新型電磁輻射檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張振佳，卓 力，張一鳴，余 飛，張玉濤

(1.北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京100124;2.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京100082)

0 引言

電磁輻射檢測(cè)儀作為一種常見(jiàn)的電子測(cè)量設(shè)備，在環(huán)境質(zhì)量評(píng)估中起著重要的作用。現(xiàn)在市面上的電磁測(cè)量?jī)x存在著測(cè)量范圍窄、測(cè)量?jī)?nèi)容不完善、功能單一、操作復(fù)雜等方面的不足，無(wú)法滿足電磁環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域里的需求，因此，設(shè)計(jì)一種新型電磁輻射檢測(cè)系統(tǒng)就顯得尤為必要［1，2］。

目前，電磁環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用著“單人—單機(jī)—單站”這種新型檢測(cè)模式，它可以減少近50%的檢測(cè)時(shí)間，節(jié)約了檢測(cè)成本［3］。基于這種檢測(cè)思想，基于設(shè)計(jì)了一種新型電磁檢測(cè)系統(tǒng)，它具有頻帶超寬、精度高、功能多樣、智能性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)選用了現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)芯片作為底層控制核心，以滿足數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)在上位機(jī)中以虛擬儀器為平臺(tái)開(kāi)發(fā)了一種具有自動(dòng)測(cè)評(píng)功能的電磁輻射檢測(cè)軟件。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的電磁輻射檢測(cè)系統(tǒng)以高精度電磁傳感探頭為基礎(chǔ)，后續(xù)輔以調(diào)理電路進(jìn)行邏輯控制，最后在嵌入式主機(jī)中完成數(shù)據(jù)分析和頻譜顯示。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig 1 Block diagram of system overall design

系統(tǒng)可分為硬件、軟件兩大部分。硬件部分主要完成空間電磁信號(hào)的采集和處理，是系統(tǒng)的底層架構(gòu);軟件部分完成數(shù)據(jù)的分析和顯示，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯控制功能。用戶應(yīng)用程序由上位機(jī)發(fā)送設(shè)備啟動(dòng)命令，底層設(shè)備返回響應(yīng)信號(hào)決定是否開(kāi)始執(zhí)行檢測(cè)。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)啟后，系統(tǒng)將自動(dòng)識(shí)別設(shè)備并且加載驅(qū)動(dòng)程序，用戶配置好的操作指令將通過(guò)光纖從主機(jī)自動(dòng)傳送到底層FPGA單元內(nèi)部FIFO中，指令解析程序?qū)⒔馕龊蟮?6字節(jié)控制字寫入電磁傳感器、程控濾波器等底層設(shè)備，根據(jù)不同的操作模式底層設(shè)備會(huì)返回相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)。上位機(jī)可以根據(jù)用戶的操作實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)與磁場(chǎng)、時(shí)域與頻域以及不同頻段的轉(zhuǎn)換，同時(shí)實(shí)現(xiàn)輔助功能的開(kāi)啟與關(guān)閉［4］。

1.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。電磁傳感器接收到的空間中微小的電磁信號(hào)將通過(guò)放大濾波電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為可供后續(xù)處理電路參考的數(shù)字信號(hào)。為了覆蓋測(cè)量所需的頻率范圍，保證后續(xù)信號(hào)處理的準(zhǔn)確性，本設(shè)計(jì)選用德國(guó)Narda公司生產(chǎn)的一種電磁場(chǎng)探頭EP645—50D，此探頭測(cè)量頻率為5 Hz～6 GHz，在此區(qū)間內(nèi)幅頻特性平坦，返回值穩(wěn)定可靠，可以滿足本文設(shè)計(jì)的需求。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路示意圖Fig 2 Diagram of signal conditioning circuit

由于傳感器返回信號(hào)極其微弱，同時(shí)噪聲幅度也很小，為了盡量多地保存信息，先對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。這里選用寬頻帶高速運(yùn)放ADA4895—2，本地輸入電壓范圍低于1 mV，帶寬6 GHz，故采用高增益寬頻帶級(jí)聯(lián)雙運(yùn)放的連接方式，放大倍數(shù)可達(dá)40 dB，同時(shí)具有9 GHz帶寬。傳感器內(nèi)部為三維磁通門結(jié)構(gòu)，所測(cè)量的電磁輻射強(qiáng)度用被測(cè)頻段截止頻率二次諧波的幅值表示。后續(xù)電路要根據(jù)不同的測(cè)量模式選擇對(duì)應(yīng)的截止頻率。后續(xù)濾波電路選用MAX267，這是一種頻率特性可變的程控開(kāi)關(guān)電容濾波器。本文設(shè)計(jì)中使用50 MHz晶振，通過(guò)設(shè)置F［4..0］，濾波器中心頻率可在100 kHz-1 MHz之間調(diào)整，通過(guò)設(shè)置Q［6..0］，可使濾波器取得不同的分辨能力。根據(jù)不同的測(cè)量模式，本地信號(hào)分別進(jìn)行中心頻率為100，500 kHz，1MHz的濾波。由于濾波器輸出混雜有交流成分，若直接送入AD則可能增大轉(zhuǎn)換誤差。為減小誤差，在信號(hào)輸出端進(jìn)行有效處理，這里采用AD637芯片，保證有效值誤差小于0.1%。將信號(hào)有效值送入雙12位高速轉(zhuǎn)換芯片AD7862，該芯片采用高速并行接口，轉(zhuǎn)換時(shí)間4μs。本地A/D轉(zhuǎn)換由后續(xù)的FPGA單元控制。

1.2 邏輯控制與數(shù)傳設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)中FPGA單元主要完成底層電路的邏輯控制與采集數(shù)據(jù)的打包傳送。本文選用 Altera公司的EP2C8Q208C8作為系統(tǒng)底層電路的控制核心，其內(nèi)部包含8256個(gè)邏輯單元，2個(gè)鎖相環(huán)單元，提供了208個(gè)可用管腳，能滿足本設(shè)計(jì)的需求。FPGA單元首先從FIFO中讀出上位機(jī)下發(fā)的操作模式指令，通過(guò)解析后得到16字節(jié)設(shè)備控制字，將控制字分別寫入傳感器和程控濾波器。邏輯控制的寫入時(shí)序如圖3所示。在10 ms延時(shí)之后，F(xiàn)PGA單元使能A/D轉(zhuǎn)換電路，同時(shí)開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并寫入FIFO;每采集430個(gè)字節(jié)，即1幀頻譜數(shù)據(jù)，向上位機(jī)進(jìn)行1次打包發(fā)送。數(shù)據(jù)的打包傳送時(shí)序如圖4所示。FPGA與上位機(jī)之間的通信基于RS—232總線，波特率為38400 bps。

圖3 指令接收與控制字寫入時(shí)序Fig 3 Timing of command receiving and controlling word written

圖4 模式控制數(shù)據(jù)打包時(shí)序Fig 4 Timing of mode controlling and data packaging

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種新型的電磁輻射自動(dòng)檢測(cè)軟件，該軟件可依據(jù)用戶需求建立配套的測(cè)量方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量任務(wù)的自動(dòng)實(shí)施和結(jié)果評(píng)價(jià)，同時(shí)建立了與用戶、設(shè)備相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理［5，6］。軟件主要功能如圖5所示。

圖5 電磁檢測(cè)軟件主要功能一覽Fig 5 Main functions of eletromagnetic detection software

本系統(tǒng)采用LabVIEW編寫，作為NI公司推出的一種功能強(qiáng)大的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其圖形化的編程語(yǔ)言有著很強(qiáng)的實(shí)用性和技術(shù)性，在系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集分析領(lǐng)域得到了一致認(rèn)可［7］。系統(tǒng)的主要控制流程如圖6所示。

圖6 上位機(jī)系統(tǒng)工作流程圖Fig 6 Work flow chart of upper PC system

為了方便用戶不同類型的操作，本系統(tǒng)的檢測(cè)界面主要分成了5個(gè)區(qū)域:設(shè)備選擇區(qū)、模式切換區(qū)、窗口設(shè)置區(qū)、功能調(diào)用區(qū)、波形顯示區(qū)。

本系統(tǒng)調(diào)用了Microsoft公司的Access工具，建立了本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與遠(yuǎn)端服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與共享［8］。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，本文在電磁屏蔽環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。測(cè)試方法采用RIGOL公司的DG2041信號(hào)發(fā)生器聯(lián)合R＆S公司的SMR20信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生能覆蓋系統(tǒng)測(cè)量范圍的頻率，同時(shí)逐步增強(qiáng)電磁場(chǎng)強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果如表1、表2所示。

表1 頻率變化與強(qiáng)度固定(電場(chǎng):5V/m;磁場(chǎng):100nT)情況下的測(cè)試結(jié)果Tab 1 Test result while frequency change and strength are fixed in a certain value

由表1、表2可知，本系統(tǒng)可覆蓋頻帶為5 Hz～6 GHz，測(cè)量精度達(dá)0.1%，誤差小于0.3%。本系統(tǒng)可以顯示時(shí)域測(cè)量結(jié)果，也能顯示當(dāng)前電磁環(huán)境的頻譜。圖7～圖10分別為工頻時(shí)域、工頻頻域、射頻時(shí)域、射頻頻域模式下的測(cè)量結(jié)果。

圖7 工頻時(shí)域檢測(cè)結(jié)果Fig 7 Result of power-F time domain detection

圖8 工頻頻域檢測(cè)結(jié)果Fig 8 Result of power-F frequency domain detection

圖9 射頻時(shí)域檢測(cè)結(jié)果Fig 9 Result of RF time domain detection

圖10 射頻頻域檢測(cè)結(jié)果Fig 10 Result of RF frequency domain detection

從圖7～圖10可以看出:時(shí)域模式下可以清楚地觀察到電磁場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化情況;而頻域模式下可以準(zhǔn)確測(cè)量出該環(huán)境下的頻譜信息和高強(qiáng)度頻點(diǎn)。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)針對(duì)我國(guó)電磁環(huán)境檢測(cè)設(shè)備急需，設(shè)計(jì)研制了一種寬頻帶、多功能的自動(dòng)化電磁檢測(cè)設(shè)備。整個(gè)系統(tǒng)性能指標(biāo)超眾，測(cè)量頻率覆蓋5 Hz～6 GHz，且功能多樣化，能夠?qū)崿F(xiàn)GPS定位、溫濕度檢測(cè)、環(huán)境信息發(fā)布共享等功能。本設(shè)備尺寸為300mm×215mm×150mm，重量為3.5kg，一人即可攜帶，續(xù)航能力可達(dá)到8 h以上，完全滿足“單人—單機(jī)—單站”的檢測(cè)模式。系統(tǒng)可同步實(shí)現(xiàn)電磁質(zhì)量評(píng)判，在排查異常電磁環(huán)境時(shí)有著極快的反應(yīng)速度，為電磁污染的檢測(cè)提供了一種新型設(shè)備，其應(yīng)用前景相當(dāng)可觀。

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