CN103954848B - 基于dsp和fpga的便携式场强测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于DSP和FPGA的便携式场强测量装置，包括可采集现场模拟信号的第一电场信号采集模块，其特征在于，还包括可采集现场模拟信号的第二电场信号采集模块、DSP模块、FPGA模块和显示模块，所述第一电场信号采集模块和第二电场信号采集模块通过调理电路与DSP模块相连；DSP模块对第一电场信号采集模块采集的信号和第二电场信号采集模块采集的信号进行比较，当二者数值相差在一定范围内，则DSP模块对第一电场信号采集模块采集的信号进行运算计算得到实时场强值，并将实时场强值传送至FPGA模块，FPGA模块将实时场强值通过显示模块显示。在成本增加不大的情况下大大增加运算效率，提高实时性，精度高、运算快、抗干扰性强，大大提高可靠性和准确性。
Description
技术领域
[0001 ] 本发明涉及一种场强测量装置及方法，尤其是一种基于DSP和FPGA的便携式场强 测量装置及方法。
背景技术
[0002] 众所周知，工频电场广泛存在于我们周围，尤其是在高电压环境中，其工频电场强 度已足以威胁人体健康和人身安全。电具有多种效应，包括电磁场效应、热效应、光效应等 等，这些效应是电的用途如此广泛的原因，但是这些效应又是很难在安全的前提下通过人 的感觉器官直接感知的，这就是电力事故为何多发的客观因素。电力行业经常要和高压、超 高压带电设备打交道，日常工作中具有电力职业独有的危险性，工作中的触电事故不仅是 对人身安全的巨大威胁，一旦发生高压触电，很可能造成重伤甚至失去生命，其次触电事故 往往带来跳闸等继发性的断电事故，造成直接经济效益损失。由于人的感觉器官不能在非 接触的情况下感知电的存在，所以通过辅助性的器械来探测电的存在以保证人的安全是很 自然的选择。
[0003] 现在已有的小型场强测试装置普遍有强电环境下易受干扰，多电压等级电场环境 下测量不准等问题。比如基于晶体管PN结阻抗效应的场强测试装置，抗干扰能力弱，在强 电环境下PN结易于击穿导致产品失效，有误导使用人员对周围电场判断的危险，造成不应 有的事故。传统的非接触型检测电场设备准确度低与诸多因素相关，首先是客观环境中的 带电状况非常复杂，除工频交流电外，还有静电，高频无线电，雷电等干扰因素，在干燥环境 下，人体静电可以高达几千到上万伏特，手机、基站等无线设备由于频率很高，能在电子设 备上感应出很强的电磁场；其次，即使没有干扰，由于带电物体形状的不确定性和多个带电 物体的电磁场叠加效应，导致空中的电磁场非常紊乱，呈现出复杂的矢量场特征；而且，环 境的温度、湿度、人体的电阻、电容以及鞋帽、衣着等都会严重影响到空中电磁场的分布。如 果使用高精度的场强测量仪器，如一些大中型精密场强测试装置，可以比较精确的进行测 量，但是由于采用了一些高技术的抗干扰手段，如采用复合偶极子天线、传感器用光纤进行 连接、进行温湿度补偿、使用高绝缘度的支架和隔离杆等，使得其造价很高，虽性能较好，如 配备到供电局生产班组层面，费用很大，一般企业难以承受。
发明内容
[0004] 针对上述问题，本发明提供一种基于DSP和FPGA的便携式场强测量装置及方法， 采用DSP+FPGA和双电场信号采集模块结构，在成本增加不大的情况下大大增加运算效率， 提尚实时性，精度尚、运算快、抗干扰性强，大大提尚可靠性和准确性；进一步的，在未知电 压等级的情况下可进行电压等级的初步判定。
[0005] 为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
[0006] 基于DSP和FPGA的便携式场强测量装置，包括可采集现场模拟信号的第一电场信 号采集模块，其特征在于，还包括可采集现场模拟信号的第二电场信号采集模块、DSP模块、 FPGA模块和显示模块，所述第一电场信号采集模块和第二电场信号采集模块通过调理电路 与DSP模块相连；DSP模块对第一电场信号采集模块采集的信号和第二电场信号采集模块 采集的信号进行比较，当二者数值相差在一定范围内，则DSP模块对第一电场信号采集模 块采集的信号进行运算计算得到实时场强值，并将实时场强值传送至FPGA模块，FPGA模块 将实时场强值通过显示模块显示。
[0007] 基于DSP和FPGA的便携式场强测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0008] S01 :开机自检：DSP模块对第一电场信号采集模块采集的信号和第二电场信号 采集模块采集的信号进行比较，当二者数值相差在一定范围时，进入步骤S02,否则进行报 警；
[0009] S02 :DSP模块对第一电场信号采集模块采集的信号进行运算计算得到实时场强 值，并将实时场强值传送至FPGA模块，FPGA模块将实时场强值通过显示模块显示；
[0010] S03 :DSP模块判断识别电压等级的模式：若是自动识别模式，则第二电场信号采 集模块每间隔一定时间进行采样，DSP模块通过Prony算法得到Prony运算后的场强值并 传送至FPGA模块，FPGA模块根据不同电压等级变电站或者线路周围电场分布规律进行电 压匹配，并控制显示模块显示Prony运算后的场强值相对应的电压等级。
[0011] 双CPU结构（DSP+FPGA结构）的优点是DSP负责运算，FPGA负责逻辑、阈值比较和 输入输出，两者根据自身特长各司其职。对比以往单片机结构的场强仪，在成本增加不大的 情况下大大增加运算效率，提高实时性。精度高、运算快、抗干扰性强的特点。双电场传感 器配置，通过开机和定期对比的方法，大大提高可靠性和准确性。在未知电压等级的情况下 可以用此装置进行初步判定。最大限度地减少因为主观疏漏造成的触电伤亡事故，对电场 场强过高的地方起预警作用，保护人身安全，提高工作中的安全水平。
[0012] 本发明的有益效果是：采用DSP+FPGA和双电场信号采集模块结构，在成本增加不 大的情况下大大增加运算效率，提高实时性，精度高、低功耗、运算快、抗干扰性强，大大提 高可靠性和准确性；进一步的，在未知电压等级的情况下可进行电压等级的初步判定。
附图说明
[0013] 图1是本发明基于DSP和FPGA的便携式场强测量装置的结构框图；
[0014] 图2是本发明DSP和FPGA接口交互示意图；
[0015] 图3是本发明悬浮体场强仪的结构示意图；
[0016] 图4是单回线附近的电场强度分布示意图；
[0017] 图5是双回线附近的电场强度分布示意图；
[0018] 图6是基于DSP和FPGA的便携式场强测量方法流程图。
具体实施方式
[0019] 下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领 域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限 定。
[0020] 如图1所示，是一种基于DSP和FPGA的便携式场强测量装置，包括可采集现场模 拟信号（即感应电流I)的第一电场信号采集模块和第二电场信号采集模块、DSP模块、FPGA 模块和显示模块。为了避免恶劣的工作环境对场强测量装置造成损害，影响使用寿命，优选 在装置的探测终端内设置有温度及湿度测量电路，即可采集现场温度的温度信号采集单元 和可采集现场湿度的湿度信号采集单元。优选装置还设置有报警模块，可以进行声和/或 光的提醒。需说明的是探测终端（即第一电场信号采集模块、第二电场信号采集模块、温度 信号采集单元和湿度信号采集单元）采集的均是现场的模拟信号，因此需要经过调理电路 输入DSP模块。
[0021] 温度信号采集单元可以采用红外温度传感器，把温度转化为电流量，通过线性放 大器调理给DSP读取。湿度信号采集单元可以采用单片智能化湿度传感器。基于DSP和 FPGA的便携式场强测量装置的工作条件参考标准：（一）环境温度：操作时：-10°C到+45°C; 储藏时：-20°C到+50°C;(二）环境湿度：-20°C到0°C时：无冷凝；0°C到40°C时：0%到95% ; 40°C到50°C时：0%到40%。DSP模块和FPGA模块的接口连接示意图如图2所示，其中双CPU 结构（DSP+FPGA结构）的优点是DSP模块负责运算，FPGA模块负责逻辑、阈值比较和输入输 出，两者根据自身特长各司其职。其中FPGA模块的FLASH内储存电场分布规律表格、安全 距离表格、电压等级表格等。DSP模块计算得到实时温度值和实时湿度值并传送给FPGA模 块，FPGA模块进行比较(可以将温度、湿度的参数存放在FPGA模块的FLASH内），当实时温 度值不在装置工作温度范围内或实时湿度值不在装置工作湿度范围内时，FPGA模块控制报 警模块报警，提醒工作人员。
[0022] 传统的场强仪只配置一个电场信号采集模块，误差比较大且不容易觉察，因此本 装置采用两个电场信号采集模块。
[0023] 优选两个电场信号采集模块采用悬浮体场强仪，但第一电场信号采集模块用于 显示模块进行显示实时场强值，而第二电场信号采集模块用于自动识别电压等级，具体如 下：
[0024] 如图3所示，悬浮体场强仪的工作原理是测量引入到被测电场的一个孤立导体的 两部分之间的工频感应电流和感应电荷。它用于在地面以上的地方测量空间电场，并且不 要求一个参考地电位，通常做成携带式。悬浮体场强仪的指示器可以放在探头内构成探头 的一个组成部分，探头和指示器用一个绝缘手柄或绝缘体引入电场。还有一种远距离显示 电场强度的悬浮体场强仪，信号处理回路的一部分装在探头内，指示器的其余部分放在一 个分开的壳体内并有模拟或数字显示，采用光导纤维把探头和显示单元连接起来。悬浮体 场强仪主要用电池供电。悬浮体场强仪所有的探头可以设置为偶极子。当球形探头位于一 均匀场内，分开两半球的平面垂直于电场，在一个半球上的感应电荷有效值Q为：
[0025]Q= 3Jre〇r2E
[0026] 式中：e。--真空的介电常数；
[0027]r--球半径；
[0028]E一一均匀电场强度，有效值。
[0029] 上述公式表示测量感应电荷可度量电场强度。同样，对此电荷采用电子线路微分 得到的感应电流I，也可以用来测定场强：
[0030]I= 3 31e〇cor2E
[0031]式中：《--角频率（2Jrf)。
[0032]通过电场信号采集模块采集I(正比于E)，DSP模块通过运算计算将I值换算成E。
[0033] DSP模块对第一电场信号采集模块采集的信号和第二电场信号采集模块采集的信 号进行比较，当二者数值相差在一定范围内，则DSP模块对第一电场信号采集模块采集的 信号进行运算计算（即按照上述的公式计算)得到实时场强值，并将实时场强值传送至FPGA 模块，FPGA模块将实时场强值通过显示模块显示。当第一电场信号采集模块采集的信号和 第二电场信号采集模块采集的信号的数值相差大于一定范围时，DSP模块控制报警模块进 行报警。二者数值相差的范围可以根据使用环境和要求进行限定。
[0034] 在初次进入一个陌生测量环境，进行电压等级判定是非常重要的，而传统的场 强仪不具有未知电压等级判定的功能。下面以6个电压等级（10kV、35kV、110kV、220kV、 500kV、1000kV)举例说明。
[0035] 电压等级可以有两种识别模式，即手动输入模式和自动识别模式，手动输入模式 可以通过按键向FPGA模块输入电压等级，FPGA模块直接读取电压等级数值并通过显示模 块进行显示。此种结构比较简单，但使用不灵活。
[0036]自动识别模式下，第二电场信号采集模块每间隔一定时间进行采样，时间间隔越 短精度越高，DSP模块通过Prony算法得到电场强度的幅值和频率，只分析工频的数据，随 着人的走动，根据Prony算法算出的其工频下的场强也在变化。Prony运算后的场强值并传 送至FPGA模块，FPGA模块根据不同电压等级变电站或者线路周围电场分布规律进行电压 匹配，当场强值大小变化的范围满足某个元件附近场强分布的时候(预先在FLASH里已经 设定的电场分布规律表格)，则可识别为该电压等级。控制显示模块显示Prony运算后的场 强值相对应的电压等级。为解决不能分析暂态信号的问题，在傅里叶算法的基础上，Prony 提出了用指数函数的一个线性组合来描述等间距采样数据的数学模型，经过适当扩充，形 成了能够估算给定信号的频率、衰减、幅值的Prony算法。
[0037] 电场分布规律表格可以根据实测数据来定制，如图4和图5所示，靠近带电元件附 近场强是有变化规律的，图4中，当某人在单回线附近走动时，若Prony算法算出的M个工 频场强里有N个结果（一般要求M>=N>=0. 9M)覆盖了（0.lkV/m- 0. 4kV/m)的区间，则可以 判定电压等级为220kV。
[0038] 在已经确定好电压等级和场强的情况下，根据变电站及输电线路的场强分布图在 低于安全距离的情况下报警，需说明的是，低于安全距离即报警距离并不是指距离数值小 于安全距离，其报警是在距离数值高于且接近安全距离时进行报警。具体的安全及报警距 离表格见表1，报警距离稍高于安全距离。图4中，5m以内时场强降低，可以利用该规律进行 判断距离，当场强达到最高值(该电压等级下）时，就已经处于较为危险的状态（5m以内）， 可以报警。如果在进入高电压环境时，能准确获知高压带电区域的电场分布，那么就能在高 工作效率的同时减小事故发生几率。
[0039] 表1.安全及报警距离表格
[0040]
[0041] 所述场强测量装置呈腕表式结构（图中未示出），还包括显示盘，显示盘底部设置 有容腔，所述容腔两侧设置有相互成对的且至少有一个可在它的长度方向拉伸的腕带，所 述显示模块位于显示盘上，显示盘底部设置有一个可推式的卡子，具体结构可参见类似结 构，比如滑盖手机的可推式结构、申请号为200710085777. 2公开的腕戴式便携式终端的结 构等等，在此不再赘述，既可推出也可退回原位置。所述容腔内放置其他部件，包括信号采 集模块(包括第一电场信号采集模块、第二电场信号采集模块、温度信号采集单元和湿度信 号采集单元)、DSP模块、FPGA模块、报警模块和按键，推动卡子，显示盘可沿着容腔露出或隐 藏按键。正常使用时显示盘在原位置，按键是看不到的，当需要使用按键时，则把显示盘推 上去，即可看到按键，通过按键可以进行操作。当操作完毕后，把显示盘推回原位置，此时只 能看到显示模块，防止工作人员作业中误碰按键。
[0042] 基于DSP和FPGA的便携式场强测量方法如图6所示，其中图6只显示了部分流程 的不意图：
[0043] S01 :开机自检：DSP模块对第一电场信号采集模块采集的信号和第二电场信号 采集模块采集的信号进行比较，当二者数值相差在一定范围时，进入步骤S02,否则进行报 警；
[0044] S02 :DSP模块对第一电场信号采集模块采集的信号进行运算计算得到实时场强 值，并将实时场强值传送至FPGA模块，FPGA模块将实时场强值通过显示模块显示；
[0045] S03 :DSP模块判断识别电压等级的模式：若是自动识别模式，则第二电场信号采 集模块每间隔一定时间进行采样，DSP模块通过Prony算法得到Prony运算后的场强值并 传送至FPGA模块，FPGA模块根据不同电压等级变电站或者线路周围电场分布规律进行电 压匹配，并控制显示模块显示Prony运算后的场强值相对应的电压等级。若是手动输入模 式，则通过按键向FPGA模块输入电压等级，FPGA模块控制显示模块显示电压等级。
[0046] 当实时温度值不在装置工作温度范围内或实时湿度值不在装置工作湿度范围内 时，FPGA模块控制报警模块报警。
[0047] 当低于安全距离的情况下报警。
[0048] 优选，每间隔一定时间，DSP模块对第一电场信号采集模块采集的信号和第二电场 信号采集模块采集的信号进行比较，当二者数值相差超出一定范围时，进行报警，两个电场 信号采集模块所获得的数据是定期对比的，如果偏差过大则报警，可以有效减少误差。
[0049] 以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发 明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关 的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1. 基于DSP和FPGA的便携式场强测量装置，包括可采集现场模拟信号的第一电场信 号采集模块，其特征在于，还包括可采集现场模拟信号的第二电场信号采集模块、DSP模块、 FPGA模块和显示模块，所述第一电场信号采集模块和第二电场信号采集模块通过调理电路 与DSP模块相连； DSP模块对第一电场信号采集模块采集的信号和第二电场信号采集模块采集的信号进 行比较，当二者数值相差在一定范围内，则DSP模块对第一电场信号采集模块采集的信号 进行运算计算得到实时场强值，并将实时场强值传送至FPGA模块，FPGA模块将实时场强值 通过显示模块显示； 所述第二电场信号采集模块每间隔一定时间进行采样，DSP模块通过Prony算法得到Prony运算后的场强值并传送至FPGA模块，FPGA模块根据不同电压等级变电站或者线路周 围电场分布规律进行电压匹配，控制显示模块显示Prony运算后的场强值相对应的电压等 级。
2. 根据权利要求1所述的基于DSP和FPGA的便携式场强测量装置，其特征在于，还包 括报警模块，当第一电场信号采集模块采集的信号和第二电场信号采集模块采集的信号的 数值相差大于一定范围时，DSP模块控制报警模块进行报警。
3. 根据权利要求2所述的基于DSP和FPGA的便携式场强测量装置，其特征在于，还包 括可采集现场温度的温度信号采集单元和可采集现场湿度的湿度信号采集单元，所述温度 信号采集单元通过调理电路与DSP模块相连，DSP模块通过运算计算得到实时温度值并传 送至FPGA模块，FPGA模块根据预先设定的装置工作温度控制报警模块工作；所述湿度信号 采集单元通过调理电路与DSP模块相连，DSP模块通过运算计算得到实时湿度值并传送至 FPGA模块，FPGA模块根据预先设定的装置工作湿度控制报警模块工作。
4. 根据权利要求3所述的基于DSP和FPGA的便携式场强测量装置，其特征在于，还包 括可向FPGA模块输入信息的按键。
5. 根据权利要求4所述的基于DSP和FPGA的便携式场强测量装置，其特征在于，所述 场强测量装置呈腕表式结构，还包括显示盘，显示盘底部设置有容腔，所述容腔两侧设置有 相互成对的且至少有一个可在它的长度方向拉伸的腕带，所述显示模块位于显示盘上，显 示盘底部设置有一个可推式的卡子，所述容腔内放置信号采集模块、DSP模块、FPGA模块、 报警模块和按键，推动卡子显示盘可沿着容腔露出或隐藏按键。
6. 基于DSP和FPGA的便携式场强测量方法，其特征在于，包括如下步骤： 501 :开机自检：DSP模块对第一电场信号采集模块采集的信号和第二电场信号采集模 块采集的信号进行比较，当二者数值相差在一定范围时，进入步骤S02,否则进行报警； 502 :DSP模块对第一电场信号采集模块采集的信号进行运算计算得到实时场强值，并 将实时场强值传送至FPGA模块，FPGA模块将实时场强值通过显示模块显示； 503 :DSP模块判断识别电压等级的模式：若是自动识别模式，则第二电场信号采集模 块每间隔一定时间进行采样，DSP模块通过Prony算法得到Prony运算后的场强值并传送 至FPGA模块，FPGA模块根据不同电压等级变电站或者线路周围电场分布规律进行电压匹 配，并控制显示模块显示Prony运算后的场强值相对应的电压等级。
7. 根据权利要求6所述的基于DSP和FPGA的便携式场强测量方法，其特征在于，还 包括如下步骤：在步骤S03中，若是手动输入模式，则通过按键向FPGA模块输入电压等级， FPGA模块控制显示模块显示电压等级。
8. 根据权利要求6所述的基于DSP和FPGA的便携式场强测量方法，其特征在于，还包 括如下步骤：当实时温度值不在装置工作温度范围内或实时湿度值不在装置工作湿度范围 内时，FPGA模块控制报警模块报警。
9. 根据权利要求6或7或8所述的基于DSP和FPGA的便携式场强测量方法，其特征在 于，还包括如下步骤：每间隔一定时间，DSP模块对第一电场信号采集模块采集的信号和第 二电场信号采集模块采集的信号进行比较，当二者数值相差超出一定范围时，进行报警。
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