（无线电物理专业论文）智能电场探头的通信接口.pdf

摘要 摘要 随着现代电子工业的迅速发展及电器产品的普及，人们生存环境中的电磁能 量密度不断提高，电磁污染也日益严重。电磁辐射对该空间内的人员和设备产生 了影响成为了研究热点，开发高质、廉价、耐用的电磁辐射测量仪器更是研究工 作中的重中之重。 本文分析了电磁辐射的基本原理和电磁测量的基本方法，介绍了基于单片机 c 8 0 5 1 f 3 2 0 和a d 7 7 1 4 的智能电场探头通信接口的设计方案。设计分为上位机与 单片机控制单元之间的通信接口和模数转换模块与单片机控制单元之间的通信接 口两大部分。通过对有关芯片性能的对比和分析，选择了合适的芯片及其外围电 路，实现了硬件部分的设计。软件设计中，采用单片机的u a r t 通信方式实现上 位机与单片机控制单元之间的通信；单片机控制单元与模数转换模块之间的通信 通过单片机的增强型s p i 串口通信方式来完成，从而实现了模数转换模块、单片 机控制单元和上位机之间的数据通信。 在硬件和软件完成的基础上，对模块功能进行了测试，包括对上位机与单片 机控制单元之间的数据传输测试以及命令传输测试。结果表明，上位机与单片机 控制单元之间的数据传输准确，单片机控制单元能够识别上位机发出来的命令， 为进一步的智能电场探头制作奠定了基础。 关键词：电磁辐射电场探头0 8 0 5 1f 3 2 0n ) 7 7 1 4 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e me l e c t r o n i ci n d u s t r ya n dt h ep o p u l a r i t yo f e l e c t r i c a lp r o d u c t s ，t h ee l e c t r o m a g n e t i ce n e r g yd e n s i t yb e c o m e sh i g h e rg r a d u a l l ya n d t h ee l e c t r o m a g n e t i cp o l l u t i o ni sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s n ei n f l u e n c eo f e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o no nh u m a na n do t h e rd e v i c e sh a sb e c o m eaf o c u so fr e s e a r c h t h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nm e a s u r i n gi n s t r u m e n t s 诵mm 曲 q u a l i t y , l o wc o s ta n dd u r a b i l i t yi so fs i g n i f i c a n tp r i o r i t y 硒eb a s i cp r i n c i p l e so fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o na n dt h eb a s i cm e t h o d so ft h e e l e c t r o m a g n e t i cm e a s u r e m e n ta r ea n a l y z e d ，a n dt h es o l u t i o no fi n t e l l i g e n te l e c t r i cf i e l d p r o b ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb a s e do nt h ec 8 0 5 1f 3 2 0m i c r o c o n t r o l l e ra n da d 7 714 i si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r 1 1 1 es o l u t i o ni sd i v i d e di n t ot w op a r t s ，t h ec o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c eb e t w e e nt h em c ua n dt h eu p p e rc o m p u t e r , a n dt h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e b e t w e e nt h ea da n dt h em c u t h eh a r d w a r es o l u t i o ni sc o m p l e t e db yc h o o s i n gp r o p e r c h i p sa n de l e c t r i cc i r c u i t sb a s e do nt h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so fa s s o c i a t ec h i p s i n t h es o f t w a r es o l u t i o n , t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eu p p e rc o m p u t e ra n dt h em c ui s b a s e do niy ar to ft h em c u ，w h i l et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ea da n dt h em c u i sb a s e do ns p i s ot h ea d ，t h em c ua n dt h eu p p e rc o m p u t e ri sa b l et oc o m m u n i c a t e 、析t he a c ho t h e r t h ef u n c t i o n so ft h es y s t e ma r et e s t e dw h e nt h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r ea n dt h e h a r d w a r ei sf i n i s h e d t h et e s t si n v o l v ed a t at r a n s m i s s i o na n dc o m m a n dt r a n s m i s s i o n b e t w e e nt h eu p p e rc o m p u t e ra n dt h em c u e x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h ea c c u r a c yo f t h ed a t at r a n s m i s s i o na n dt h ec o m m a n dt r a n s m i s s i o n , w h i c hl a y st h ef o u n d a t i o nf o r t h e d e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n te l e c t r i cf i e l dp r o b ei nt h en e x ts t e p k e y w o r d ：e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n ，e l e c t r i cf i e l dp r o b e , c 8 0 5 l f 3 2 0 ，a d 7 7 1 4 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：殛缝 日期丝! ! ：墨：垒 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期型12 ：三! 睑 日期z l 阜- ! 互 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电场辐射的危害 从1 8 2 0 年丹麦科学家奥斯特发现电流的磁效应以来，电磁理论在科学技术领 域的应用内得以迅速发展，变压器、电动机等电力设备，无线电广播、无线电通 信、电视等无线电设备，微波炉、核辐射等非工业设备，高频热和机、高频焊接 机、高频淬火机等等新兴的设备都要使用到电磁感应的原理。随着科学技术的不 断发展，电磁技术已广泛应用于国民经济的各个部门。它的应用不仅给人类创造 了巨大的物质文明，同时也把人们带进一个充满人造电磁辐射的环境里。电磁辐 射是一种看不见、摸不着，难以感知的“隐形污染 ，西方环保学者称电磁辐射 为“幽灵电波 1 l 。 电磁辐射危害主要有2 个方面：一是对人体和生物的危害；二是对电器设备的 影响。 1 1 1 电场辐射对人体的危害 电磁辐射作用于人体会产生一系列生物效应 2 1 。1 3 0 11 0 0 兆赫的频段，可 透入人体1 5 厘米以上，激发机体深部细胞，还会影响及破坏人体原有的生物电流 和生物磁场，使人体内原有的电磁场发生异常。还会使生物分子细胞的排列遭到 破坏，使之相互摩擦生热。人体的肢体运行是靠生物电流操作，当受n # l - 界的电 磁辐射干扰时，机体的生物电流将发生紊乱。电磁能量还在体内转化为热能，引 起人体热平衡的失调；由于眼睛属于人体对电磁辐射的敏感器官，过高的电磁辐 射污染还会对视觉系统造成影响，它能够造成“微波性白内障”，引起白内障等； 破坏睾丸的生精能力，导致不孕症；引起心血管功能改变。儿童的神经系统娇嫩， 若遭受到强大的电磁辐射后，使大脑发育迟缓，生物钟调节紊乱。在这种环境下 工作生活过久，电磁波的干扰，使人体组织内分子原有的电场发生变化，给组成 脑细胞的各种生物分子以一定程度的破坏。产生过多的过氧化物等有害代谢物， 甚至使脑细胞的d h a 密码排列错乱，制造出一些非生理性的神经递质。人体如 果长期暴露在超过安全的辐射剂量下，人体细胞就会被大面积杀伤或杀死。同理， 对生物体也存在类似的危害。下面详细介绍其对人体健康的危害 3 1 。 医学研究证明，长期处于高电磁辐射的环境中会使人的血液、淋巴液和细胞 原生质发生改变。意大利专家研究后认为，意大利每年有4 0 0 多名儿童患白血病， 其主要原因是距离高压电线太近，因而受到了严重的电磁辐射污染【4 j 。 电磁辐射影响人的心血管系统。主要表现为心悸、失眠、部分女性经期紊乱， 心动过缓，心搏血量减少，窦性心律不齐，自细胞减少，免疫功能下降等。 2智能电场探头的通信接口 电磁辐射是癌症的重要诱因。电磁辐射污染会影响人体的循环系统以及免疫、 生殖和代谢功能，严重的还会诱发癌症，并会加速人体癌细胞的增加。瑞士的研 究资料指出，周围有高压线经过的住户居民，患乳腺癌的概率比常人高7 4 倍。美 国得克萨斯州癌症医疗基金会针对一些遭受电磁辐射损伤的病人所做的抽样化验 结果表明，在高压线附近工作的工人，其癌细胞生长速度比一般人要快2 4 倍【5 j 。 电磁辐射对人们的视觉系统有不良影响。由于眼睛属于人体对电磁辐射的敏 感器官，过高的电磁辐射污染会引起视力下降以及由于晶状体变混浊而导致白内 障等。 电磁辐射可导致儿童智力残缺。据最新调查显示，我国每年出生的2 0 0 0 万儿 童中，有3 5 万为缺陷儿，而且其中有2 5 万儿童为智力残缺，有专家认为电磁辐射 是影响因素之一。世界卫生组织认为，计算机、电视机、移动电话的电磁辐射对 胎儿有不良影响1 6 j 。 总之，过度的电磁辐射对人体健康危害严重。 1 1 2 电场辐射对电子产品的危害 电子产品的外部和内部存在着各种电磁干扰。外部干扰是指除电子产品所要 接收的信号以外的外部电磁波对产品的影响。其中有些是自然产生的，如宇宙干 扰、地球大气的放电干扰等。有些是人为的，如电焊机、电吹风所产生干扰等。 内部干扰是由于产品内部存在着寄生耦合。寄生耦合有电容耦合、电感耦合， 这不是人为设计的。干扰会影响或破坏产品的正常工作。它带来的危害很多，比 如：破坏无线电通信的正常工作，影响电声和电视系统。如在许多大型机场，由 于手机发射台等大功率电磁信号的干扰，而影响飞机的正常起降；降低电气设备 仪表的工作性能，干扰遥控装置、自动开关的半导体脱扣器、数控电路和计算电 路等。如在我们日常工作和生活中，电磁波干扰能造成计算机计算和数据传输错 误、电视机图像紊乱、飞机导航系统的指挥失误等的事例屡见不鲜。有某厂精密 车间用汽油擦地，工人身上的静电与机床底座产生尖端放电导致火灾，又如安徽 引进美国的成套电力自动化设备，运行时竟有5 0 不能正常工作，经分析是人触及 设备产生静电放电所致等等。 许多正常工作的电子、电气设备所发生的电磁波能使邻近的电子、电气设备 产生干扰、性能下降乃至无法工作，甚至造成事故和设备损坏。例如，在身上安 装起搏器的人，只要靠近正在运行的电力变压器、电冰箱等，就会有不舒服的感 觉，起搏器可能会失调，目前，许多电子设备的内部基本电路都工作在低压状态， 如电视机的高频头、视频放大器、计算机主板、c p u 等，特别是随着半导体技术 的发展，集成电路工作电压越来越低，有的只有1 v 左右，甚至更低。因此，很容 易受到电磁波的辐射干扰，安全性和可靠性都受到威胁【7 j 。 第一章绪论 3 1 2 智能电场探头的简介 1 2 1 电场探头的发展历史 在无线电计量中，电场探头用于国家基准的量值传递和溯源；在电波暗室验 收的测试中，电场探头用于测量电场在e u t ( e q u i p m e n tu n d e rt e s t 即被测设备) 所处位置的均匀性；在射频电磁场抗扰度的测试中，电场探头用于测量在e u t 所处位置的校准场方格某一节点上的电场强度；在环境影响评价的测试中，电场 探头用于测量电磁辐射环境的电场强度。总之，在电磁兼容领域中，电场探头是 最重要的测试设备传感器之一。 1 9 7 6 年p a u lb r o d c u r 8 1 在纽约杂志上发表了一系列的文章，把当时人们 的争论焦点转移到电磁辐射的安全最低限上。从2 0 世纪6 0 年代末，随着大量的 事情的出现，证明了电磁波不仅仅存在热效应，也存在非热效应1 9 1 。【1 2 1 。基于对低 辐射的许多研究产生了微型电场探头。h b a s s e n 1 3 】等人发明了一种测量低电场强 度的电场探头，该探头由偶极子结构的天线以及非线性的检波单元检波二极 管组成。g i m p e l s o n t l 4 】在1 9 8 3 年发明了一种0 6 m m 长的偶极子的改进结构的电场 探头。接着m a r s b 啪【”】对电场探头进行了的详细的灵敏度分析以及低噪声放大分 析。h o w e r t o n 1 6 1 综合了上述三人的探头的结构，集成在一个锥形结构中组成了一 个三轴的各向同性的直径为l m m 的电场探头。在此之后越来越多的人研究电场 探头。 在电场探头的天线部分用到一个很重要的器件为s e h o t t k y 二极管，s c h o t t k y 二极管探头是美国标准技术研究院( n i s t ) 于1 9 8 1 年研制成功的高频区电场探 头的组成部分【l 刀。各向同性探头由三个相互正交的偶极子天线组成的。每个偶极 子天线的长度很小。在每个偶极子天线的中心空隙处装有一个由s c h o t t k y 二极管 组成的高频检波器，将偶极子天线上感应到的高频电压检波成为直流或者低频信 号，在通过高阻传输线传送到指示单元的输入端。这种场探头不仅有完美的各向 同性，而且动态范围超过6 0 d b 。可测的场强电平为( 1 1 0 0 0 ) v m ，等效于 ( o 0 0 0 6 2 5 6 2 5 ) m w c m 2 的平面波功率密度。电场探头的频率范围是1 0 0 k h z 4 g h z ，频率响应是l d b ，响应时间约为0 3 m s 。当电场强度为1 0 0 0 v m 时，s c h o r k y 二极管检波器的直流输出电压为1 0 v ，而s c h o r k y 二极管的反向击穿电压为7 0 v ， 所以不存在烧毁的问题。 美国标准技术研究院( n i s t ) 在这方面进行了大量的研究和探索，并研制成 功了各种不同类型的电场探头，以及与此相适应的高阻传输线和指示单元，主要 可归纳为以下两个方面： 1 、具有各向同性响应的高频场探头：其响应与电波的极化和电波到达的方向 无关。虽然不具有测量信号频率和相位的功能，但是可以测量电场的强度，可以 4 智能电场探头的通信接口 对人们具有警示作用。 2 、隔离场探头装置：为了排除电场探头对电磁场的扰动，就要将电场探头与 指示单元之间采用光纤传输线，二是在各向同性探头与指示单元之间采用高阻传 输线。这种高阻非金属传输线是渗碳的塑料线缆，共有两种规格：一种是具有滤 波作用的夹层线，其电阻约为8 0k q c m ，另一种是单丝线，其电阻约为 1 0 0 k q c m 。 图1 1 是电场探头的结构示意图，其结构大致上包括偶极子、整型网络、检 波器、低通滤波器、传输线和监控电路。根据天线理论，偶极子天线终端输出的 高频感应电压u 与偶极子轴向平行的待测场e 成正比，用端接平方率特性检波二 极管的三维正交偶极子天线总的直流输出正比于待测场的平方，而功率密度亦正 比于待测场的平方，因此经过校准后，的值就等于待测场的功率密度。如果 在电路中引入开平方电路，那么的值就等于待测电场强度值。其中是检波 后叠加的直流电压。因此，电场探头主要是将待测电场强度信号转变为电压信号。 图1 1 电场探头的结构示意图 1 2 2 智能电场探头的结构 随着电子行业的不断发展，人们对电子产品的智能化程度要求越来越高，对 其适用环境的范围也要求越来越宽【1 3 】。应用普通的电场探头进行电场测量，已经 不再适合人们用来实现电磁辐射防护预警，新型的智能化电场探头的开发被人们 提上了议事日程。 本文所涉及的智能电场探头，它是一种智能化的电场场强测量仪器，其目的 是检测电磁辐射污染强度与分布，了解空间内电磁辐射的综合强度及其空间分布， 通过测量评价电磁辐射强度是否对空间内的工作人员和设备产生影响。 其结构框架图如图1 2 所示。首先，天线和检波滤波部分，这部分将测量的 电强强度转化为电压信号，电压信号经过放大电路的放大，然后又a d 转换模块 第一章绪论 将模拟电压信号转换为m c u 和上位机可以存储和处理的数字信号。从a d 转换 模块出来的数字信号传送到m c u 后，将被存储或进行简单的数据处理。而数据 的进一步处理需要借助上位机的帮助，因此，一般的电场测量仪器都带有m c u 与上位机之间的通信接口。 图1 2 智能电场探头框架图 1 2 3 研究背景与研究目的 电磁辐射强度达到一定限值以后，将对人身健康或动物的生存安全等产生不 良影响，同时也对电子仪器、设备，包括通信设备的安全运行产生影响。e m f ( e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，电磁场) 已经成为最普遍的环境影响因素之一，所以无 论是发达国家还是发展中国家，人们越来越关心电磁场暴露可能导致的各种健康 效应【1 9 1 。为了避免和减小电磁辐射对健康的负面影响，起到防护和卫生安全的 作用，我国国家环境保护局、卫生部、信息产业部和国防科工委分别颁布实施多 项国家强制性标准和测量防护标准。这些标准对电磁辐射防护和卫生安全分别提 出了标准限值要求，对人身健康和安全、环境卫生以及通信设备安全等方面，在 一定时期确实起到了重要作用。在实际工作中，需要有简单、准确和高效的测量 仪器进行测量以判定所检测区域是否满足相关标准，最终确定敏感区域人员的安 全问题，这就促进了电场探头测量仪器的广泛应用。 我国现有的电磁辐射防护国家标准有电磁辐射防护规定( g b 8 7 0 2 _ 8 8 ) 【2 0 1 和 环境电磁波卫生标准( g b 9 1 7 5 - - 8 8 ) 【2 1 1 。 电磁辐射防护规定防护限值的适用频率范围为1 0 0 k h z 3 0 0 g h z ，规定 中的防护限值是可接受防护水平的上限值，并包括各种可能的电磁辐射污染的总 量值【2 2 1 。该标准分职业照射和公众照射两个标准。公众照射标准高于职业照射标 准。“环境电磁波卫生标准”分一级标准和二级标准。一级标准为安全区，是指在 该环境电磁波强度下长期居住、工作、生活的一切人群，均不会受到任何有害影 响的区域；二级标准为中间区，指在该环境电磁波强度下长期居住、工作、生活 6 智能电场探头的通信接口 的一切人群可能引起潜在性不良反应的区域。超过二级标准的地区可作为绿化带 或种植农作物等。 为保护人体健康，促进广播、通信等事业的发展，在已有的电磁辐射防护标 准的基础上，国家质量监督检验检疫总局组织有关部门成立了电磁辐射暴露限值 国家标准制定联合工作组，负责制定了电磁辐射暴露限值和测量方法国家标 准( 征求意见稿) 。规定了频率范围为0 h z f 3 0 0 g h z 的电磁辐射的人体暴露限值 和测量方法。根据不同人群的活动特征和不同频率的电磁波生物效应，标准对电 磁波作业人员和公众暴露限值规定了不同的要求。表1 1 和1 2 给出了职业和公众 暴露的导出限值( 可参考草案) 。 表1 1 时变电场和磁场的职业暴露导出限值( r m s 值) 电场强度e磁场强度h 磁感应强度b 等效平面波功 频率范围 率密度岛( 确 ( v m ) ( a m )( j l lt ) l h z2 6 4 0 03 1 2 0 0 lh z - 8 ：h z1 2 0 0 0 2 6 4 0 0 f 23 1 2 0 0 f 8 h z - 2 5 h z1 2 0 0 0 3 3 0 0 f3 9 0 0 f 0 0 2 5 k h z - 0 8 2 l 【h z3 0 0 3 3 f3 9 f 0 8 2 k h z - 3 k h z 3 0 0 f 44 8 3 l m z - 6 5 z1 0 044 8 0 0 6 5 m h z - 1m h z 1 0 0 乜。2 6 f 0 31 lm h z 一1 7 m h z3 00 l10 26 ，20 3i ，2 l7 m h z - 2 5 0 0 i l z2 4 20 0 6 20 0 7 6 1 5 2 5 g h z - 1 0g h z i5 2 ，20 q4 | f l 0 043 ，2o 6 f 1 0 g h z 3 0 0 g h z 4 8o 1 3o 1 56 表1 2 时变电场和磁场的公众暴露导出限值( r m s 值) 电场强度e磁场强度h 磁感应强度b 等效平面波功 频率范围 率密度删_ ，；) ( v m ) ( a m )( j “t ) 1 h z7 0 0 09 0 0 0 1 h z - 8 h z8 0 0 0 7 0 0 0 - 9 0 0 0 8 h z - 2 5 h z8 0 0 0 9 0 0 f 1 10 0 f 0 0 2 5 z - 0 8 2 i 【h z2 0 0 f0 9 f1 1 f o 8 2 i 【h z - 3 k h z2 0 0 f1 1 31 4 3 k h z - 6 5 l ( h z6 71 1 31 4 0 0 6 5 m h z - lm h z 6 7 0 1 7 f0 2 1 f 1i v l h z 1 7m 时z67 ，j - 30 17 ，f 2 0 2l ，2 17 m h z - 2 5 0 0 m 睢王z1 40 0 3 60 0 4 4o 5 2 5 g h z - l og h z 9 58 j - 20 026 ，20 028 ，2 1 7 5 1 0g h z 3 0 0g h z2 80 0 3 60 0 4 40 5 第一章绪论 7 对于频率为1 0 0 k h z 至1 0 g h z ，s 明、e 2 、n 2 、b 2 均是任意6 分钟的平均值； 对于超过1 0 g h z 的频率，s 钿、e 2 、h 2 、b 2 均是任意6 8 序m 5 分钟( f 单位为g n z ) 内的平均值；对于频率 l h z 没有提供e 场，在此频率下为静电场时场强应小于 1 2 5 k v m 。 电磁辐射暴露限值和测量方法国家标准( 征求意见稿) 的频率范围从低频 到微波频段，涉及到人们生活中所能接触到的电磁辐射的所有频率瞄j 。它将代替 g b 9 1 7 5 8 8 ( 环境电磁波卫生标准、g b 8 7 0 2 8 8 ( 电磁辐射防护规定、g b l 2 6 3 9 9 0 微波和超短波通信设各辐射安全要求【2 4 】、g b l 0 4 3 6 8 9 作业场所微波辐射卫 生标准、g b l 0 4 3 7 8 9 作业场所超高频辐射卫生标准1 2 5 】和g b l 6 2 0 3 。9 6 作业 场所工频电场卫生标准 2 6 1 。该标准的制定发布将规范有电磁辐射的设备的使用， 限制无用电磁信号的发射。必将对保护环境和公众健康，促进产业发展起到积极 的作用。 因此，今后相当一段时间内开展电磁辐射监测的单位和机构也日益增多，对 监测仪器需求量势必很大。积极研制开发高质、廉价、适用范围广的电场探头， 包括电场测量仪器的相关部件，是具有非常重要的现实意义的。 1 3 本文的主要工作 本文的主要工作是，设计智能电场探头的通信接口的硬件电路及其软件。 在硬件设计中，单片机控制单元与上位机之间的通信接口的设计将包括了单 片机控制单元的部分电路设计，而单片机控制单元与数模转换模块之间通信接口 则包括了数模转换模块。 在软件设计中，一方面，通过对单片机控制单元与上位机之间接口软件的设 计，使得单片机控制单元与上位机之间能够进行数据交换，即上位机可以对单片 机控制单元发送控制命令，而单片机能根据相应的命令，执行相应的子程序。另 一方面，通过对单片机控制单元与数模转换模块之间的接口设计，完成单片机控 制单元与数模转换模块之间的数据通信，从而将电场探头测量到的数据采集到单 片机上。 1 4 论文结构 本文主要是根据智能电场探头所要实现的功能所要达到的技术要求，依照相 关的电磁辐射标准，利用电磁辐射的检测技术、信号检测技术、信号处理技术和 计算机技术，设计出智能电场探头通信接口。 本文总共六章内容，第一章绪论，介绍了电场辐射的危害与防护，然后简单 8智能电场探头的通信接口 介绍智能电场探头的结构和功能，并讲述了本文的主要工作。第二章阐述了电磁 辐射基本原理和电磁测量的基本方法，在此基础上，综述了智能电场探头内部接 口硬件设计和软件设计。第三章讲述了智能电场探头的通信接口模块的硬件电路 设计。包括上位机与单片机控制单元之间的通信接口设计和模数转换模块与单片 机控制单元之间的通信接口的设计，并对其设计的改进进行了介绍。第四章讨论 了智能电场探头的通信接口的软件设计，主要讲述的是下位机软件的实现。第五 章智能电场探头的通信接口完成后的总体测评，考察是否达到设计目标。第六章 对本文的研究做了全面的总结，并设想了下一步的研究工作。 第二章系统设计与内部接口原理 9 第二章系统设计与内部接口原理 2 1 电磁辐射概述 2 1 1 电磁辐射 电磁辐射是指电磁能量从辐射源发射到空间并以电磁波的形式在空间传播的 现象【2 7 1 ，超过安全限值的电磁辐射就造成了电磁污染。 相对静止的电荷周围存在着电场。这个电场依附于电荷，它不会脱离电荷而 在空间自行运动。当电荷做匀速运动时，除了电场之外，还存在着磁场。这个磁 场依附于电流，它不会脱离电流而在空间自动行进。当电荷加速运动时，就有电 磁场脱离运动电荷而在空间中自动传播。电荷加速运动中最典型的就是正弦交流 电。这种交流电必然会产生脱离波源的电磁波。此外，在电场建立的初期和消失 过程中，以及在磁场建立的初期和消失过程中，都由于电荷做加速运动而有辐射。 在没有电荷的空间，电场要能维持其存在和运动而不消失，必须有另外的产 生电场的原因；在没有电流的空间，磁场要能维持其存在和运动而不消失，必须 有另外的产生磁场的原因。这种产生电场和磁场的原因，既不是电荷也不是电流， 而是运动中的电场和磁场本身。换句话说，运动中的磁场会产生电场以维护电场， 不使之消失：运动中的电场也会产生磁场以维护磁场，不使之消失。这种运动中 的电场和磁场相互产生的规律是人们在长期的生产和科学实践中逐步认识的i z 引。 2 1 2 电流元的辐射场 电流元是指某一电流分布区中的微小单元。对于分布在细线上的电流，电流 元为i d l 。电流元是最基本的辐射单元之一，如果知道电流元的场，就可以通过对 电流分布区的积分求出给定电流分布的辐射场【2 9 1 。具体的说，一个复杂的电流分 布的辐射场，就是其上许许多多电流元的辐射场的叠加。所以电流元的辐射是有 一定的代表性的。下面分析位于无界的线性均匀介质中的电流元的辐射场。 z x 图2 1 电流元的辐射场 y 1 0 智能电场探头的通信接口 为了计算分析方便，将电流元放在坐标原点，并让其方向与z 轴方向一致。 如图2 1 所示。 在r 点的矢量位为 心告竿 在球坐标中，矢量位可写为 彳( ，) ：告型( e rc o s 9 一s i n 日) 碍冗r 可以求的磁场强度h 的3 个分量为 卜= 下k 2 i d l s i n o 言j + 万1 矿归 瞄 再将( 2 3 ) 代入无源区中的麦克斯韦方程，可得出电场强度的3 个分量为 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) e ，= 一歹k 3 1 2 d 觥lc o s o ( 、七：j 万+ 万1 ) p 一归 驴絮竽唔+ 万1 一万j 矿步 ( 2 _ 4 ) e 9 = 0 2 2 电磁辐射测量原理 2 2 1 电磁辐射场的划分 一般情况下，电磁辐射场根据感应场和辐射场的不同而区分为远区场( 辐射 场) 和近区场( 感应场) 。由于远场和近场的划分相对复杂，要具体根据不同的工 作环境和测量目的进行划分，一般而言，以场源为中心，在三个波长范围内的区 域，通常称为近区场，也可称为感应场【3 0 】。在以场源为中心，半径为三个波长之 外的空间范围称为远区场，也可称为辐射场。近区场内电场强度与磁场强度的大 小没有确定的比例关系。一般情况下，对于电压高、电流小的场源( 如发射天线、 馈线等) ，电场要比磁场强得多，对于电压低、电流大的场源( 如某些感应加热设 备的模具) ，磁场要比电场大得多。近区场的电磁场强度比远区场大得多。从这个 角度上说，电磁防护的重点应该在近区场。近区场的电磁场强度随距离的变化比 较快，在此空间内的不均匀度较大。而远区场中所有的电磁能量基本上均以电磁 第二章系统设计与内部接口原理 波形式辐射传播，这种场辐射强度的衰减要比感应场慢得多。远区场中的电场强 度与磁场强度的关系为e = 3 7 7 h ，电场与磁场的运行方向互相垂直，并都垂直于 电磁波的传播方向。远区场为弱场，其电磁场强度均较小。 对于一个固定的可以产生一定强度的电磁辐射源来说，近区场辐射的电磁场 强度较大，所以，应该格外注意对电磁辐射近区场的防护。这种防护，首先是对 作业人员及处在此区场环境内的人员的防护，其次是对位于近区场内的各种电子、 电气设备的防护。而对于远区场，由于电磁场强较小，通常对人的危害较小，这 时，应该考虑的主要因素就是对信号的保护【3 1 】。 由上一节的辐射原理，可知，在距离电流元很近的区域，也就是在近场区， ， 1 因为，a ，所以k r = 竿，l ，( 2 - 3 ) 及( 2 - 4 ) 式中e - j k r 1 ，的低次方项可以忽略， 九肛 仅保留最高次方，电流元的近场区场近似为 h 。= 可i d l s 丁i n o e ，：- j 丝业 e ，2 2 t r o v e r 3 ( 2 - 5 ) 。 1 d l s i n 0 2 - j 4 7 r o d t r j 2 2 2 电磁辐射的测量 对于不同的电磁环境，有不同的测量方法。对于不同的测量应选用不同类型 的仪器，以期获取最佳的测量结果。 场强的测量如图2 2 所示。当天线在空中与被测信号极化方向相同时取得最 大感应信号，一般可用射频( i 心) 的有效值型电平表( 电压表) 来测量【3 2 1 。其测 量原理如图2 2 所示。 图2 2 电场强度测量示意图 当线路匹配良好时，仪表读取的电平值是仪表输入端口 所取得的射频电压e r ( d b t v ) 。e r 可用下式表示 e r = e + g a + 2 0 1 9 l e - l f - 6 ( 一般5 0 q 或7 5 q ) ( 2 - 6 ) 1 2智能电场探头的通信接口 其中，e r 为仪表输入1 2 1 的读取电平( d b t v ) ie 为电场强度( d b l a v m ) ig a 为接收天线增益( d b ) 。如果采用半波长偶极天线时g a = 0 d b ；l e 为接收天线有效 长度( k n ) ；l f 为接收馈线损耗( d b ) ；6 为从终接值换算开放1 2 1 的校正值( d b ) 。 而电场强度e ( d b i _ t v m ) 则可从( 2 6 ) 式求出，即： e = e r - g a - 2 0 1 9 l e + l f + 6 ( 2 - 7 ) 现举实例具体说明： 设测试频率2 2 8 2 5 m h z ( 丸= 1 3 1 m ) ，则2 0 1 9 k n = 2 0 1 9 1 3 1 庐- - 7 6 d b ；接收天线 为半波长偶极天线，g a = 0 d b ；l f 选用衰减1 0 d b 1 0 0 m 型电缆，实用长度1 0 m 时 衰减为l d b ；仪表指示电平为15 d b l a v 。 将上列数据代入( 2 7 ) 式时，即得： e = e r - g a - 2 0 1 9 l e + l f + 6 = 1 5 0 一( - 7 6 ) + l + 6 ( 2 8 ) = 2 9 6 d b j t v m 一般的辐射测量仪，基本构造都是由天线( 传感器) 及主机系统两部分组成f 3 3 1 。 其基本原理如图2 3 所示。 测然量黑彳餮；黧惫；v m 图2 3 基本测量原理框图 2 3 内部接口硬件设计概述 2 3 1 系统模块介绍 本文所介绍的智能电场探头，其框架结构图如图2 4 所示。包括了电场探头、 模数转换模块、单片机控制单元、以及其中的一些接口。 电场探头部分包括了天线及检波滤波电路【3 4 1 ，其功能是将待测电场强度以电 压值的方式输出。 模数转换模块包括了放大电路及a d 转换电路，将电场探头测量到的模拟信 号放大，经放大的信号再通过a d 转换，输出数字信号。 第二章系统设计与内部接口原理 图2 4 智能电场探头的结构示意图 单片机控制单元是单片机及其外围电路。主要完成测量信号的处理和显示， 对探头定时接收数据，定时处理数据，并实现数据转发上位机等。 系统内部包含两个主要接口，一个是上位机与单片机控制单元之间的通信接 口，负责完成数据在上位机与单片机控制单元之间的数据传输，另一个是单片机 控制单元与模数转换模块之间的通信接口，负责实现单片机控制单元与数模转换 模块之间的数据交流。 2 3 2 智能电场探头通信接口的设计 电场探头主要由三维对称阵子微带天线的电场传感器、低噪声放大器、检波 器等组成。具有1 m h z 一1 8 g h z 的超宽频率测量范围，电场测量可达8 0 0 多伏， 增益在工作频段基本不变，具有频带宽、尺寸小、可靠性高、响应快和动态范围 大的特点。电场探头测量到的数据，经过模数转换模块，然后采集到单片机控制 单元，而单片机控制单元主要完成功能有：接收由模数转换模块转换好的探头测 量到的三向电场测量数据，实现数据的处理运算；并通过上位机与单片机控制单 元之间的通信接口进行数据通信，利用上位机对数据进一步处理，并接受上位机 控制指令，实现对探头的管理。 单片机控制单元的主要芯片选择c 8 0 5 1 f 3 2 0 。整个单元还包括了c 8 0 5 1 f 3 2 0 与上位机和模数转换模块之间连接的接口转换电路，其基本框图如图2 5 所示。 c 8 0 5 1 f 3 2 0 是由美国c y g n a l 公司推出的c 8 0 5 1 f 系列单片机中的一款小型单 片机。它是集成的混合信号片上系统s o c ( s y s t e mo i lc h i p ) ，具有与m c s 5 1 内核及 指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准8 0 5 1 的数字外设部件之外，片内还集成 了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。内部f l a s h 存储器可实现在系统编程，既可作程序存储器也可作非易失性数据存储。片内 j t a g 仿真电路提供全速的电路内仿真，不占用片内用户资源。 1 4 智能电场探头的通信接口 单片机控制单元 与模数转换模 单片机与上位机连接 块连接电路 i _ 1 c 8 0 51 f 3 2 0 _ | 接口转换电路 图2 5 单片机控制单元 在选择a d c 芯片之前，先介绍下a d c 的重要参数。精度又称分辩率，通常 以数字信号的位数来表示，指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义 为满刻度与2 n 的比值。转换速率是指完成一次从模拟转换到数字的a d 转换所需 的时间的倒数。积分型a d 的转换时间是毫秒级属低速a d ，逐次比较型a d 是 微秒级属中速a d ，全并行串并行型a d 可达到纳秒级。采样时间则是另外一个 概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率( s a m p l er a t e ) 必须小于或等于转换速率。量化误差由于a d 的有限分辩率而引起的误差，即有 限分辩率a d 的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率a d ( 理想a d ) 的转移特性曲 线( 直线) 之间的最大偏差。通常是1 个或半个最小数字量的模拟变化量，表示 为1 l s b 、i 2 l s b 。偏移误差( o f f s e te r r o r ) 输入信号为零时输出信号不为零的值， 可外接电位器调至最满刻度误差( f u l ls c a l ee r r o r ) 满度输出时对应的输入信号与 理想输入信号值之差。线性度( l i n e a r i t y ) 实际转换器的转移函数与理想直线的最大 偏移，不包括以上三种误差。其他指标还有：绝对精度( a b s o l u t e a c c u r a c y ) ，相对 精度( r e l a t i v ea c c u r a c y ) ，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真( t o t a l h a r m o n i cd i s t o t o r t i o n 缩写t h d ) 和积分非线性。 a d 的选择，首先看精度和速度，然后看是几路的【3 5 1 4 3 6 1 ，什么输出的比如s p i 或者并行的，差分还是单端输入的，输入范围是多少，这些都是选a d 需要考虑 的。本文介绍的设计中，要求的是一个高精确度低速率的a d c ，而a d 7 7 1 4 正好 满足这些条件，而且a d 7 7 1 4 的输出是s p i 形式输出的，因为主控制芯片 c 8 0 5 1 f 3 2 0 上面带有片内的增强型s p i 串口，这为电路设计的简化提供了帮助， 因此，选择了a d 7 7 1 4 作为模数转换模块与单片机控制单元之间的通信的a d 转 换器。 选择了主要芯片后，再根据其数据手册上的具体说明，详细的设计出其硬件 连接电路。 完成硬件电路的设计后，根据智能电场探头通信接口的具体功能要求，进行 通信接口的软件设计。 其中的具体处理方法在后面的章节中详细介绍。 第二章系统设计与内部接口原理 1 5 2 3 3 上位机与单片机c 8 0 5 1 f 3 2 0 之间通信接口的设计 普通的单片机都是通过r s 一2 3 2 c 串行口信号线与计算机相连。所以，单片机 c 8 0 5 1 f 3 2 0 与上位机的连接也通过r s 2 3 2 串口信号线相连接的。 详细阅读r s 一2 3 2 协议，以及单片机c 8 0 5 1 f 3 2 0 芯片手册，可以分析两者之 间的电气特性。 r s 2 3 2 电气特性【3 7 】： 在t x d 和r x d 上：逻辑i ( m a r k ) = 3 v 1 5 v ；逻辑o ( s p a c e ) = + 3 + 1 5 v 。 在r t s 、c t s 、d s r 、d t r 和d c d 等控制线上：信号有效( 接通，o