基于FPGA數字式大氣電場儀的設計

李中富

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基于FPGA數字式大氣電場儀的設計

李中富

（統一企業（中國）投資有限公司 昆明統一企業食品有限公司，云南 昆明 650000）

傳統的大氣電場儀具有結構復雜、體積大、測量精度低的缺點。設計了一種基于現場可編程邏輯門陣列（FPGA）的新型數字大氣電場儀器。詳細給出了電場儀器的設計結構和實現方法，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；數字信號處理；雷電預警

大氣電場儀器是測量大氣電場參數的氣象裝置，可以長時間連續測量大氣電場，完整記錄大氣電場的變化，實現潛在雷電危害的監測和預警[1]，在雷電監測與預警中具有不可替代的作用[2]。傳統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的數字大氣電場儀，其優點是測量精度高、數字化程度高、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、環境質量監測、天氣現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的新型數字電場儀表。數字大氣電場儀表主要由傳感器探頭、模擬信號處理電路、數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，FPGA利用A/D采集單元的數字信號精確測量大氣電場的強度，監測電場的極性，并通過通信接口將其傳輸到主機。

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字系統進入亞穩態狀態，本文采用異步復位和同步釋放的方法來保證數字系統的穩定性和可靠性。通過例化systemreset模塊后，得到數字電路，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，此時數據輸出端DOUT為HIZ高阻態，指示系統此時可以開始A/D采集；當CS端子從高電平變為低電平時，ADS8317進入采樣相位，ADS8317在內部執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，即ADS8317完成量化編碼并開始輸出，BIT數據流在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，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，利用有限狀態機FSM完成ADS8317的狀態轉換，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，以便獲得全通濾波器的中心頻率。

本文設計的數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觸發器執行FPGA內部電場的極性檢測。表示為電場儀對正電場環境的測量，調節同步小葉片的位置，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。根據需求，數字式大氣電場儀向上位機發送電機轉速、時間、電場和預警等級等信息。系統初始化后，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（發生時間和電機速度）被發送到主機，以提醒維護人員檢查。

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

4 試驗研究

對于數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測與預警中具有不可替代的作用，而傳統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。基于國內外大氣電場儀器的研究現狀，本文設計了一種基于FPGA的數字大氣電場儀表。數字電路組成信號處理電路的核心，與傳統大氣電場儀相比，產品具有電路結構簡單、數字化程度高、測量精度高等優點，提高雷電預警成功率對進一步完善中國雷電預警系統具有重要意義。

［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〕