CN105203979A - 一种静电测向系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测向系统，具体涉及一种静电测向系统，包括静电传感器、信号调理电路、A/D转换器、FIR数字滤波器、算法实现模块和串口传输模块，所述静电传感器通过感应获得静电目标信号，所述静电目标信号进过信号调理电路，达到A/D转换器的输入电平要求，再经由A/D转换器将其转换为数字信号，所述数字信号经过FIR数字滤波器滤除高频噪声，然后由算法实现模块进行计算得到结果，最终由串口传输模块将结果输出；所述FIR数字滤波器、算法实现模块和串口传输模块由一片FPGA芯片实现，所述FPGA芯片上还连接有晶振和EPROM。本发明的静电测向系统，将使系统电路设计更加简洁、可靠、灵活，特别是其可重复编程的特点，将可以有效地缩短开发周期，并降低开发成本。

Description

一种静电测向系统

技术领域

本发明涉及一种测向系统，具体涉及一种静电测向系统。

背景技术

目标运动中产生的静电场是一种可以利用的信息源，任何使用发动机或移动的物体都必定会因为各种不同的带电过程而带上静电，静电探测是通过感应目标物体与探测单元之间的静电场而获得目标物体静电信息的一种探测体制。静电探测的理论基础是静电场原理，利用感应电极和带电体运动时距离变化引起感应电场变化，通过检测电路获取信号，从而获得运动带电体的信息。静电探测技术由于其采用被动式的探测方式，具有结构简单、方便灵活等优势，可应用于医疗检测、安保系统、人机交互以及运动训练等方面。由于静电探测系统成本低，可大量安装在如医院等需要进行监护的场所，对被监护者的运动状况进行跟踪检测。

发明内容

本发明提供一种静电测向系统，具有高输入阻抗、高灵敏度、实时性好、延时短、可靠性高等优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种静电测向系统，包括静电传感器、信号调理电路、A/D转换器、FIR数字滤波器、算法实现模块和串口传输模块，所述静电传感器通过感应获得静电目标信号，所述静电目标信号进过信号调理电路，达到A/D转换器的输入电平要求，再经由A/D转换器将其转换为数字信号，所述数字信号经过FIR数字滤波器滤除高频噪声，然后由算法实现模块进行计算得到结果，最终由串口传输模块将结果输出；所述FIR数字滤波器、算法实现模块和串口传输模块由一片FPGA芯片实现，所述FPGA芯片上还连接有晶振和EPROM。

所述静电传感器包括静电探测电极和静电传感器检测电路。所述的静电传感器检测电路包括第一级放大电路、第二级放大电路和陷波器；信号首先由第一级放大电路和第二级放大电路放大后，然后再经陷波器进行滤波。所述第一级放大电路采用场效应管作为放大电路。所述第二级放大电路采用三极管放大电路。

所述静电测向系统还包括静电传感器标定系统，所述静电传感器标定系统包括可调稳压电源、电阻分压网络和平行板电容箱，所述平行板电容箱由2块平行的上下金属极板构成，极板间采用绝缘支架支撑，所述上极板是完整的平面，下极板在中心开孔，标定时将静电探测电极放置在孔上，紧贴下极板，所述电阻分压网络围绕在平板电容箱四周，所述可调稳压电源加载在2块金属极板上。所述绝缘支架的材料的聚四氟乙烯。

本发明的静电测向系统，针对静电信号的特点，要求静电信号检测电路具有高输入阻抗和高灵敏度，采用了基于场效应管的第1级放大电路和基于运算放大器的第2级放大电路设计结构；由于采用探测电极阵列实现测向，各路电极输出一致性对测向精度影响较大，设计了静电传感器标定系统保证静电探测阵列各路一致性；在信号处理电路的设计中采用FPGA器件作为时序控制和信号处理的处理器，将使系统电路设计更加简洁、可靠、灵活，特别是其可重复编程的特点，将可以有效地缩短开发周期，并降低开发成本。

附图说明

图1为静电场矢量探测法示意图；

图2为静电传感器框图；

图3为滤波电路原理图；

图4为标定原理示意图；

图5为标定系统组成图；

图6为静电测向系统组成框图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的内容作进一步叙述。

一种静电测向系统，包括静电传感器、信号调理电路、A/D转换器、FIR数字滤波器、算法实现模块和串口传输模块，所述静电传感器通过感应获得静电目标信号，所述静电目标信号进过信号调理电路，达到A/D转换器的输入电平要求，再经由A/D转换器将其转换为数字信号，所述数字信号经过FIR数字滤波器滤除高频噪声，然后由算法实现模块进行计算得到结果，最终由串口传输模块将结果输出；所述FIR数字滤波器、算法实现模块和串口传输模块由一片FPGA芯片实现，所述FPGA芯片上还连接有晶振和EPROM。

本系统采用的测向原理是静电场矢量探测法。4块静电感应电极正交敷设，如图1所示，电极A、B位于x轴，对称于坐标原点；电极C、D位于y轴，对称于坐标原点。这两对极板的连线正交，每对极板间距为口。在OXYZ空间有一点电荷Q，其携带电量为q，距坐标原点的距离为R。在原点附近足够小的范围内，可以认为由该点电荷形成的静电场层为匀强场，其在XOY平面的投影与x轴正向的夹角为θ，该角度即为目标的方位角。由于静电场的作用，此电场在极板对AB、CD上产生电势差U_AB、U_CD，根据几何关系，可得：

U_AB＝[q/(4πε0εrR2)]*a*sinβ*cosθ

U_CD＝[(－q)/(4πε0εrR2)]*a*sinβ*sinθ

式中：ε₀是真空介电常数，ε_r为点电荷周围介质的相对介电常数。如果测得U_AB、U_CD，则可求出区域内的静电场强度，进而得到区域内静电目标的方位角θ。

θ＝arccos[U_AB/(U_AB ²+U_CD ²)]

在本系统中，利用4个静电传感器组成探测阵列，可实现对带电运动目标方向的识别。静电传感器由探测电极连接检测电路组成，利用4个静电传感器接收到的静电信号的差别，可实时计算目标的方位角。由于该测向算法利用4路传感器输出幅值进行计算，因此对静电传感器输出信号的幅值一致性和相位一致性要求较高。

所述静电传感器包括静电探测电极和静电传感器检测电路。所述的静电传感器检测电路包括第一级放大电路、第二级放大电路和陷波器；信号首先由第一级放大电路和第二级放大电路放大后，然后再经陷波器进行滤波。所述第一级放大电路采用场效应管作为放大电路。所述第二级放大电路采用三极管放大电路。

在静电测向系统中，静电传感器尤为重要。静电传感器主要包括静电探测电极和静电传感器检测电路2部分。探测电极的功能是感知目标周围空间的静电场变化而产生的微弱电流，而静电传感器检测电路的功能是对采样电压进行放大，后端的滤波电路对电压信号进滤波，提高信噪比。静电传感器检测电路的系统框图如图2所示。

由于静电探测电极上感应到的电流是极微弱的(通常为l0^-12A级别)，因此要求电极的基材具有良好的绝缘性，同时要求电极在外界环境变化时可以保持性能的稳定，以避免感应电流受到影响。在本系统中采用静电传感器检测电路，为实现高精度测向指标，要求静电传感器电路具有高灵敏度，以满足对探测电极感应到的微弱电流的获取；为了减小电路的输入电阻对采样电阻的影响，要求其具有大输入电阻。此外，基于多路传感器的测向算法对静电传感器性能的一致性提出了很高的要求。静电传感器检测电路采用采样电阻及多级电压放大电路结构。该电路首先通过采样电阻对微弱电流采样，在采样电阻上输出采样电压，放大电路对采样电压进行放大，以达到能够被后续电路处理的强度。由于放大电路以采样电压为输入信号，采样电阻需与放大电路并联，为实现高输入阻抗及高灵敏度，放大电路分为2级。第1级采用场效应管作为放大电路，场效应管输入端电流极小，输入电阻很大(一般在百兆欧左右)，相比于集成运放，场效应管价格低廉，也可降低成本。第2级采用三级管放大电路，主要作用是提供较高的增益来达到指标要求。利用Muhisim软件对电路进行仿真，在第1级电路的输入端加上一个幅值为50pA、频率为60Hz的电流信号作为被检测的微弱电流信号。

由于放大电路增益设置极高，电路中的噪声随之放大，尤其是实验室环境中50Hz的工频干扰严重地影响着电路的正常工作。因此需要在放大电路的后一级设计一个50Hz陷波器，这里采用电阻电容组成的无源双T型网络滤波器，电路如图3所示。

所述静电测向系统还包括静电传感器标定系统，所述静电传感器标定系统包括可调稳压电源、电阻分压网络和平行板电容箱，所述平行板电容箱由2块平行的上下金属极板构成，极板间采用绝缘支架支撑，所述上极板是完整的平面，下极板在中心开孔，标定时将静电探测电极放置在孔上，紧贴下极板，所述电阻分压网络围绕在平板电容箱四周，所述可调稳压电源加载在2块金属极板上。所述绝缘支架的材料的聚四氟乙烯。

测向算法是利用多路静电信号在某一时刻的幅值进行计算，因此要求多个静电探测电路具有较高的一致性，以提高测向精度。对探测电路的准确标定是使其进行精确探测的前提，探测电路的标定是在已知数值的电场中进行的。因此本系统还设置有静电传感器标定系统，，在2块相距一定距离的平板电极上加上稳定电压，电极间即产生近似的均匀电场，如图4所示。标定时，将传感器电极放人电场箱，使电极感应面与电场方向垂直，通过切断稳压电源使电极间电场发生变化，比较理论计算值与传感器测量值，从而实现标定。

利用该系统对静电传感器检测电路进行标定，标定的目的并不是确定每个检测电路的绝对测量值是否足够准确，而是使得静电测向系统各传感器具有良好一致性，为实现高测向精度提供基础。标定装置由可调稳压电源、电阻分压网络、平行板电容箱构成，如图5所示。平行板电容箱由2块平行的金属极板构成，极板间采用聚四氟乙烯绝缘柱。电阻分压网络采用25：l的电阻分压。上极板是完整的平面，下极板在中心开孔，标定时将探测电路的电极放置在孔上，紧贴下极板，电极是由铜箔贴于聚四氟乙烯绝缘板上制成。因为平行板电容箱做得很大时，很难在保证上下2个极板相互平行，极板中心部位的下垂会导致内部电场畸变；但是平行板面积不大时，在边缘又会有比较明显的电场畸变，为了解决这个问题，特别在标定箱的四周平行地绕了许多导线环，导线环从上往下等距离放置，极板与导线环，以及导线环之间由等值分压电阻相连，使得导线环的电位梯度依次下降，从而有效地消除了标定箱的边缘效应，提高了探测电路的标定精度。分别对4个传感器电路标定后，得到它们的标定系数，进行归一化处理。在进行数字信号处理时，对每个传感器输出的信号采样后，分别乘上对应的标定系数，即实现了提高多个静电探测电路一致性的目的。

静电测向系统主要包括静电传感器、信号调理电路、A/D转换器以及FPGA信号处理电路等部分。传感器通过感应极板获得静电目标信号，通过A/D转换器将其转换成数字信号，由FPGA控制A/D转换器的工作时序并实现测向算法，输出目标方位信息。图6是静电测向系统的组成框图。所选用的静电传感器包括多级放大电路和50Hz陷波器2部分。模拟信号在进入A/D转换器之前，要先经过信号调理电路，以适应A/D转换器的输入电平要求。根据测向算法，目标的角度信息是利用信号的幅值计算出来的，因此应选用可实现多路同时采样的A/D转换器，以减小误差。

本系统的主时钟为10MHz。上电后，配置芯片EPROM为FPGA加载已经编写好的程序。当FPGA确认探测电路捕捉到目标信号后，通过已经存在于片内并经过大量仿真的软件算法，确定目标的方位。最终将得到的角度信息通过串口输出。

静电测向系统的信号处理模块根据其功能可分为FIR滤波、测向算法实现2个主要模块。本系统采用了4个静电传感器，需要FPGA控制A/D转换器采集，并对4个通道的信号分别进行滤波。本系统的目标信号为低频信号，可以通过低通滤波器滤除高频噪声。通过FIR低通数字滤波器来滤除输入噪声，具有系统稳定、运算速度快和设计更为灵活等优点，由FPGA实现的数字滤波器可以克服模拟滤波器所无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。结合目标信号频率和本系统的采样频率，数字滤波器选用12阶Kaiser窗函数FIR低通滤波器，其截止频率为40Hz。通过MATLAB滤波器工具箱FDATOOL获得滤波系数，在此基础上用HDL语言编写相应的源程序，并通过仿真和实验的方法对其滤波效果进行验证。设计中，根据本系统采样频率较低而系统时钟较高的特点，采用串行滤波器设计方法，复用硬件乘法器和加法器资源，减少逻辑单元的使用，有效地节省了片上资源。

算法实现模块又可分为数据转换、开方运算、除法运算、反三角运算等子模块。根据测向算法，FPGA需要实现乘方、开方、除法、反余弦等运算。其中，开方和除法子模块可以使用Ahera器件QuartusTI开发软件自带的IP核，由于这两种IP核均为浮点数运算，因此需将定点数转化为浮点数，引入数据转换子模块，运算结束后，还需利用该模块将浮点数转化为定点数。反余弦子模块采用查找表的方式来处理，查找表由MATLAB软件生成。反余弦子模块的输出即为目标的方位角信息。

Claims (7)

1.一种静电测向系统，其特征在于：包括静电传感器、信号调理电路、A/D转换器、FIR数字滤波器、算法实现模块和串口传输模块，所述静电传感器通过感应获得静电目标信号，所述静电目标信号进过信号调理电路，达到A/D转换器的输入电平要求，再经由A/D转换器将其转换为数字信号，所述数字信号经过FIR数字滤波器滤除高频噪声，然后由算法实现模块进行计算得到结果，最终由串口传输模块将结果输出；所述FIR数字滤波器、算法实现模块和串口传输模块由一片FPGA芯片实现，所述FPGA芯片上还连接有晶振和EPROM。

2.根据权利要求1所述的静电测向系统，其特征在于：所述静电传感器包括静电探测电极和静电传感器检测电路。

3.根据权利要求2所述的静电测向系统，其特征在于：所述的静电传感器检测电路包括第一级放大电路、第二级放大电路和陷波器；信号首先由第一级放大电路和第二级放大电路放大后，然后再经陷波器进行滤波。

4.根据权利要求3所述的静电测向系统，其特征在于：所述第一级放大电路采用场效应管作为放大电路。

5.根据权利要求3所述的静电测向系统，其特征在于：所述第二级放大电路采用三极管放大电路。

6.根据权利要求1所述的静电测向系统，其特征在于：所述静电测向系统还包括静电传感器标定系统，所述静电传感器标定系统包括可调稳压电源、电阻分压网络和平行板电容箱，所述平行板电容箱由2块平行的上下金属极板构成，极板间采用绝缘支架支撑，所述上极板是完整的平面，下极板在中心开孔，标定时将静电探测电极放置在孔上，紧贴下极板，所述电阻分压网络围绕在平板电容箱四周，所述可调稳压电源加载在2块金属极板上。

7.根据权利要求6所述的静电测向系统，其特征在于：所述绝缘支架的材料的聚四氟乙烯。