CN104155530B - 一种宽频带多功能便携式电磁辐射检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽频带多功能便携式电磁辐射检测设备，包括：电磁辐射信息采集处理单元、核心处理单元、通信接口模块、人机交互模块、卫星定位单元、无线通信模块；人机交互模块、通信接口模块分别与核心处理单元通信连接，电磁辐射信息采集处理单元、卫星定位单元、无线通信模块分别与通信接口模块通信连接；电磁辐射信息采集处理单元采集并处理电磁辐射信息后通过通信接口模块传输至核心处理单元，卫星定位单元或无线通信模块通过通信接口模块向核心处理单元发送定位信息，核心处理单元处理接收到的电磁辐射信息和定位信息处理并通过人机交互模块显示或依序通过通信接口模块、无线通信模块发送至网络。本发明采用光纤通信，保证数据无损传输。

Description

一种宽频带多功能便携式电磁辐射检测设备

技术领域

本发明涉及一种电磁辐射检测设备，特别涉及一种宽频带多功能便携式电磁辐射检测设备,属于技术领域。

背景技术

随着电磁技术的发展，电磁辐射已经广泛深入到人们生活的各个层面当中，尤其是在电力设施架设密集的村庄乡镇，电磁污染问题日益严重。但目前的电磁测量设备主要应用于短时调查，无法长期监测，并且覆盖频段窄、测量精度低、操作繁琐、功能单一、体积庞大，用于村镇电磁综合环境监测时性能捉襟见肘。因此，研制一种新型的电磁辐射检测仪器十分必要。本电磁辐射检测系统通过高精度、超宽频带的传感器接收空间中微小的电磁信号，再通过后续差分放大、滤波、模数转换电路将其转化为可进行参考的电平，最后通过基于嵌入式系统开发的操作平台进行数据分析，将采样数据转化为对应的电磁场值，并且根据国际电磁环境标准给出电磁质量评判。

目前，我国已经研制出许多品牌不同种类的电磁辐射检测仪，这些产品一般针对于家庭居住环境中的电磁辐射测量，属于民用型设备，智能性很差，精度非常低，不设置测量频段，只能进行粗糙的检测，同时，由于生产厂家对电磁辐射相关知识的匮乏以及目前电磁辐射评判标准的混乱，使得设备测量的数据缺乏有效含义，给消费者带来困扰的同时也增加了社会对电磁辐射的恐慌。国内也有工业型的检测仪，譬如中国船舶总公司701研究所制造的宽频带电磁场强仪，中国计量科学研究院制造的全向宽频带场强仪，北京774厂生产的场强仪以及浙江医科大学制造的近场仪等等，但这些设备体积比较大，智能性不高、测量精度较低，尤其是在测频宽度方面不能符合当前的技术要求。

国外的产品主要有日本HIOKI公司的A805703型电磁检测仪，美国HOLADAY公司的宽频带全向辐射检测仪，德国安诺尼公司的HF80100型手持式电磁强度仪，这几款检测仪测量精度比较高，系统稳定，但价格非常昂贵。在测频范围上，这几款仪器也很难达到本系统的测频宽度(0—6GHz)。同时，由于设备出厂之后进行了程序固化，系统的后续开发性不强。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种高精度的宽频带多功能便携式电磁辐射检测设备。

为实现上述的发明目的，本发明提供了一种宽频带多功能便携式电磁辐射检测设备,包括：电磁辐射信息采集处理单元、核心处理单元、通信接口模块、人机交互模块、卫星定位单元、无线通信模块；

所述人机交互模块、所述通信接口模块分别与所述核心处理单元通信连接，所述电磁辐射信息采集处理单元、所述卫星定位单元、所述无线通信模块分别与所述通信接口模块通信连接；

所述电磁辐射信息采集处理单元采集并处理电磁辐射信息后通过所述通信接口模块传输至所述核心处理单元，所述卫星定位单元或所述无线通信模块通过所述通信接口模块向所述核心处理单元发送定位信息，所述核心处理单元处理接收到的电磁辐射信息和定位信息处理并通过所述人机交互模块显示或依序通过所述通信接口模块、所述无线通信模块发送至网络。

其中较优地，所述核心处理单元包括：

中央控制器、内存单元、显示外设接口、数据存储接口、通信接口；

显示外设接口、内存单元、数据存储接口、通信接口分别与中央控制器连接；

显示外设接口连接人机交互模块，用于用户设置控制命令和显示处理后的数据信息；数据存储接口主要连接存储装置用于存储处理后的数据信息；通信接口主要连接电磁辐射信息采集处理单元用于传输采集的辐射信息和连接通信接口模块用于接收定位信息或向网络发送处理后的数据信息。

其中较优地，所述电磁辐射信息采集处理单元包括：

电磁辐射信号传感器、FPGA处理单元、差分放大电路、程控滤波电路、有效值转换电路、可控模数转换电路；

所述电磁辐射信息传感器、所述差分放大电路、所述程控滤波电路依序电连接，所述程控滤波电路、所述有效值转换电路电连接，所述程控滤波电路、所述有效值转换电路分别与所述可控模数转换电路电连接，所述可控模数转换电路与所述FPGA处理单元电连接，所述FPGA处理单元通过串口芯片与光纤通信接口连接；

所述电磁辐射信号传感器将接收空间内的电磁辐射信息，后续所述差分放大电路、所述程控滤波电路、所述有效值转换电路、所述可控模数转换电路将该信号转换为可供系统参考的电平发送至所述FPGA处理单元处理，所述FPGA处理单元将处理后的电磁数据通过光纤通信接口送入通信接口模块传输至所述核心处理单元处理。

其中较优地，所述宽频带多功能便携式电磁辐射检测设备还包括电源模块；

所述电源模块包括电池模块、充放电保护模块、稳压模块、系统复位模块；

所述电池模块与所述充放电保护模块、所述模块并联，所述复位模块与所述稳压模块串联。

其中较优地，所述电磁辐射监测设备还包括温度检测模块；

所述温度检测模块与核心处理单元连接；

所述温度检测模块检测到的温度信息实时传输至核心处理单元。

其中较优地，所述卫星定位单元包括GPS信号接收器、GPS信号处理芯片；

所述GPS信号接收器与GPS信号处理芯片连接；

所述GPS信号接收器通过接收、解析卫星返回码，发送至所述GPS信号处理芯片，在所述GPS信号处理芯片中提取出本地坐标、时间等信息，将本地坐标、时间信息通过所述通信接口模块发送至所述核心处理单元做进一步分析。

其中较优地，所述无线通信单元包括射频信号首发器、传送数据打包解析电路；

所述射频信号接收器与所述传送数据打包解析电路连接；

核心处理单元处理后的数据通过所述通信接口模块发送到所述无线通信单元，所述传送数据打包解析电路将接收到的数据按照规定格式进行打包，并且通所述过射频信号收发器发送到设置好的IP地址上。

其中较优地，所述通信接口模块包括光纤通信器件，所述光纤通信器件一端连接核心处理单元，另一端分别连接电磁信号采集处理单元、无线通信模块、卫星定位模块。

本发明提供的宽频带多功能便携式电磁辐射检测设备，采用了多线程同步技术、高精度数据采集技术、信号采集处理单元与核心处理单元采用光纤通信的方式，保证了数据的无损传输。

附图说明

图1是本发明宽频带多功能便携式电磁辐射检测设备系统结构示意图；

图2是本发明核心处理单元内部结构示意图；

图3是本发明电磁信号采集处理单元内部结构示意图；

图4是本发明电磁信号采集处理单元工作流程图；

图5是本发明电源模块内部结构示意图；

图6是本发明通信接口模块内部结构示意图；

图7是本发明温度检测模块内部结构示意图；

图8是本发明人机交互模块内部结构示意图；

图9是本发明卫星定位单元内部结构示意图；

图10是本发明无线通信单元内部结构示意图；

图11是本发明宽频带多功能便携式电磁辐射检测设备工作流程示意图；

图12是本发明卫星定位单元工作流程示意图；

图13是本发明无线通信单元工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明提供一种宽频带多功能便携式电磁辐射检测设备,包括：电磁辐射信息采集处理单元、核心处理单元、通信接口模块、人机交互模块、卫星定位单元、无线通信模块；人机交互模块通信接口模块分别与核心处理单元通信连接，电磁辐射信息采集处理单元、卫星定位单元、无线通信模块分别与通信接口模块通信连接；电磁辐射信息采集处理单元采集并处理电磁辐射信息后通过通信接口模块传输至核心处理单元，卫星定位单元或无线通信模块通过通信接口模块向核心处理单元发送定位信息，核心处理单元处理接收到的电磁辐射信息和定位信息处理并通过人机交互模块显示或依序通过通信接口模块、无线通信模块发送至网络。下面对本发明展开详细的说明。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，核心处理单元是一块PC104工程板卡，该PC104工程板卡的主要结构包括连接在INTEL ich8m主板上的Intel Atom N455型CPU、DDRIII型内存、显示外设接口、数据存储接口、通信接口。显示外设接口、DDRIII型内存、数据存储接口、通信接口分别与Intel Atom N455型CPU连接。显示外设接口主要连接人机交互模块，用于用户设置控制命令和显示处理后的数据信息。数据存储接口主要连接存储装置用于存储处理后的数据信息。通信接口主要连接电磁辐射信息采集处理单元用于传输采集的辐射信息和连接通信接口模块用于接收定位信息或向网络发送处理后的数据信息。INTEL ich8m主板上还设置有pci-104connector接口，本发明可以通过pci-104connector接口扩展相应的功能。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，电磁辐射信息采集处理单元包括电磁辐射信号传感器、FPGA处理单元、差分放大电路、程控滤波电路、有效值转换电路、可控模数转换电路。电磁辐射信息传感器、差分放大电路、程控滤波电路依序电连接。程控滤波电路、有效值转换电路电连接。程控滤波电路、有效值转换电路分别与可控模数转换电路电连接。可控模数转换电路与FPGA处理单元电连接。FPGA处理单元通过串口芯片与光纤通信接口连接。由于电磁辐射传感器的输出信号比较微弱，传感器内部器件也存在温漂，因此，本发明采用差分放大的方法进行小信号放大，并把它转换为单端信号。差分放大电路对传感器输出的共模信号具有很强的抑制能力，能有效的减小传感器内部温漂的影响。由于系统要求采集的频带宽度不同，信号要进行不同程度的滤波，程控滤波电路通过接受FPGA处理单元设置的不同截止频率，将信号进行不同的滤波处理。同时，在经过差分放大之后，信号将会叠加出高次谐波成分，此过程也同样能消除高次谐波对信号的干扰。通过检测程控滤波器的输出信号，计算得到该信号的有效值。通过对该有效值的处理，将实时调控程控滤波器的品质因数。该电路将输入端的模拟信号转换为12位精度的数字信号，转换之后的数字信号将送到FPGA处理单元进行进一步的处理。本发明涉及的模拟量分别是滤波电路输出信号，以及有效值转换输出信号，通过FPGA单元对时序的判断，将在不同时间点分别对两路信号进行模数转换。

如图4所示，在使用时，测量时将电磁辐射信息采集处理单元置于被测环境中，内置的电磁辐射信号传感器将接收空间内的电磁辐射信息，后续差分放大电路、程控滤波电路、有效值转换电路、可控模数转换电路将该信号转换为可供系统参考的电平发送至FPGA处理单元处理。本电磁辐射信息采集处理单元连接核心处理单元，FPGA处理单元将处理后的电磁数据通过光纤通信接口送入通信接口模块传输至核心处理单元处理。在本发明的一个实施例中，电磁辐射信息采集处理单元与通信接口模块通过光纤连接。大大提高了信号的信噪比。通过高精度、超宽频带的电磁辐射信号传感器接收空间中微小的电磁信号，再通过后续差分放大、滤波、模数转换电路将其转化为可进行参考的电平，最后通过基于嵌入式系统开发的操作平台进行数据分析，将采集数据转化为对应的电磁场值，并且根据国际电磁环境标准给出电磁质量评判。本发明核心处理单元与电磁辐射信号采集单元通过通信接口模块双向通信，实现对空间电磁信号的检测，同时，对各个子功能模块进行控制，协同各部分工作。

如图1所示，本发明提供的宽频带多功能便携式电磁辐射检测设备还包括电源模块，电源模块与核心控制单元连接为电磁辐射检测设备提供电力来源。如图5所示，电源模块包括电池模块、充放电保护模块、电源开关模块、系统复位模块。该模块主体结构为7×3的锂电池组，容量共计21Ah，为整个系统供电，预留了若干正负12V、正负5V电源接口。同时，如检测到过充电、过放电情况，系统将自动断开充放电电路，保护电路安全。本发明采用锂电池供电，装置体积小，重量轻，辅助功能完善，检测性能优良，满足村镇电磁污染检测需求。

如图6所示，通信接口模块包括光纤通信器件，该通信接口模块一端连接核心处理单元，另一端分别连接电磁信号采集处理单元、无线通信模块、卫星定位模块。在通信接口模块中，采用光纤通信器件为光电信号的连接，可以有效防止电磁信号采集处理单元采集的微弱电磁辐射信号受到干扰。光纤通信器件主要包括HFBR1523芯片和HFBR2523芯片，HFBR1523芯片和HFBR2523芯片均是双向光电转换器。HFBR1523芯片传输串口信号中的发送信号TXD，HFBR2523芯片传输串口信号中的接收信号RXD。当辐射采集处理单元完成信号处理时，将本地的串口电信号送到该模块的输入端，于是这个信号将以光的形式传送到核心处理单元。核心处理单元作为接收端再将光信号再还原回电信号，再继续完成信号的后续处理。反之亦然。

本发明提供的宽频带多功能便携式电磁辐射检测设备在使用过程中有可能会产生大量的热量，为了防止本电磁辐射检测设备在使用时因为高温产生故障，导致检测出的数据不准确，本电磁辐射监测设备还包括温度检测模块。温度检测模块与核心处理单元连接。如图7所示，温度检测模块包括温度测量芯片，该温度测量芯片用于测量系统内部温度，温度测量芯片与核心处理单元连接。温度测量芯片检测到的温度信息实时传输至核心处理单元，在温度过高时核心处理单元控制并采用降温措施。

如图8所示，在本发明提供的电磁辐射检测设备中人机交互模块包括键盘鼠标接口模块、显示接口模块，该人机交互模块是电磁辐射检测设备和用户之间交互渠道。键盘鼠标接口模块可以连接键盘或鼠标实现用户对电磁辐射监测设备发送控制命令。显示接口模块连接显示器用于向用户展示核心处理单元处理后的监测数据。显示器优选液晶显示器。

在本发明中，卫星定位单元包括GPS信号接收器、GPS信号处理芯片。如图9所示，GPS信号接收器(GPS天线接口)与GPS信号处理芯片连接，GPS信号接收器通过接收、解析卫星返回码，发送至GPS信号处理芯片，在GPS信号处理芯片中提取出本地坐标、时间等信息，将这些信息送入核心处理单元做进一步分析。

如图10所示，无线通信单元包括射频信号收发器、传送数据打包解析电路,射频信号接收器与传送数据打包解析电路连接。无线通信单元在使能之后，核心处理单元处理后的数据通过通信接口模块发送到无线通信单元，传送数据打包解析电路将接收到的数据按照规定格式进行打包，并且通过射频信号收发器发送到设置好的IP地址上。当GPS卫星无法定位时，调用无线通信单元获取基站的位置信息定位。

本发明提供的宽频带多功能便携式电磁辐射检测设备的工作过程是这样的：

步骤1：用户通过人机交互模块连接的键盘或鼠标对电磁辐射检测设备输入控制命令，人机交互模块将控制命令传输至核心数理单元，核心处理单元根据用户输入的控制命令对通信接口模块、人机交互模块、温度检测模块，电源模块进行初始化配置，同时检测各个模块的返回值，保证各模块工作正常，无错误信息。

步骤2：如图11所示，核心处理单元根据用户输入的控制命令通过光纤向电磁信号采集处理单元发送启动指令，等待该单元即时返回响应信号；核心处理单元接收到采集处理单元的响应信号之后，将继续向其发送系统初始化指令，将传感器初始化。

步骤3：核心处理单元从人机交互模块中取出当时操作人员在测量界面设置的参数，同时向采集处理单元发送状态请求指令，如得到响应，核心处理单元将把一系列的设置参数下发到采集处理单元中，令其重新设置传感器。

步骤4：核心处理单元等待用户点击“开始测量按键”，一旦接收到此指令，便向采集处理中心发送采集开始信号，于是整个采集过程开始。

步骤5：核心处理单元和信号采集处理单元进行双向通信，对采集处理单元工作状态进行实时监测和控制，同时对数据进行整理、显示和存储。

步骤6：在数据采集过程中，核心处理单元会实时监控用户对上位机界面的操作，如有设置的更改，将从步骤2进行重复。

如图11所示，用户对获取电磁辐射检测设备更改后电磁辐射检测设备的工作流程如下：用户选择传感器端口发送启动指令，等待传感器开启，设置测量模式测量类别，等待传感器返回模式设置完成指令；设置采样点数采样窗口时时长，在人机交互模块显示实时波形和强度；卫星定位单元定位位置信息并存储信息。如果检测到测量模式有更改，则返回设置测量模式测量类别重新测量。测量结束关闭电磁辐射信号传感器中的传感器。

如果用户进行了定位设置，系统将开启卫星定位单元。核心处理单元通过分析该模块的返回值，提取出测量位置的地理信息。由于测量环境的不明确，可能会导致卫星无法定位，这时系统会自动切换为基站定位方式。这样保证了本系统在任何环境情况下都能进行可靠的位置确定。如图12所示，卫星定位单元的工作流程如下：开启卫星定位单元接收卫星信号，卫星定位单元等待找卫星信号，并判断是否返回有效信息。如果返回有效信息，则卫星定位成功，解析NMEA(National Marine Electronics Association)码获得经纬度信息。如果未返回有效信息则开启基站定位模式，调用无线通信模块获取无线基站的位置信息。根据无线基站的位置信息获取电磁辐射检测设备的经纬度信息。获得经纬度信息后调用谷歌地图进行位置标注，定位结束关闭卫星定位单元。

如果用户进行了数据远程传送设置，系统将开启无线通信模块。核心处理单元将使能该无线通信模块，将处理后的数据按照规定格式进行打包后发送到指定的IP地址上。如图13所示，数据远程传送的工作流程如下：上位机通过网络与无线通信模块握手操作并设置回显，无线通信模块检查当前信号质量；无线通讯模块查询是否有可用的注册网络，并查询是否附着GPRS网络；设置接入点，激活移动场景，获取本地IP地址，与上位机通过网络简历TCP/IP连接；无线通讯模块向上位机发送数据，数据发送完成后关闭TCP/IP连接。

综上所述，本发明提供的宽频带多功能便携式电磁辐射检测设备，空间辐射信号采集宽度为0Hz-6GHz范围内，电场测量范围在0.3V/m至450V/m，工频电场精度是0.1mV/m，射频电场精度是0.1V/m；磁场测量范围在0.3nT至10mT，工频磁场精度为0.1nT，射频磁场精度为20nT。工作温度从-20°到达55°。采用了多线程同步技术、高精度数据采集技术、信号采集处理单元与核心处理单元采用光纤通信的方式，保证了数据的无损传输。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种宽频带多功能便携式电磁辐射检测设备,其特征在于，包括：电磁辐射信息采集处理单元、核心处理单元、通信接口模块、人机交互模块、卫星定位单元、无线通信模块；

所述人机交互模块、所述通信接口模块分别与所述核心处理单元通信连接，所述电磁辐射信息采集处理单元、所述卫星定位单元、所述无线通信模块分别与所述通信接口模块通信连接；

所述电磁辐射信息采集处理单元采集并处理电磁辐射信息后通过所述通信接口模块传输至所述核心处理单元，所述卫星定位单元或所述无线通信模块通过所述通信接口模块向所述核心处理单元发送定位信息，所述核心处理单元处理接收到的电磁辐射信息和定位信息处理并通过所述人机交互模块显示或依序通过所述通信接口模块、所述无线通信模块发送至网络；

所述宽频带多功能便携式电磁辐射检测设备还包括电源模块；

所述电源模块包括电池模块、充放电保护模块、稳压模块、系统复位模块；

所述电池模块与所述充放电保护模块、所述模块并联，所述复位模块与所述稳压模块串联；

所述电磁辐射检测设备还包括温度检测模块；

所述温度检测模块与核心处理单元连接；

所述温度检测模块检测到的温度信息实时传输至核心处理单元。

2.如权利要求1所述的电磁辐射检测设备,其特征在于，所述核心处理单元包括：

中央控制器、内存单元、显示外设接口、数据存储接口、通信接口；

显示外设接口、内存单元、数据存储接口、通信接口分别与中央控制器连接；

显示外设接口连接人机交互模块，用于用户设置控制命令和显示处理后的数据信息；数据存储接口主要连接存储装置用于存储处理后的数据信息；通信接口主要连接电磁辐射信息采集处理单元用于传输采集的辐射信息和连接通信接口模块用于接收定位信息或向网络发送处理后的数据信息。

3.如权利要求1所述的电磁辐射检测设备,其特征在于，所述电磁辐射信息采集处理单元包括：

电磁辐射信号传感器、FPGA处理单元、差分放大电路、程控滤波电路、有效值转换电路、可控模数转换电路；

所述电磁辐射信息传感器、所述差分放大电路、所述程控滤波电路依序电连接，所述程控滤波电路、所述有效值转换电路电连接，所述程控滤波电路、所述有效值转换电路分别与所述可控模数转换电路电连接，所述可控模数转换电路与所述FPGA处理单元电连接，所述FPGA处理单元通过串口芯片与光纤通信接口连接；

所述电磁辐射信号传感器将接收空间内的电磁辐射信息，后续所述差分放大电路、所述程控滤波电路、所述有效值转换电路、所述可控模数转换电路将该信号转换为可供系统参考的电平发送至所述FPGA处理单元处理，所述FPGA处理单元将处理后的电磁数据通过光纤通信接口送入通信接口模块传输至所述核心处理单元处理。

4.如权利要求1所述的电磁辐射检测设备,其特征在于，所述卫星定位单元包括GPS信号接收器、GPS信号处理芯片；

所述GPS信号接收器与GPS信号处理芯片连接；

所述GPS信号接收器通过接收、解析卫星返回码，发送至所述GPS信号处理芯片，在所述GPS信号处理芯片中提取出本地坐标、时间等信息，将本地坐标、时间信息通过所述通信接口模块发送至所述核心处理单元做进一步分析。

5.如权利要求1所述的电磁辐射检测设备,其特征在于，所述无线通信模块包括射频信号收发器、传送数据打包解析电路；

所述射频信号接收器与所述传送数据打包解析电路连接；

核心处理单元处理后的数据通过所述通信接口模块发送到所述无线通信模块，所述传送数据打包解析电路将接收到的数据按照规定格式进行打包，并且通过所述射频信号收发器发送到设置好的IP地址上。

6.如权利要求1所述的电磁辐射检测设备,其特征在于，所述通信接口模块包括光纤通信器件，所述光纤通信器件一端连接核心处理单元，另一端分别连接电磁信号采集处理单元、无线通信模块、卫星定位模块。