新型電磁輻射檢測系統設計*

張振佳，卓 力，張一鳴，余 飛，張玉濤

(1.北京工業大學電子信息與控制工程學院，北京100124;2.環境保護部核與輻射安全中心，北京100082)

0 引言

電磁輻射檢測儀作為一種常見的電子測量設備，在環境質量評估中起著重要的作用。現在市面上的電磁測量儀存在著測量范圍窄、測量內容不完善、功能單一、操作復雜等方面的不足，無法滿足電磁環境檢測領域里的需求，因此，設計一種新型電磁輻射檢測系統就顯得尤為必要［1，2］。

目前，電磁環境檢測領域中廣泛應用著“單人—單機—單站”這種新型檢測模式，它可以減少近50%的檢測時間，節約了檢測成本［3］。基于這種檢測思想，基于設計了一種新型電磁檢測系統，它具有頻帶超寬、精度高、功能多樣、智能性強等優點。本設計選用了現場可編程門陣列(FPGA)芯片作為底層控制核心，以滿足數據的實時性，同時在上位機中以虛擬儀器為平臺開發了一種具有自動測評功能的電磁輻射檢測軟件。

1 系統硬件設計

本文設計的電磁輻射檢測系統以高精度電磁傳感探頭為基礎，后續輔以調理電路進行邏輯控制，最后在嵌入式主機中完成數據分析和頻譜顯示。系統的總體設計如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖Fig 1 Block diagram of system overall design

系統可分為硬件、軟件兩大部分。硬件部分主要完成空間電磁信號的采集和處理，是系統的底層架構;軟件部分完成數據的分析和顯示，實現系統的邏輯控制功能。用戶應用程序由上位機發送設備啟動命令，底層設備返回響應信號決定是否開始執行檢測。當系統開啟后，系統將自動識別設備并且加載驅動程序，用戶配置好的操作指令將通過光纖從主機自動傳送到底層FPGA單元內部FIFO中，指令解析程序將解析后的16字節控制字寫入電磁傳感器、程控濾波器等底層設備，根據不同的操作模式底層設備會返回相應的測量數據。上位機可以根據用戶的操作實現電場與磁場、時域與頻域以及不同頻段的轉換，同時實現輔助功能的開啟與關閉［4］。

1.1 信號調理電路設計

信號調理電路如圖2所示。電磁傳感器接收到的空間中微小的電磁信號將通過放大濾波電路、模/數轉換電路轉換為可供后續處理電路參考的數字信號。為了覆蓋測量所需的頻率范圍，保證后續信號處理的準確性，本設計選用德國Narda公司生產的一種電磁場探頭EP645—50D，此探頭測量頻率為5 Hz～6 GHz，在此區間內幅頻特性平坦，返回值穩定可靠，可以滿足本文設計的需求。

圖2 信號調理電路示意圖Fig 2 Diagram of signal conditioning circuit

由于傳感器返回信號極其微弱，同時噪聲幅度也很小，為了盡量多地保存信息，先對信號進行放大。這里選用寬頻帶高速運放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聯雙運放的連接方式，放大倍數可達40 dB，同時具有9 GHz帶寬。傳感器內部為三維磁通門結構，所測量的電磁輻射強度用被測頻段截止頻率二次諧波的幅值表示。后續電路要根據不同的測量模式選擇對應的截止頻率。后續濾波電路選用MAX267，這是一種頻率特性可變的程控開關電容濾波器。本文設計中使用50 MHz晶振，通過設置F［4..0］，濾波器中心頻率可在100 kHz-1 MHz之間調整，通過設置Q［6..0］，可使濾波器取得不同的分辨能力。根據不同的測量模式，本地信號分別進行中心頻率為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則可能增大轉換誤差。為減小誤差，在信號輸出端進行有效處理，這里采用AD637芯片，保證有效值誤差小于0.1%。將信號有效值送入雙12位高速轉換芯片AD7862，該芯片采用高速并行接口，轉換時間4μs。本地A/D轉換由后續的FPGA單元控制。

1.2 邏輯控制與數傳設計

本文設計中FPGA單元主要完成底層電路的邏輯控制與采集數據的打包傳送。本文選用 Altera公司的EP2C8Q208C8作為系統底層電路的控制核心，其內部包含8256個邏輯單元，2個鎖相環單元，提供了208個可用管腳，能滿足本設計的需求。FPGA單元首先從FIFO中讀出上位機下發的操作模式指令，通過解析后得到16字節設備控制字，將控制字分別寫入傳感器和程控濾波器。邏輯控制的寫入時序如圖3所示。在10 ms延時之后，FPGA單元使能A/D轉換電路，同時開始進行數據采集并寫入FIFO;每采集430個字節，即1幀頻譜數據，向上位機進行1次打包發送。數據的打包傳送時序如圖4所示。FPGA與上位機之間的通信基于RS—232總線，波特率為38400 bps。

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

圖4 模式控制數據打包時序Fig 4 Timing of mode controlling and data packaging

2 系統軟件設計

本文設計了一種新型的電磁輻射自動檢測軟件，該軟件可依據用戶需求建立配套的測量方案，實現對測量任務的自動實施和結果評價，同時建立了與用戶、設備相關的數據庫，實現統一管理［5，6］。軟件主要功能如圖5所示。

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

本系統采用LabVIEW編寫，作為NI公司推出的一種功能強大的虛擬儀器開發平臺，其圖形化的編程語言有著很強的實用性和技術性，在系統監控和數據采集分析領域得到了一致認可［7］。系統的主要控制流程如圖6所示。

圖6 上位機系統工作流程圖Fig 6 Work flow chart of upper PC system

為了方便用戶不同類型的操作，本系統的檢測界面主要分成了5個區域:設備選擇區、模式切換區、窗口設置區、功能調用區、波形顯示區。

本系統調用了Microsoft公司的Access工具，建立了本地數據庫，同時通過互聯網與遠端服務器實現數據交互與共享［8］。

3 實驗結果

為了驗證系統的可靠性，本文在電磁屏蔽環境下對系統進行了測試實驗。測試方法采用RIGOL公司的DG2041信號發生器聯合R＆S公司的SMR20信號發生器產生能覆蓋系統測量范圍的頻率，同時逐步增強電磁場強度，測試結果如表1、表2所示。

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

由表1、表2可知，本系統可覆蓋頻帶為5 Hz～6 GHz，測量精度達0.1%，誤差小于0.3%。本系統可以顯示時域測量結果，也能顯示當前電磁環境的頻譜。圖7～圖10分別為工頻時域、工頻頻域、射頻時域、射頻頻域模式下的測量結果。

圖7 工頻時域檢測結果Fig 7 Result of power-F time domain detection

圖8 工頻頻域檢測結果Fig 8 Result of power-F frequency domain detection

圖9 射頻時域檢測結果Fig 9 Result of RF time domain detection

圖10 射頻頻域檢測結果Fig 10 Result of RF frequency domain detection

從圖7～圖10可以看出:時域模式下可以清楚地觀察到電磁場強度隨時間的變化情況;而頻域模式下可以準確測量出該環境下的頻譜信息和高強度頻點。

4 結論

本系統針對我國電磁環境檢測設備急需，設計研制了一種寬頻帶、多功能的自動化電磁檢測設備。整個系統性能指標超眾，測量頻率覆蓋5 Hz～6 GHz，且功能多樣化，能夠實現GPS定位、溫濕度檢測、環境信息發布共享等功能。本設備尺寸為300mm×215mm×150mm，重量為3.5kg，一人即可攜帶，續航能力可達到8 h以上，完全滿足“單人—單機—單站”的檢測模式。系統可同步實現電磁質量評判，在排查異常電磁環境時有著極快的反應速度，為電磁污染的檢測提供了一種新型設備，其應用前景相當可觀。

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