基于FPGA數(shù)字式大氣電場儀的設計

李中富

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基于FPGA數(shù)字式大氣電場儀的設計

李中富

（統(tǒng)一企業(yè)（中國）投資有限公司 昆明統(tǒng)一企業(yè)食品有限公司，云南 昆明 650000）

傳統(tǒng)的大氣電場儀具有結構復雜、體積大、測量精度低的缺點。設計了一種基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）的新型數(shù)字大氣電場儀器。詳細給出了電場儀器的設計結構和實現(xiàn)方法，并制作了實驗原理的原型。實驗測試結果表明，電場儀表性能良好，具有重要的應用價值和推廣意義。

大氣電場儀；FPGA；數(shù)字信號處理；雷電預警

大氣電場儀器是測量大氣電場參數(shù)的氣象裝置，可以長時間連續(xù)測量大氣電場，完整記錄大氣電場的變化，實現(xiàn)潛在雷電危害的監(jiān)測和預警[1]，在雷電監(jiān)測與預警中具有不可替代的作用[2]。傳統(tǒng)大氣電場儀存在體積巨大、結構復雜、功耗高、測量精度低等缺點，因此研究高精度、低功耗、智能化的大氣電場儀是十分有必要的。

基于以上原因，本文研究了一種基于FPGA的數(shù)字大氣電場儀，其優(yōu)點是測量精度高、數(shù)字化程度高、體積小、功耗低、安裝與使用維護簡單。其不僅能滿足在雷電預警系統(tǒng)中對大氣電場的測量要求，而且在雷暴的形成分析、晴天大氣電場測量、環(huán)境質量監(jiān)測、天氣現(xiàn)象的識別和直流電場的測量中也具有良好的應用前景。

1 設計架構

本文設計的是基于FPGA的新型數(shù)字電場儀表。數(shù)字大氣電場儀表主要由傳感器探頭、模擬信號處理電路、數(shù)字信號處理電路組成。

傳感器探頭采用差動結構，兩組定子A和B交替放置在同一平面上。在兩組定子上將產(chǎn)生相等幅度和相反方向的感應電流。感應電流分別由I/V放大電路，信號調理電路進一步處理I/V放大輸出信號，A/D采集單元對前級信號進行高速A/D采樣，F(xiàn)PGA利用A/D采集單元的數(shù)字信號精確測量大氣電場的強度，監(jiān)測電場的極性，并通過通信接口將其傳輸?shù)街鳈C。

2 硬件設計

2.1 復位電路設計

復位電路對于FPGA的正常工作至關重要，異常的復位電路將會使數(shù)字系統(tǒng)進入亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，本文采用異步復位和同步釋放的方法來保證數(shù)字系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。通過例化systemreset模塊后，得到數(shù)字電路，之后可通過Quartus軟件中的RTL Viewer工具進行查看。

2.2 A/D采集控制單元

ADS8317的基本時序如圖1所示，從圖1可以看出，A/D采集電路的一個完整的采樣過程包括了采樣（sample）、轉換（conversion）和掉電（power down）過程；在進入sample采樣之前，ADS8317的CS端必須保持為高電平不變，此時數(shù)據(jù)輸出端DOUT為HIZ高阻態(tài)，指示系統(tǒng)此時可以開始A/D采集；當CS端子從高電平變?yōu)榈碗娖綍r，ADS8317進入采樣相位，ADS8317在內部執(zhí)行采樣和保持輸入信號。在5個DCLOCK輸入時鐘信號之后，進入conversion狀態(tài)，即ADS8317完成量化編碼并開始輸出，BIT數(shù)據(jù)流在DCLOCK的上升沿時刻從DOUT端依次輸出，最高位MSB（B15）在前，16個DCLOCK時鐘之后，最低位LSB（B0）輸出完成，此時必須將CS端重新置為高電平，以便ADS8317順利進入powerdown階段，DOUT則再次恢復為HIZ高阻狀態(tài)，至少在3個CLOCK時鐘周期以后，CS端可以被置為低電平，ADS8317便可開始新一輪的采樣。

在FPGA中，利用有限狀態(tài)機FSM完成ADS8317的狀態(tài)轉換，如圖2所示。

2.3 電場極性檢測單元設計

電場信號不僅有大小，也有極性。為了檢測電場信號的極性，唐海等學者針對傳統(tǒng)相敏檢測電路的不足，結合大氣電場儀器探頭的結構特點，提出了一種由光電開關、運算放大器OP07和模擬開關MC14066組成的新型相敏檢測電路，實現(xiàn)了對電場信號極性的有效識別。但是，在實際應用中，需要不斷調整光電開關的安裝位置，以獲得最佳的相位檢測效果。

楊子路等在相敏檢測電路中增加了全通濾波器電路，以便補償光電開關安裝位置產(chǎn)生的相位差，該方法提高了相敏檢測電路的準確性，但實際應用時也需要不斷進行手動調節(jié)，以便獲得全通濾波器的中心頻率。

本文設計的數(shù)字相敏檢測電路采用A/D采集信號DATA[15∶0]，同步信號CLKREF和D觸發(fā)器執(zhí)行FPGA內部電場的極性檢測。表示為電場儀對正電場環(huán)境的測量，調節(jié)同步小葉片的位置，使得在CLKREF的上升沿與AD采集波形的峰值相對應，令FPGA采集的DATA[15∶0]的大小為ADUP，則可以通過判斷ADUP的正負值，來確定電場的極性，此時在REFUP處的ADUP值為正值；與之相反，當電場儀處在負電場環(huán)境下時，則ADUP的值必為負值，因此，在CLKREF的時段中，可以通過ADUP值的正或負判斷來判斷電場信號的極性。

圖1 ADS8317時序圖

圖2 FPGA采集到的信號（正電場）

3 軟件設計

本文軟件部分主要針對Nios-II嵌入式單元，軟件部分包括了計算場強值大小、極性、雷電預警等級以及與上位機的通信等。根據(jù)需求，數(shù)字式大氣電場儀向上位機發(fā)送電機轉速、時間、電場和預警等級等信息。系統(tǒng)初始化后，首先檢測電機的轉速是否正常，如果電機轉速異常，則表示電場儀存在某種故障，此時，故障信息（發(fā)生時間和電機速度）被發(fā)送到主機，以提醒維護人員檢查。

Nios-II通過Avalon數(shù)據(jù)總線讀取到數(shù)字電路中的電場幅度值和電場極性信號，經(jīng)計算可以得到當前的電場數(shù)據(jù)（電場強度和極性），在1 s內對這些值求和并取均值，得到的數(shù)據(jù)為秒電場數(shù)據(jù)，對1 min以內的秒電場數(shù)據(jù)進行排序、求均值等操作，得到分鐘電場數(shù)據(jù)（分鐘最小值、分鐘均值和分鐘最大值）、雷電預警等級，將分鐘電場數(shù)據(jù)和雷電預警等級輸出到上位機。

4 試驗研究

對于數(shù)字式大氣電場儀的測試，主要在標定裝置中進行電場儀標定，驗證電場儀的性能是否達到設計需求。利用Quartus中的Signal-tapII，可以得到如圖2所示的信號波形，該波形是在正電場環(huán)境下采集得到的。

中間圖像信號是A/ D轉換單元輸出波形，包括同步信號、峰值信號和從頂部到底部的極性電場信號。從圖2可以看出，A/D采集波形平滑無失真，通過極性檢測和峰值測量單元可以判斷電場的極性并測量峰值。

5 結束語

大氣電場儀在雷電監(jiān)測與預警中具有不可替代的作用，而傳統(tǒng)大氣電場儀存在體積巨大、結構復雜、功耗高和測量精度低等缺點，因此，研究高精度、低功耗、智能的大氣電場儀器是非常必要的?；趪鴥韧獯髿怆妶鰞x器的研究現(xiàn)狀，本文設計了一種基于FPGA的數(shù)字大氣電場儀表。數(shù)字電路組成信號處理電路的核心，與傳統(tǒng)大氣電場儀相比，產(chǎn)品具有電路結構簡單、數(shù)字化程度高、測量精度高等優(yōu)點，提高雷電預警成功率對進一步完善中國雷電預警系統(tǒng)具有重要意義。

［1］羅福山，何渝暉，張健，等.新型倒裝式旋轉電場儀［J］.空間科學學報，2004，24（6）：470-474.

［2］孟青，呂偉濤，姚雯，等.場面電場資料在雷電預警技術中的應用［J］.氣象，2005，31（9）：30-33.

TP212

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.136

2095－6835（2018）22－0136－02

〔編輯：嚴麗琴〕