AD9280 是8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其數(shù)據(jù)輸出為 8 bit，CY7C4275V是18 位FIFO，故可將FIFO輸入端的空腳接地，輸出端空腳懸空。S3C6410 的數(shù)據(jù)總線是32 位，因此CY7C4275V 和S3C6410只需接D0 ～D7。Y方向與Z方向的CY7C4275V分別與S3C6410接D0 ～D7。S3C6410 與FIFO 之間用總線方式連接。由于FIFO 先入先出的特殊結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中不需要任何地址線的參與,大大簡(jiǎn)化了電路。A/D 采樣所得數(shù)據(jù)要實(shí)時(shí)送入FIFO,因此3路FIFO的寫時(shí)鐘頻率必須一樣,這樣操作起來統(tǒng)一方便。將A/D 時(shí)鐘直接與FIFO 的WCLK 相連，可使FIFO同步將A/D 采樣數(shù)據(jù)寫入。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3．1 底層驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體上采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，主要包括主程序模塊、數(shù)據(jù)采集程序模塊、數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)模塊等。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。假定系統(tǒng)的采樣時(shí)間設(shè)定為1 s，ARM在讀取FIFO中的數(shù)據(jù)過程中，判斷有沒有到達(dá)采樣時(shí)間，如果沒有達(dá)到采樣時(shí)間就繼續(xù)采樣，讀取數(shù)據(jù)；如果達(dá)到設(shè)定的采樣時(shí)間就停止A/D轉(zhuǎn)換，則通過USB接口將數(shù)據(jù)存入U(xiǎn)盤中，或者通過串口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件進(jìn)行存儲(chǔ)、分析。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的主程序流程圖

ARM的底層驅(qū)動(dòng)采用RVDS2．2(RealView Development Suite)作為軟件開發(fā)平臺(tái)，它能夠支持所有的ARM處理器。在編譯時(shí)，內(nèi)核選擇ARM1176JZF-S，設(shè)置起始地址R0 Base為0x5000 0000，編寫系統(tǒng)啟動(dòng)引導(dǎo)程序，包括堆棧初始化、CPU初始化、調(diào)用_main()函數(shù)初始化C語言庫等。

3．2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

Qt是1991年開發(fā)的1個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架。它提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立藝術(shù)級(jí)的圖形用戶界面所需的所用功能[5]。本設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件正是用Qt開發(fā)，選用的集成開發(fā)環(huán)境是Qt Creator。上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)串口通信、雷電三維電場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示等功能，主要包括數(shù)據(jù)接收處理模塊、電場(chǎng)變化曲線顯示模塊等，其采用一款占用較少存儲(chǔ)空間、運(yùn)行速度較快的SQLite嵌入式數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析[6]。應(yīng)用程序啟動(dòng)后，設(shè)置串口通信的波特率為9 600 bit/s，數(shù)據(jù)位8位，采用偶校驗(yàn)，停止位1位，打開串口，數(shù)據(jù)接收處理模塊用來接收S3C6410串口傳來的3個(gè)方向(X、Y、Z)所測(cè)得的電場(chǎng)值，把采集的數(shù)據(jù)保存到SQLite數(shù)據(jù)庫中，并對(duì)電場(chǎng)值進(jìn)行處理并顯示出來。電場(chǎng)變化曲線模塊用來實(shí)時(shí)顯示雷電三維電場(chǎng)的3個(gè)方向測(cè)得的電場(chǎng)強(qiáng)度值的時(shí)間曲線圖。根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定。該系統(tǒng)的上位機(jī)界面顯示圖如圖5所示。

圖5 上位機(jī)界面顯示圖

4 結(jié)論

基于ARM11的雷電三維電場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雷電三維電場(chǎng)(X、Y、Z)3個(gè)方向電場(chǎng)信號(hào)同步采集，采用3路A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)3路信號(hào)調(diào)理電路的電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在20 M的采樣率設(shè)置下，對(duì)每次閃電連續(xù)采集1 s的電場(chǎng)變化數(shù)據(jù)。并且擁有人性化的上位機(jī)界面為后續(xù)數(shù)據(jù)研究和分析提供了方便。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可以對(duì)雷電產(chǎn)生時(shí)的瞬變電場(chǎng)進(jìn)行記錄和分析。

[1] 鄭鳳杰，白強(qiáng)，張星．空中三維電場(chǎng)傳感器及其標(biāo)定方法研究．維納電子技術(shù)，2007(7)：238-241．

[2] 張自嘉，顧雪梅．基于AD9248的雷電信號(hào)采集系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)．儀表技術(shù)與傳感器，2012(10)：61-64．

[3] 黃志文．基于S3C2410的LXI總線C類數(shù)據(jù)采集儀硬件設(shè)計(jì)．儀器儀表用戶，2008(5)：87-88．

[4] 林國慶，高曉蓉，王黎，等．用FIFO實(shí)現(xiàn)超聲測(cè)厚系統(tǒng)A/D 與ARM 接口設(shè)計(jì)．現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(8)：35-36．

[5] 王存建，張建正．嵌入式Linux下Qt/Embedded的應(yīng)用．計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2006,16(11):179-181．

[6] 行鴻彥，張鵬飛．大氣電場(chǎng)儀的改進(jìn)及其標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)：[學(xué)位論文]．南京:南京信息工程大學(xué),2011．

Design of Lightning Three-dimensional Electric Field Data AcquisitionSystem Based on ARM

ZHANG Zi-jia1,2,ZHANG Li-ping1,HUA Xiao-lei1

(1．Department of Information & Control,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China;2．Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China)

The synchronous data acquisition and analysis of lightning three-dimensional electric field can provide an important reference in studying the influence of different direction of lightning electric field on electric equipment and in researching the influence of different terrain on lightning structure．An analytic system which can acquire the data of three-dimensional electric field synchronously was designed．It included sensor module,signal acquisition module,data transmission and storage module and software in PC．Three electric field signals were sampled via a 3-channel digital analog converter．The high speed A/D conversion and reading and writing of FIFO were controlled through ARM11．The software in PC based on QT and SQLite database was designed to manage the acquired data．

ARM11(s3c6410);three-dimensional electric field;data acquisition;QT;SQLite

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61172029)

2014-02-17 收修改稿日期：2014-10-03

TP391

A

1002-1841(2015)03-0047-03

張自嘉(1964—)，教授，博士。主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代傳感器、嵌入式檢測(cè)技術(shù)等。E-mail：zhzijia@126．com 張麗萍(1989—)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)集成。E-mail：lipingzha@163．com