一种野战便携式电磁计量检定仪的研制

江玉柱，张伟，井赛，尹晓峰，张谷敏，张科

济南军区联勤部药品仪器检验所，山东 济南 250022

一种野战便携式电磁计量检定仪的研制

江玉柱，张伟，井赛，尹晓峰，张谷敏，张科

济南军区联勤部药品仪器检验所，山东 济南 250022

本文通过分析电磁辐射的数学建模，阐述了一种便携式电磁计量检定仪的硬件设计、电路设计以及软件设计过程。该检定仪主要由天线、传感器、滤波网络、控制单元等构成，适用于野战条件下的电磁辐射现场检测，可快速、准确地实现不同频段的电磁辐射剂量的检测。

电磁辐射；电磁计量检定仪；单片机；模数转换

在以复杂电磁环境为背景的军事斗争准备中，要特别重视电磁辐射带来的危害[1]。电磁辐射信号含有大量信息，一旦泄露将带来巨大的安全隐患；同时过量的电磁辐射会对作业人员的生理机能造成不利影响。为了增强军事信息的安全性，有效评估电磁屏蔽设施的屏蔽效果，评价电磁辐射生物学效应对官兵健康的影响，进行辐射剂量的检测十分必要[2]。我国已制定了电磁辐射检测的相关标准，如《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》（GJB151A/152A-1997）和《电磁辐射暴露限值和测量方法》（GJB5313-2004）等，对电磁辐射的测量提出了明确要求。

笔者研制了一款便携式、适用于野战环境的电磁计量检定仪，可用于野战作业环境下电磁辐射生物效应的检测[3]，也可用于强电磁辐射设备伪装效能的检测以及屏蔽设施的漏磁检测，以评估或判别战场电磁辐射环境，为相关部门提供电磁辐射的指导性数据[4-5]。

1 电磁辐射数学建模分析

剂量学中广泛采用比吸收率（Specific Absorption Rate， SAR）来度量电磁辐射在生物单位组织中所感应的电场，定量描述由于热耗散引起的能量损失。它被定义为每单位质量组织所吸收的能量，单位为W/kg。通过确定发射端和接收端之间人体组织所有单位质量上的平均SAR，就可以计算出所有的能量损失。利用有损耗介质的Maxwell关于电场和磁场的方程可以得到介质分别在近场和远场的平均SAR。人体组织的能量吸收是近场能量吸收（PNF）和远场能量吸收（PFF）之和[6]。辐射天线在人体组织中的场域示意图，见图1。

图1 辐射天线在人体组织中的场域示意图

设有损耗介质的电导率为σ（S/m），介电常数为ε（F/m），磁导率为μ（H/m），复传播常数为γ，则其在频率ω处的固有阻抗为：

其中：γ=α+jβ，α和β分别为衰减常数和相位常数。距离发射源R处的磁场强度和电场强度分别为：

因此得到辐射源外的任意点的电场和磁场的表达式，近场内的有耗损介质的比吸收率SAR为：

积分计算出近场内全部人体组织上的电磁能量吸收PNF，此时距离R的积分区间为从天线的表面（R=r，r作为天线材料的传导性的半径）到近场的边界（R=d0）。

其中：

同理，可计算得到远场人体组织上的电磁能量吸收PFF为：L

电磁能量人体组织里传播时，近场能量吸收和远场能量吸收之和为生物组织吸收的总体能量Ptiss，即：

根据军用标准，人体受电磁辐射的限值适用频率范围为100 kHz～3 GHz。职业辐射值的定义为在每天8 h工作期间内，电磁辐射场参数在任意连续6 min内的平均值。国军标职业辐射限值，见表1。

表1 国军标职业辐射限值

根据军队相关标准，结合战场环境，通过数学建模进行科学分析和推导计算，为后续的硬件电路设计、软件程序编写提供了坚实的理论依据和明确的技术要求。

2 硬件及电路设计

硬件部分主要包括：天线、信号调谐电路、传感器、滤波网络、放大器、模数转换器、键盘控制部分、单片机控制单元、液晶显示和报警部分等。电磁计量检定仪硬件部分采用模块化设计，硬件设计框图，见图2。

硬件部分工作原理：天线接收电磁辐射信号，调谐电路将接受的信号按照用户选择的波段传输至传感器；探头传感器将电磁波转变为模拟电子信号，通过滤波、放大后进行模数（A/D）转换；将模数转换后得到的数字信号输入单片机进行处理。通过对所得数据进行计算，得出电磁辐射功率密度值，并将其显示在液晶模块上，实现测量数据的存储和显示。当测量值超过所选频段对应的军队职业照射标准限值时，仪器声光报警模块发出声光报警。为了保证各波段的检测效果，我们对滤波模块进行了重点设计。其中，在检定仪操作面板上，使用了可选择3个波段的档位；在内部电路上，设计了与档位相匹配的调谐电路，以此来检测各个波段的电磁辐射剂量。

图2 电磁计量检定仪硬件设计框图

2.1 探头

探头包含天线和传感器。天线接收的电磁波信号由传感器转换为电信号。探头的优劣对设备的电磁辐射信号接收性能有很大影响，性能质量取决于探头的电气参数[7]。该检定仪采用意大利PMM公司EP330探头，适用于100 kHz～3 GHz 频率范围，频带宽、可靠性高、增益稳定性好，能满足设计要求。

2.2 滤波和放大单元

传感器探头输出的信号比较微弱且含有高频成分，因此需要进行滤波并放大有用信号，滤波器采用有源低通滤波器。放大器输入端的设计与电场探头阻抗相匹配，以获得最佳的信号能量传送。放大器电路图，见图3。

图3 放大器电路图

两级放大电路中，第一级采用运算放大器AD620，具有高共模抑制比、低温漂、低噪声、线性度好等特点；第二级采用高精度、低失调电压型的运算放大器OP07。这两级放大电路能满足低噪放大器的噪声系数小和频带宽的技术要求。

2.3 A/D转换单元

模数转换器（ADC）采用MAX152CPP，在2个4位闪速ADC中使用半闪速（half-flash）转换技术能在1.8 μs的转换时间内获得8位结果，其数字抽样率可达400 Ksps。MAX152CPP可工作于3.0～3.6 V之间，转换时间随电压的升高而降低。MAX152CPP的微处理器可以无需任何外部接口逻辑的输入/输出端口，数据输出使用锁存的3态缓冲电路，可直接传输至微处理器的数据总线或系统的输入端口。这些特点极大地满足了信号的模数转换要求。在模数转换过程中，MAX152CPP把放大电路处理后的模拟信号转换成数字信号，送至单片机进行下一步处理。

2.4 单片机控制单元设计

单片机控制单元主要由中央处理单元、显示屏、键盘等组成。中央处理单元采用美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机AT89C52。片内含有8 KB的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256位的随机存取数据存储器（RAM），32个I/O线，3个16位定时器/计数器，1个6向量两极中断结构，1个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路[8]。AT89C52功能强大，可满足较为复杂的控制需求。显示屏采用美国平达系统公司的电致发光显示屏（EL屏），坚固防撞击，透光性强、温度惰性好，在恶劣环境下仍能正常工作。显示单元选择6位8段的显示模块LCMO6XA。单片机与按键、光电警报器和液晶显示器等的接口电路图，见图4。经过模数转换后的信号由P2端口输入单片机，通过单片机的控制计算，所测量到的电磁辐射功率密度值将显示在显示屏上。按键S1用作归零键，按键S2用作峰值保持键。按下S1键，会将测量到的数值归零，屏幕显示“----”，此时仪器处于自动校零（初始化）状态，校零以后，便可以开始进行测量。将仪器靠近被测点，按下S1键，测量仪实时显示当前所测值，继续测量，若数据超过当前值，数据显示会自动更新；低于当前值则输出保持不变。如果测量值超过所选频段的功率辐射最大阈值，单片机将驱动声光报警电路，以二极管发光闪烁和蜂鸣器发声来提醒辐射值超标[9]。测量完毕后，按下S2键，液晶屏将保持显示值，以便读取数据。

图4 单片机周边接口电路图

3 软件设计

软件编写采用模块化设计思想，主要实现数据的采集、处理、显示等功能，负责调度系统的各应用程序模块，并与系统的设备及时交换信息，实现系统软、硬件资源的整体管理[10]。软件主程序流程图，见图5。

图5 软件主程序流程图

4 主要参数

研制的电磁计量检定仪的主要参数：外型尺寸：23.5 cm×18 cm×5 cm（长×宽×高）；重量：1.5 kg；频带：100 kHz～3 GHz；温度：-10～50 ℃；相对湿度：＜90%；辐照量程：0～40 W/m2；测量精度：±0.5%。

5 讨论

基于AT89C52单片机的电磁计量检定仪具有结构简单、稳定可靠、测量精度高、功耗低、可移动性强等特点。实践表明，电磁计量检定仪样机性能均达到了技术指标的设计要求，能够在野战条件下对不同频段的电磁辐射进行快速检测。

[1] 王汝群．战场电磁环境[M]．北京:解放军出版社,2006．

[2] 王志阳,孙瑛．信息化战争卫勤保障的主要特点[J]．西南国防医药,2003,13(4):436-437．

[3] 淡鹏．复杂数据场可视化环境研究[D]．北京:装备指挥技术学院,2004．

[4] 王威,陈志军,刘玉英,等．CSRH电磁干扰分析[J]．天文学研究与技术,2006,3(2):176-182．

[5] 蔡道文,雷焰,雷元义．医疗器械电磁辐射对人体的伤害与防护[J]．中国医疗设备,2012,27(1):84-85,94．

[6] 李曙东,王运峰．指挥自动化系统建模与仿真技术[M]．北京:国防工业出版社,2005．

[7] 阮健俊．低功耗远程数据采集模块的设计与实现[J]．自动化仪表,2012,33(11):45-47．

[8] 张萌,和湘,姜斌．单片机应用系统开发综合实例[M]．北京:清华大学出版社,2007．

[9] 胡辉,李叶紫,胡力平．单片机原理与应用[M]．北京:中国水利水电出版社,2007．

[10] 陈尚松,郭庆,雷加．电子测量与仪器[M]．北京:电子工业出版社,2009:116-120．

Development of A Portable Electromagnetism Measurement Instrument for Field Operations

JIANG Yu-zhu, ZHANG Wei, JING Sai, YIN Xiao-feng, ZHANG Gu-min, ZHANG Ke
Institute for Drug and Instrument Control, Jinan Military Area Command, Jinan Shandong 250022, China

Based on the analysis of the mathematical modeling of electromagnetic radiation, this paper introduced the hardware, circuit and software design processes of a portable electromagnetism measurement instrument which was composed of antenna, sensor, fi lter network, control unit and so on. The fast and accurate detection of radiation dose of electromagnetism in different frequency bands can be implemented with the application of the electromagnetism measurement instrument which was suitable for the on-site test of electromagnetic radiation for fi eld operations.

electromagnetic radiation; electromagnetism measurement instrument; single-chip microcomputer; analog-digital conversion

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.07.008

1674-1633(2014)07-0026-03

2014-02-24

本文作者：江玉柱，高级工程师。

作者邮箱：jingsaifmmu@126．com