新型电磁辐射检测系统设计*

张振佳，卓 力，张一鸣，余 飞，张玉涛

(1.北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京100124;2.环境保护部核与辐射安全中心，北京100082)

0 引言

电磁辐射检测仪作为一种常见的电子测量设备，在环境质量评估中起着重要的作用。现在市面上的电磁测量仪存在着测量范围窄、测量内容不完善、功能单一、操作复杂等方面的不足，无法满足电磁环境检测领域里的需求，因此，设计一种新型电磁辐射检测系统就显得尤为必要［1，2］。

目前，电磁环境检测领域中广泛应用着“单人—单机—单站”这种新型检测模式，它可以减少近50%的检测时间，节约了检测成本［3］。基于这种检测思想，基于设计了一种新型电磁检测系统，它具有频带超宽、精度高、功能多样、智能性强等优点。本设计选用了现场可编程门阵列(FPGA)芯片作为底层控制核心，以满足数据的实时性，同时在上位机中以虚拟仪器为平台开发了一种具有自动测评功能的电磁辐射检测软件。

1 系统硬件设计

本文设计的电磁辐射检测系统以高精度电磁传感探头为基础，后续辅以调理电路进行逻辑控制，最后在嵌入式主机中完成数据分析和频谱显示。系统的总体设计如图1所示。

图1 系统总体设计框图Fig 1 Block diagram of system overall design

系统可分为硬件、软件两大部分。硬件部分主要完成空间电磁信号的采集和处理，是系统的底层架构;软件部分完成数据的分析和显示，实现系统的逻辑控制功能。用户应用程序由上位机发送设备启动命令，底层设备返回响应信号决定是否开始执行检测。当系统开启后，系统将自动识别设备并且加载驱动程序，用户配置好的操作指令将通过光纤从主机自动传送到底层FPGA单元内部FIFO中，指令解析程序将解析后的16字节控制字写入电磁传感器、程控滤波器等底层设备，根据不同的操作模式底层设备会返回相应的测量数据。上位机可以根据用户的操作实现电场与磁场、时域与频域以及不同频段的转换，同时实现辅助功能的开启与关闭［4］。

1.1 信号调理电路设计

信号调理电路如图2所示。电磁传感器接收到的空间中微小的电磁信号将通过放大滤波电路、模/数转换电路转换为可供后续处理电路参考的数字信号。为了覆盖测量所需的频率范围，保证后续信号处理的准确性，本设计选用德国Narda公司生产的一种电磁场探头EP645—50D，此探头测量频率为5 Hz～6 GHz，在此区间内幅频特性平坦，返回值稳定可靠，可以满足本文设计的需求。

图2 信号调理电路示意图Fig 2 Diagram of signal conditioning circuit

由于传感器返回信号极其微弱，同时噪声幅度也很小，为了尽量多地保存信息，先对信号进行放大。这里选用宽频带高速运放ADA4895—2，本地输入电压范围低于1 mV，带宽6 GHz，故采用高增益宽频带级联双运放的连接方式，放大倍数可达40 dB，同时具有9 GHz带宽。传感器内部为三维磁通门结构，所测量的电磁辐射强度用被测频段截止频率二次谐波的幅值表示。后续电路要根据不同的测量模式选择对应的截止频率。后续滤波电路选用MAX267，这是一种频率特性可变的程控开关电容滤波器。本文设计中使用50 MHz晶振，通过设置F［4..0］，滤波器中心频率可在100 kHz-1 MHz之间调整，通过设置Q［6..0］，可使滤波器取得不同的分辨能力。根据不同的测量模式，本地信号分别进行中心频率为100，500 kHz，1MHz的滤波。由于滤波器输出混杂有交流成分，若直接送入AD则可能增大转换误差。为减小误差，在信号输出端进行有效处理，这里采用AD637芯片，保证有效值误差小于0.1%。将信号有效值送入双12位高速转换芯片AD7862，该芯片采用高速并行接口，转换时间4μs。本地A/D转换由后续的FPGA单元控制。

1.2 逻辑控制与数传设计

本文设计中FPGA单元主要完成底层电路的逻辑控制与采集数据的打包传送。本文选用 Altera公司的EP2C8Q208C8作为系统底层电路的控制核心，其内部包含8256个逻辑单元，2个锁相环单元，提供了208个可用管脚，能满足本设计的需求。FPGA单元首先从FIFO中读出上位机下发的操作模式指令，通过解析后得到16字节设备控制字，将控制字分别写入传感器和程控滤波器。逻辑控制的写入时序如图3所示。在10 ms延时之后，FPGA单元使能A/D转换电路，同时开始进行数据采集并写入FIFO;每采集430个字节，即1帧频谱数据，向上位机进行1次打包发送。数据的打包传送时序如图4所示。FPGA与上位机之间的通信基于RS—232总线，波特率为38400 bps。

图3 指令接收与控制字写入时序Fig 3 Timing of command receiving and controlling word written

图4 模式控制数据打包时序Fig 4 Timing of mode controlling and data packaging

2 系统软件设计

本文设计了一种新型的电磁辐射自动检测软件，该软件可依据用户需求建立配套的测量方案，实现对测量任务的自动实施和结果评价，同时建立了与用户、设备相关的数据库，实现统一管理［5，6］。软件主要功能如图5所示。

图5 电磁检测软件主要功能一览Fig 5 Main functions of eletromagnetic detection software

本系统采用LabVIEW编写，作为NI公司推出的一种功能强大的虚拟仪器开发平台，其图形化的编程语言有着很强的实用性和技术性，在系统监控和数据采集分析领域得到了一致认可［7］。系统的主要控制流程如图6所示。

图6 上位机系统工作流程图Fig 6 Work flow chart of upper PC system

为了方便用户不同类型的操作，本系统的检测界面主要分成了5个区域:设备选择区、模式切换区、窗口设置区、功能调用区、波形显示区。

本系统调用了Microsoft公司的Access工具，建立了本地数据库，同时通过互联网与远端服务器实现数据交互与共享［8］。

3 实验结果

为了验证系统的可靠性，本文在电磁屏蔽环境下对系统进行了测试实验。测试方法采用RIGOL公司的DG2041信号发生器联合R＆S公司的SMR20信号发生器产生能覆盖系统测量范围的频率，同时逐步增强电磁场强度，测试结果如表1、表2所示。

表1 频率变化与强度固定(电场:5V/m;磁场:100nT)情况下的测试结果Tab 1 Test result while frequency change and strength are fixed in a certain value

由表1、表2可知，本系统可覆盖频带为5 Hz～6 GHz，测量精度达0.1%，误差小于0.3%。本系统可以显示时域测量结果，也能显示当前电磁环境的频谱。图7～图10分别为工频时域、工频频域、射频时域、射频频域模式下的测量结果。

图7 工频时域检测结果Fig 7 Result of power-F time domain detection

图8 工频频域检测结果Fig 8 Result of power-F frequency domain detection

图9 射频时域检测结果Fig 9 Result of RF time domain detection

图10 射频频域检测结果Fig 10 Result of RF frequency domain detection

从图7～图10可以看出:时域模式下可以清楚地观察到电磁场强度随时间的变化情况;而频域模式下可以准确测量出该环境下的频谱信息和高强度频点。

4 结论

本系统针对我国电磁环境检测设备急需，设计研制了一种宽频带、多功能的自动化电磁检测设备。整个系统性能指标超众，测量频率覆盖5 Hz～6 GHz，且功能多样化，能够实现GPS定位、温湿度检测、环境信息发布共享等功能。本设备尺寸为300mm×215mm×150mm，重量为3.5kg，一人即可携带，续航能力可达到8 h以上，完全满足“单人—单机—单站”的检测模式。系统可同步实现电磁质量评判，在排查异常电磁环境时有着极快的反应速度，为电磁污染的检测提供了一种新型设备，其应用前景相当可观。

［1］王炯莲.基于嵌入式系统的便携电磁辐射计的设计与实现［D］.苏州:苏州大学，2013:5.

［2］王 建，彭晓武.国内外电磁场管理相关法律法规［J］.环境与健康杂志，2013，30(2):162-166.

［3］陈京平，李光伟，王晓莉，等.一种便携式电磁辐射检测系统［J］.无线电工程，2014，44(5):56-59.

［4］陈 悦.电磁环境检测仪处理控制模块的VHDL设计［J］.电子科技，2008，21(3):37-43.

［5］赵立威，钟圣芳.基于虚拟仪器的电磁频谱自动测量系统［J］.电子测量技术，2013，63(3):76-80.

［6］丁 勇，靳海伟，杨国宏，等.改进自适应滤波算法的电磁辐射检测仪设计［J］.自动化仪表，2013，34(4):80-83.

［7］耿振华.基于LabVIEW的频谱分析系统研究［D］.长春:长春理工大学，2014:3.

［8］杨海波，洪贞启，王瑞臣.LabVIEW中实现数据库远程访问［J］.计量技术，2010(5):32-34.