小型脉冲电场磁场一体化测量装置

摘要

本发明公开了一种小型脉冲电场磁场一体化测量装置，包括高性能混合信号处理单片机采集系统、电场天线、高阻差分放大电路、小环磁场天线、积分电路和六面体金属屏蔽壳；电场信号由单片机的ADC0模块采集；磁场信号由单片机的ADC1模块采集；所有电路均封装在六面体金属屏蔽壳内。通过设置单片机芯片的ADC0GT和ADC0LT寄存器启用模数转换模块ADC0的窗口检测功能实现预触发，并结合DMA循环存储数据实现对随机到来的全脉冲波形采集。采集系统通过CAN高速传输接口与外界交换数据。在同一测点，一次测量能同时测量到脉冲电场波形和脉冲磁场波形。本装置成本低，工作效率高，抗干扰能力强。

权利要求

1.一种脉冲电场磁场一体化测量装置，包括混合信号处理单片机采集系统、电场天线、高阻差分放大电路、小环磁场天线、积分电路和六面体金属屏蔽壳；其特征在于，所述的电场天线为2块圆形平板天线，安装在金属屏蔽壳的一对侧面上，构成差分结构，并通过金属杆与屏蔽壳内的高阻差分放大电路连接，高阻差分放大路的输出接混合信号处理单片机采集系统的模数采集模块ADC0；所述的小环磁场天线由一匝环形导线构成，导线外套金属屏蔽管，金属屏蔽管中段处横向断开一小缝隙，小环磁场天线输出通过SMA接头与金属屏蔽壳内的积分电路连接，积分电路的输出接混合信号处理单片机采集系统的模数采集模块ADC1；所有电路均封装在六面体金属屏蔽壳内。

2.根据权利要求1所述的脉冲电场磁场一体化测量装置，其特征在于，一次测量可同步获得同一地点的脉冲电场和脉冲磁场波形。

3.根据权利要求1所述的脉冲电场磁场一体化测量装置，其特征在于，所述的混合信号处理单片机采集系统，包括混合信号处理单片机芯片、复位电路、LED指示灯、石英晶振电路、SD存储卡、SRAM静态存储器、CAN高速传输接口；混合信号处理单片机能实时采集脉冲电场磁场信号到SRAM静态存储器，并将非实时数据存到SD存储卡中。

4.根据权利要求1所述的脉冲电场磁场一体化测量装置，其特征在于，所述的混合信号处理单片机采集系统，通过CAN高速传输接口与外界交换数据。

5.根据权利要求1所述的脉冲电场磁场一体化测量装置，其特征在于，通过设置混合信号处理单片机的上限阈值和下限阈值寄存器启用模数转换模块ADC0的窗口检测功能实现数据采集预触发，并结合直接内存访问（DMA）循环存储数据实现对随机到来的全脉冲波形采集。

6.根据权利要求5所述的脉冲电场磁场一体化测量装置，其特征在于，所述的数据采集预触发包括下列步骤：（1）启用混合信号处理单片机模数转换模块可编程窗口检测功能和相应中断功能；

（2）根据脉冲电磁场及其测量电路的噪声电平，设置模数转换模块上限阈值寄存器和下限阈值寄存器，使上限阈值略大于正噪声电平，下限阈值略小于负噪声电平；

（3）启用混合信号处理单片机模数转换模块DMA功能，并设为循环继续写入模式；

（4）启动模数转换；

（5）被测场强达到上限/下限阈值电平时，进入中断服务程序，记下当前采集数据存放的地址，同时设置触发后的数据采集长度；

（6）模数转换模块采完触发后的数据长度就停止采集，根据所记下触发时存放的地址和直接内存访问循环存放数据的规律，重排测到的脉冲电磁场数据，并将其转存到SD卡中，然后再次进行循环采集，等待下一次脉冲电磁场信号触发。

说明书

小型脉冲电场磁场一体化测量装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种小型脉冲电场磁场测量装置，特别是一种用于瞬态脉冲电磁场干扰环境中同步测量脉冲电场和脉冲磁场的一体化数字化测量装置。

背景技术

[0002] 在很多环境中存在瞬态电磁脉冲干扰，如工厂中电器开关动作、变电站电力电子器件动作、自然界的雷电放电过程等。为评估这些脉冲电磁干扰危害，需要对它们进行测量，获取它们的时域特性和频域特性，比如脉冲峰值、脉冲上升时间、脉冲的半高宽、频谱分布等。此外，复杂大系统中小空间内电磁脉冲的测量是困扰电磁脉冲抗扰度测试的一个重要方面，主要原因包括：小空间内测试亟需体积小、扰动小的微型化传感器；复杂系统测试点多，传感器要求成本低，便于多点布设；测试系统自身应具有抵抗环境电磁干扰的能力。传统的测量方法主要是用脉冲场传感器将脉冲电场、磁场转变成电信号，然后用电缆传输至数字采集存储装置。为避免电磁干扰环境中电缆传输受到的电磁干扰，人们采用光纤来传输测量到的脉冲电磁场信号。不管是电缆传输还是光纤传输信号，在多点分布式测量中都不方便，需要多台数字采集存储装置，以及大量布设线缆，而且采集存储装置必须放到电磁屏蔽室或屏蔽柜中防止脉冲电磁场对其干扰。况且传统的脉冲电场和脉冲磁场测量传感器是分开的，不能做到两种物理量在同一点一体化同步测量，就不能得到同一时刻的脉冲电场和脉冲磁场的关系。在一次大型脉冲电磁环境测量中，传统测量方法往往要耗费大量人力和物力。

发明内容

[0003] 针对传统的脉冲电场脉冲磁场测量中所存在的问题和不足，本发明的目的是设计一种小型一体化、抗电磁干扰能力强的数字化脉冲电磁场测量装置，一次测量可同步获得同一点的脉冲电场和脉冲磁场波形，省去传输线缆和数字记录存储设备。

[0004] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0005] 在一个微小的六面体小型金属屏蔽壳内装高性能单片机采集系统，其外1相对侧面装2片圆形平板电场天线，顶面装小环磁场天线。侧面上的这对平板电场天线构成差分结构，将该侧面方向上的电场信号转换成差分的电压信号，通过金属杆输入到金属屏蔽壳内高阻输入的差分放大电路，抵消共模干扰。差分放大电路的输出接高性能混合信号处理单片机的16位高速模数转换ADC0的输入端。小环磁场天线由一匝环形导线构成，导线外套金属屏蔽管对电场进行屏蔽，金属屏蔽管中段处横向断开一小缝隙使内部的导线能对磁场产生感应。磁场天线通过SMA接头输入到金属壳内的积分电路，将磁场天线对磁场感应到的微分电压信号进行积分还原。积分电路的输出接高性能混合信号处理单片机的16位高速模数转换ADC1的输入端。

[0006] 脉冲电场和脉冲磁场的采集、存储和传输由高性能混合信号处理单片机系统实现。高性能混合信号处理单片机系统包括内置的2路16位高速模数转换模块ADC0与ADC1，外扩的电源电路、晶振电路、SRAM存储器、SD卡、复位电路、高速CAN传输端口等。整个金属屏蔽壳内的电路系统由可充电的锂电池供电。模数转换模块ADC0与ADC1分别采集脉冲电场信号和脉冲磁场信号，晶振电路为单片机系统提供稳定的时钟，SRAM存储器存储采集的实时数据，SD卡存储以往采集的数据（非实时数据），复位电路为单片机提供上电复位，高速CAN传输端口将系统采集的数据高速向外传输。SRAM存储器通过高性能混合信号处理单片机的并口与其连接，SD卡存储通过高性能混合信号处理单片机的SPI口与其连接，高速CAN传输端口通过高性能混合信号处理单片机的CAN口与其连接。

[0007] 被测的脉冲电场和脉冲磁场是瞬态的脉冲信号，要捕捉到完整的瞬态脉冲波形要求采集系统具有预触发功能，即采集系统能够采集信号达到触发电平之前波形，而且对正脉冲和负脉冲都能实现预触发功能。本发明实现脉冲电磁场预触发数据采集功能的方法如下：

[0008] 1、启用高性能混合信号处理芯片模数转换模块可编程窗口检测功能和相应中断功能；

[0009] 2、根据脉冲电磁场及其测量电路的噪声电平，设置模数转换模块上限阈值寄存器和下限阈值寄存器，使上限阈值略大于正噪声电平，下限阈值略小于负噪声电平；

[0010] 3、启用高性能混合信号处理芯片模数转换模块直接内存访问（DMA）功能，并设为循环继续写入模式；

[0011] 4、启动模数转换；

[0012] 5、被测场强达到上限/下限阈值电平时，进入中断服务程序，记下当前采集数据存放的地址，同时设置触发后的数据采集长度；

[0013] 6、模数转换模块采完触发后的数据长度就停止采集，根据所记下触发时的存放地址以及直接内存访问循环存放数据的规律，重排测到的脉冲电磁场数据，并将其转存到SD卡中，再进行循环采集，等待下一次脉冲电磁场信号触发。

[0014] 本发明与现有技术相比，其显著优点是：

[0015] 1、脉冲电磁场采集装置集成度高，电磁场传感器、调理电路、采集存储电路等集成在一起，体积小、成本低、使用方便。

[0016] 2、集成了脉冲电场和脉冲磁场测量电路，在同一点可同步获得脉冲电场和脉冲磁场两种波形。

[0017] 3、高度集成并数字化，电路封装在微小的6面体金属屏蔽壳内，测量时与外界无任何连接电缆，大大提高了抗电磁干扰的能力，对被测电磁场扰动也小。

[0018] 4、使用的高性能混合信号处理单片机内部的2个16位高速模数转换器，数据采集精度高，速度快，最快可达1Msps。

[0019] 5、综合运用可编程窗口检测功能和DMA功能，实现数据采集的预触发功能，得到脉冲电场和脉冲磁场的全波形。

[0020] 6、使用高性能混合信号处理芯片的DMA高速数据存储功能，将采集的高速数据实时存到SRAM中。

[0021] 7、用高性能混合信号处理芯片的SPI口访问SD卡，实现了海量数据的存储。

[0022] 8、用高性能混合信号处理芯片的CAN口与外界交换数据，与传统串口相比它既快又可靠，与USB口相比它既经济又实用。

附图说明

[0023] 图1是本发明的小型脉冲电场磁场一体化测量装置示意图。

[0024] 图2是本发明的电场传感器及其差分放大输入部分的等效电路图。

[0025] 图3是本发明的磁场传感器及其积分放大输入部分的等效电路图；图4是本发明的以C8051F060单片机为核心的数据采集系统示意图。

具体实施方式

[0026] 以下结合附图，详细说明本发明的实施方式。

[0027] 如图1所示，圆形平板电场天线1和圆形平板电场天线3构成一对构成差分结构电场传感器，安装在六面体的金属屏蔽壳9的两个相对侧面上，将电场信号转换成差分的电压信号，通过金属杆输入到金属屏蔽壳9内的高阻输入的差分放大电路2，差分放大电路2的输出接C8051F060单片机6的16位高速模数转换ADC0的输入端。

[0028] 如图1所示，在六面体的金属屏蔽壳9顶面上装有小环磁场天线4。小环磁场天线4由一匝环形导线构成，导线外套金属屏蔽管对电场进行屏蔽，金属屏蔽管中段处横向断开一小缝隙使内部的导线能对磁场产生感应。小环磁场天线4通过SMA接头输入到金属壳内9的积分放大电路5，将小环磁场天线4对磁场感应到的微分电压信号进行积分还原。积分放大电路5的输出接C8051F060单片机6的16位高速模数转换ADC1的输入端。

[0029] 如图1所示，C8051F060单片机6通过高速CAN传输端口8与外界交换数据。

[0030] 如图1所示，整个测量装置的供电由锂电池7供电。

[0031] 如图2所示，被测的电场信号E极化方向垂直于平板电场天线时，天线感应的电荷Q为：

[0032]     （1）

[0033] 式（1）中ε空气的介电常数，近似地取8.85×10-12F/m，A为两片电场天线的总面积。

[0034] 如图2所示，Ci为天线的等效电容；RE为图1中的差分放大电路等效输入电阻；VE为电场天线输入到差分放大电路的电压。当RE足够大，VE与被测电场E成正比，如式（2）：

[0035]     （2）

[0036] 如图3所示，e为磁场天线感应的电压，与被测的磁场B的微分成正比，当被测磁场垂直于磁场天线时有e = -SdB/dt；S磁场天线环路面积；La为磁场天线的等效电感；Rp为图1中积分放大电路5的输入匹配电阻；Rc为图1中积分放大电路5的积分电阻；Cc为图1中积分放大电路5的积分电容；RL为图1中积分放大电路5的输入电阻，应为高阻，足够大；VL为e被积分后得到的电压。假设被测脉冲磁场信号的最高频率为ω，当满足：Rp》ωLa和ωRcCc 》1时，VL与被测磁场B成正比，如式（3）：

[0037]      （3）

[0038] 如图4所示，脉冲电场和脉冲磁场的采集、存储和传输由以C8051F060单片机为核心的数据采集系统实现。数据采集系统包括C8051F060芯片10、复位电路11、LED指示灯12、石英晶振电路14、SD存储卡15、IDT71V124SA实现的SRAM静态存储器16、SN65HVD230实现的CAN高速传输驱动接口8，以及3.3V稳压电路13，整个系统都封装在金属屏蔽壳9中。C8051F060芯片10内部集成了的2个16位高速模数转换模块ADC0与ADC1，CAN模块，以及SPI模块等。C8051F060芯片10的模数转换模块ADC0与ADC1分别与图1中的2和5连接，采集脉冲电场信号和脉冲磁场信号。复位电路11与 C8051F060芯片10的/RST脚连接，为单片机提供上电复位。LED指示灯12与C8051F060芯片10的P1.6连接，用于指示1次数据采集触发条件产生。石英晶振电路14与C8051F060芯片10的XTAL接口连接，为单片机系统提供稳定的时钟，频率为22.1184 MHz。SD存储卡15与C8051F060芯片10的SPI口连接，用于存储以往采集的数据（非实时数据）。SRAM存储器16与C8051F060芯片10的P5、P6和P7三个接口连接，用于存储采集的实时数据。高速传输驱动接口8与C8051F060芯片10的CAN模块连接，可将系统采集的数据高速向外传输，比传统的串口传输速度快又可靠，比USB口传输成本低又简单。整个数字系统由3.3V稳压电路13提供稳定的电源。

[0039] 被测脉冲电场和脉冲磁场是瞬态的脉冲信号，要捕捉到完整脉冲波形要求采集系统具有预触发功能，即采集系统能够采集信号达到触发电平之前的小段波形，而且能对正脉冲和负脉冲都可以触发。C8051F060的模数转换模块ADC0具有可编程窗口检测功能，通过设置C8051F060的ADC0GT寄存器和ADC0LT寄存器实现预触发功能。C8051F060采集的信号通过其DMA功能直接将数据循环存到SRAM中，当采集的正脉冲信号大于ADC0GT寄存器值或者负脉冲小于ADC0LT寄存器值时，C8051F060的AD0WINT中断标志产生，通过中断服务程序记下当前的数据存储位置，并且继续采集触发后的脉冲波形。在这触发位置之前采到的数据为预触发数据，与后续采集的一段数据构成完整的脉冲波形。模数转换模块采完触发后的数据长度就停止采集，根据所记下的触发时存放的地址以及直接内存访问循环存放数据的规律，重排测到的脉冲场数据，并将其转存到SD卡中，然后再次进行循环采集，等待下一次脉冲场信号触发。实现脉冲电磁场预触发数据采集功能方法详细描述如下：

[0040] 1、启用C8051F060模数转换模块可编程窗口检测功能和相应中断功能；

[0041] 2、根据脉冲电磁场及其测量电路的噪声电平，设置ADC0GT和ADC0LT，使ADC0GT略大于正噪声电平，ADC0LT略小于负噪声电平；

[0042] 3、启用C8051F060模数转换模块DMA功能，并设为循环继续写入模式；

[0043] 4、启动模数转换；

[0044] 5、被测场强达到上限/下限阈值电平时，进入中断服务程序，记下当前采集数据存放的地址，同时设置触发后的数据采集长度；

[0045] 6、模数转换模块采完触发后的数据长度就停止采集，根据所记下触发时存放的地址和直接内存访问循环存放数据的规律，重排测到的脉冲电磁场数据，并将其转存到SD卡中，再进行循环采集，等待下一次脉冲电磁场信号触发。

[0046] 因为C8051F060的能访问的数据空间为64k Bytes，也即32k Words。对于16位的数据，可分别存16k 脉冲电场数据和16k 脉冲磁场数据。可设置触发前的采集数据长度为2k，触发后的集数据长度为14k。当C8051F060根据预设的窗口触发条件产生窗口中断后，将P1.6口置为高电平，使LED指示灯12亮，同时再连续采集14k脉冲电场数据和14k 脉冲磁场数据，就停止采集，并将SRAM中的数据转存到SD存储卡中。当本次触发采集到的数据完全转存到SD存储卡后，将P1.6口置为低电平，使LED指示灯12灭，等待下一次脉冲触发采集。

[0047] 以上所述仅是本发明的一种优选的实施方式。对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形（如换用其他微处理器芯片），这些改进和变形也应视为本发明的保护内容。