基于ARM的雷电三维电场数据采集系统的设计

张自嘉，张丽萍，花晓蕾

(1．南京信息工程大学信息与控制学院，江苏南京 210044;2．南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏南京 210044)



基于ARM的雷电三维电场数据采集系统的设计

张自嘉1,2，张丽萍1，花晓蕾1

(1．南京信息工程大学信息与控制学院，江苏南京 210044;2．南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏南京 210044)

对雷电三维电场进行同步数据采集与分析，可以为研究不同方向的雷电电场对电气设备的影响以及研究不同地形对雷电结构的影响提供重要参考。设计了一种能够对雷电三维电场进行同步数据采集的系统，该系统主要包括传感器模块、信号采集模块、数据传输与存储模块、上位机软件设计等。利用3个通道A/D实现了对3路电场信号的采样，通过ARM11控制高速A/D转换和FIFO的读写，并且利用QT和SQLite数据库设计了上位机软件，完成了对采集数据的管理。

ARM11(s3c6410)；三维电场；数据采集；QT；SQLite

0 引言

雷电是自然界的一种强烈的放电现象，随着微电子设备的广泛应用和微电子器件集成的不断提高，雷电放电电流电磁辐射形成的雷电电磁脉冲对电子、电气设备及系统造成的损伤越来越严重，因此包括雷电电磁脉冲在内的电场测量问题受到了研究者们的关注。

目前许多电场测量系统探测方向一般与传感器主轴方向平行或垂直,实现地面矢量电场的1个或2个分量的探测。而雷电电场是以三维矢量形式存在的,只对矢量电场的1个或2个分量探测时,探测到的电场值可能有较大的偏差，并且也无从分析不同分量的雷电电场对电气设备的影响[1]。传统的数据采集系统一般利用PC 机和各种数据采集卡或基于单片机和FPGA/CPLD 的方式。利用PC 机和各种数据采集卡需要工控机或PC 机，虽然使用方便，但体积、功耗都比较大，不便于现场特别是不同地形的野外环境使用；基于单片机和FPGA/CPLD 的数据采集在数据存储和传输方面受到较大限制。近年来随着嵌入式系统的发展，具有单片机的小巧、低功耗优点，但功能趋向PC 机CPU 的ARM微处理器，在许多领域得到广泛应用[2]。基于ARM11的雷电三维电场数据采集系统，以S3C6410为硬件核心，利用3路通道对雷电三维电场同时进行数据采集，并且提供可视化的上位机操作界面，对采集到的数据进行存储、分析。本系统不仅可以对雷电三维电场的X、Y、Z方向的电场进行同步数据采集，而且可以为研究不同地形环境对雷电结构的影响提供有利的技术支持。

1 系统总体结构及工作原理

该系统主要由测量天线、信号调理电路模块、ADC采样模块、微处理器部分、显示模块和上位机软件等部分组成。微处理器采用RISC 结构的S3C6410，它基于ARM1176JZF-S内核，外设齐全，接口标准且扩展方便，最高主频可达667 MHz，具有低功耗、高性能的优点。该系统还包括GPS时钟授时，准确地记录数据发生的时间。系统总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体结构框图

测量天线是利用3根金属棒作为雷电三维电场的传感器，金属棒采用三维空间结构，两两相互垂直。3根金属棒分别对应雷电电场的3个方向(X、Y、Z方向)，每一根金属棒所测的是与其相对应方向的电场值。把3个传感器所采集到的信号分别通过3路调理电路进行处理，通过ARM同时控制3路A/D转换电路，3路高速采样率的A/D把模拟信号转化为数字信号，分别送入缓存器FIFO进行缓存，ARM从FIFO 读入数据进行处理，把处理后的数据通过RS485通讯接口上传至上位机，进行存储、分析，USB接口也可实现数据的保存，可进行后续的处理。LCD显示模块作为人机交互的输入输出接口用于控制

和实时监测分析。

2 系统主要硬件及接口设计

2．1 信号调理电路与高速ADC接口电路的设计

当有变化的电场时，在金属棒上就会出现感应电流，感应电流的大小正比例于感应电场的变化率，所以为了得到感应电场的大小，首先通过1个积分电路对其进行积分，并将电流信号转换为可供ADC采集的电压信号。因为感应电流最小为pA级别的，且输入带宽要达到10 MHz以上，所以这里选择AD8066运算放大器，其输入偏置电流为1 pA，带宽为145 MHz，AD8066一款电压反馈型双路放大器，提供FET输入，性能出色、易于使用，它采用专有XFCB工艺制造，工作噪声极低，输入阻抗非常高[3]。A/D转换芯片使用AD9280，具有8 bit分辨率，系统使用20MSPS的采样率。由于AD9280的输入电压范围为0～2 V，所以通过运放将-5～5 V的电压输入范围转换为0～2 V。信号调理电路与ADC接口电路原理图如图2所示。

图2 信号调理电路与ADC接口电路原理图

图2为雷电三维电场X方向的电场数据采集的信号调理电路与ADC接口电路原理图。雷电三维电场的Y方向与Z方向的电场数据采集的信号调理电路与ADC接口电路基本一致，这里不再赘述。

2．2 高速ADC与ARM的接口设计

雷电发生时，传感器分别接收到高速变化的电场信号，然后经过前端调理电路的处理，把模拟信号送入高速A/D转换器中。A/D转换器采用8位单通道的模数转换器芯片AD9280。其采样速率可以达到32MSPS,采用单电源供电，该芯片采用3．3 V供电，内置1个片内采样保持放大器和基准电压源，它采用多级差分流水线架构，数据速率达32 MSPS，在整个工作温度范围内保证无失码。可以选择各种输入范围和偏移，并可通过单端或差分方式驱动输入。本系统采用0～2 V单端输入，并采用3片AD9280对雷电三维电场进行同步数据采集。3片AD9280通过连接在ARM11上的触发器的触发信号开始同步工作，同时AD9280的数据总线与缓存器FIFO的数据总线以及ARM的数据端口连一起，通过这样的连接方式ARM可以灵活地处理A/D转换器的采样输出数据。由于本系统采用的是3片A/D转换器，为了使3片A/D同时工作，提高系统的效率，因此采用3个FIFO来独立地将3路A/D输出进行数据存储。AD、FIFO与ARM的接口框图如图3所示。

图3 ADC、FIFO与ARM的接口框图

图3中只画出X方向的ADC 、FIFO与ARM的接口框图，其他2个方向与X方向的接口框图基本一致。本系统采用3片FIFO，这是因为在ARM高速数据采集系统中，ARM往往不能适应A/D芯片的工作速率，为了提高ARM的工作效率，避免数据的丢失和方便控制，用FIFO作为两者之间的接口可以达到很好的效果。

AD9280 是8位模数转换器，其数据输出为 8 bit，CY7C4275V是18 位FIFO，故可将FIFO输入端的空脚接地，输出端空脚悬空。S3C6410 的数据总线是32 位，因此CY7C4275V 和S3C6410只需接D0 ～D7。Y方向与Z方向的CY7C4275V分别与S3C6410接D0 ～D7。S3C6410 与FIFO 之间用总线方式连接。由于FIFO 先入先出的特殊结构，系统中不需要任何地址线的参与,大大简化了电路。A/D 采样所得数据要实时送入FIFO,因此3路FIFO的写时钟频率必须一样,这样操作起来统一方便。将A/D 时钟直接与FIFO 的WCLK 相连，可使FIFO同步将A/D 采样数据写入。

3 系统的软件设计

3．1 底层驱动程序设计

系统整体上采用结构化程序设计方法，主要包括主程序模块、数据采集程序模块、数据传输与存储模块等。系统的主程序流程图如图4所示。假定系统的采样时间设定为1 s，ARM在读取FIFO中的数据过程中，判断有没有到达采样时间，如果没有达到采样时间就继续采样，读取数据；如果达到设定的采样时间就停止A/D转换，则通过USB接口将数据存入U盘中，或者通过串口把数据传输到上位机软件进行存储、分析。系统的主程序流程图如图4所示。

图4 系统的主程序流程图

ARM的底层驱动采用RVDS2．2(RealView Development Suite)作为软件开发平台，它能够支持所有的ARM处理器。在编译时，内核选择ARM1176JZF-S，设置起始地址R0 Base为0x5000 0000，编写系统启动引导程序，包括堆栈初始化、CPU初始化、调用_main()函数初始化C语言库等。

3．2 应用程序设计

Qt是1991年开发的1个跨平台的C++图形用户界面应用程序框架。它提供给应用程序开发者建立艺术级的图形用户界面所需的所用功能[5]。本设计的上位机软件正是用Qt开发，选用的集成开发环境是Qt Creator。上位机软件主要实现串口通信、雷电三维电场数据显示等功能，主要包括数据接收处理模块、电场变化曲线显示模块等，其采用一款占用较少存储空间、运行速度较快的SQLite嵌入式数据库实现对采集的数据进行存储、分析[6]。应用程序启动后，设置串口通信的波特率为9 600 bit/s，数据位8位，采用偶校验，停止位1位，打开串口，数据接收处理模块用来接收S3C6410串口传来的3个方向(X、Y、Z)所测得的电场值，把采集的数据保存到SQLite数据库中，并对电场值进行处理并显示出来。电场变化曲线模块用来实时显示雷电三维电场的3个方向测得的电场强度值的时间曲线图。根据多次实验验证，该系统操作方便、运行稳定。该系统的上位机界面显示图如图5所示。

图5 上位机界面显示图

4 结论

基于ARM11的雷电三维电场数据采集系统，实现了对雷电三维电场(X、Y、Z)3个方向电场信号同步采集，采用3路A/D转换器对3路信号调理电路的电压信号进行A/D转换，在20 M的采样率设置下，对每次闪电连续采集1 s的电场变化数据。并且拥有人性化的上位机界面为后续数据研究和分析提供了方便。通过实验测试表明，该系统工作稳定，可以对雷电产生时的瞬变电场进行记录和分析。

[1] 郑凤杰，白强，张星．空中三维电场传感器及其标定方法研究．维纳电子技术，2007(7)：238-241．

[2] 张自嘉，顾雪梅．基于AD9248的雷电信号采集系统驱动实现．仪表技术与传感器，2012(10)：61-64．

[3] 黄志文．基于S3C2410的LXI总线C类数据采集仪硬件设计．仪器仪表用户，2008(5)：87-88．

[4] 林国庆，高晓蓉，王黎，等．用FIFO实现超声测厚系统A/D 与ARM 接口设计．现代电子技术，2010(8)：35-36．

[5] 王存建，张建正．嵌入式Linux下Qt/Embedded的应用．计算机技术与发展,2006,16(11):179-181．

[6] 行鸿彦，张鹏飞．大气电场仪的改进及其标定系统设计：[学位论文]．南京:南京信息工程大学,2011．

Design of Lightning Three-dimensional Electric Field Data AcquisitionSystem Based on ARM

ZHANG Zi-jia1,2,ZHANG Li-ping1,HUA Xiao-lei1

(1．Department of Information & Control,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China;2．Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China)

The synchronous data acquisition and analysis of lightning three-dimensional electric field can provide an important reference in studying the influence of different direction of lightning electric field on electric equipment and in researching the influence of different terrain on lightning structure．An analytic system which can acquire the data of three-dimensional electric field synchronously was designed．It included sensor module,signal acquisition module,data transmission and storage module and software in PC．Three electric field signals were sampled via a 3-channel digital analog converter．The high speed A/D conversion and reading and writing of FIFO were controlled through ARM11．The software in PC based on QT and SQLite database was designed to manage the acquired data．

ARM11(s3c6410);three-dimensional electric field;data acquisition;QT;SQLite

国家自然科学基金资助项目(61172029)

2014-02-17 收修改稿日期：2014-10-03

TP391

A

1002-1841(2015)03-0047-03

张自嘉(1964—)，教授，博士。主要研究方向为现代传感器、嵌入式检测技术等。E-mail：zhzijia@126．com 张丽萍(1989—)，硕士研究生，主要研究方向为检测技术与系统集成。E-mail：lipingzha@163．com