论文总字数：22513字

目 录

1 绪论 1

1.1引言 1

1.2目前研究现状 1

1.3课题主要研究内容 1

2 测量原理及总体方案 2

2.1闪电电场测量的基本原理 2

2.2总体硬件方案 3

2.3 FPGA软核MicroBlaze的控制结构 4

3.硬件电路设计 4

3.1积分及信号调理电路 4

3.2单端信号转差分及高速A/D电路设计 6

3.3 矩阵键盘电路设计 8

3.4定位授时电路设计 8

3.5语音播报电路设计 8

3.6 VGA电路设计 9

3.7温湿度采集电路的设计 10

4 FGPA测量电场的实体电路 11

4.1高速AD采集、处理及波形缓存 11

4.1.1采样接口实体电路设计 11

4.1.2电压计算和波形缓存 12

4.2电场频率和脉宽测量 12

4.2.1频率测量 12

4.2.2脉宽测量 14

4.3 VGA显示实体 14

5 MicroBlaze软核控制设计 16

5.1 MicroBlaze软核 16

5.2定位及时间授时 17

5.3语音播报、按键控制及温湿度采集 17

6 系统调试和测试 18

6.1积分及信号调理模块测试 19

6.2电场强度采集波形显示测试 19

6.3 VGA视频显示器接口模块测试 20

6.4电场强度测量效果测试 20

6.5电场的频率和脉宽测量 21

6.6定位及温湿度测量效果测试 22

7 总结 22

7.1特色和创新 22

7.2可拓展之处 22

7.3心得体会 23

参考文献 24

致谢 25

相关成果 26

基于FPGA和VGA的新型闪电电场测量及定位系统

施元

，China

Abstract: In view of the problems of narrow bandwidth, slow sampling rate and large common mode interference in the current lightning field measurement method, a soft core Microblaze based on a new type of FPGA device, Artix-7, is proposed, with antenna, weak signal conditioning, broadband amplification, single end differential circuit, high-speed ADC sampling, VGA display, Beidou location, temperature and humidity. A high speed electric field acquisition and location system is designed. The soft core Microblaze is used to realize data transmission, processing and the drive of each hardware module. Verilog HDL is used to design the entities measuring the amplitude and frequency of electric field. The signal conditioning circuit ensures the wideband of the system; the high speed ADC sampling circuit uses the differential input to improve the system's ability to resist noise; FPGA directly drives VGA to display the electric field curve and location information without computer software, which improves the system integration and reduces the cost, making it possible for the whole country to be distributed within the range. The electric field signals of different frequencies and amplitudes are measured. The experimental results show that the bandwidth of the system can reach 20MHz and the maximum error is 0.79V/m.

Key words: high-speed measurement; MicroBlaze soft-core ;Positioning early warning; VGA communication; Frequency response

1 绪论

1.1引言

闪电是一种瞬时高电压、大电流、冲击波强烈的放电现象^[1-2]。通常是暴风云产生电荷，负电荷在底层，正电荷在顶层，同时，还会在地面产生跟着云移动的正电荷。巨大的电流沿着一条传导气道从地面涌向云层，产生闪光。多次放电脉冲组成一次闪电，这些脉冲之间的间歇时间都非常短，只有百分之几秒。

大气电场强度是天气变化衡量的重要指标之一。在晴天等稳定的天气系统下，大气电场强度只有幅度比较小的波动，然而在雷暴发生的时间段，电场值将会发生剧烈波动。在雷电发生之前，在雷雨云，或是雷雨云与大地物体之间将会形成强大的电场。通过测量大气电场值及其变化情况可反映雷暴当前所处的阶段，进而对雷暴等灾害性天气的发生进行预警预报。所以准确记录闪电的大气电场信号变化在生活和科研中具有重大意义。

闪电电场频率高，频带宽，为了满足条件，在具体测量时，测量仪器要的性能要优越。能够将闪电的电场变化完美地进行采集，同时，为了方便后续的处理，在具体的测量系统中要增加缓存功能。

随着电子设备等精密仪器的发展，很多元器件的性能也更加优越，特别是可编程逻辑器件FPGA的发展，FPGA将整个系统变得更加优越，提高了整个系统的抗干扰能力。

1.2 目前研究现状

传统的测量大气电场变化的方式主要采用慢天线测量法，此方法利用导体在电场中能够感应电荷的原理，使感应电荷转化为与大气电场成正比的电压量^[3]。但慢天线测量采样速率慢，灵敏度低，适用于测量闪电发生前地面电场变化。闪电电场的测量要求测量仪器具有较高的采样速率和灵敏度，能够记录瞬变场，将瞬变信号单独提取出来，进而弥补慢天线测量法的不足。

已有的研究表明，对近距离处闪电，测得的电场值极易饱和；对远距离处闪电，测得的电场值非常小，故多采用快慢天线结合的方法进行测量^[4-6]。电场变化测量仪可看作一阶高通滤波器，慢天线的时间常数远远大于快天线，利用传递函数可实现慢天线到快天线的转化^[4]。然而，慢天线反演快天线测量波形时，由于噪声差异的影响，两者对同一信号的幅度响应不一致。文献[5]在文献[4]的基础上采用系统函数逆变换反演得出电场慢变化特性。文献[6]设计出可调增益式快、慢电场仪，对快、慢电场仪的量程切换选择。利用数据采集卡实现对电场变化信息的同步采集。文献[7]提出了一种改进的电场测量系统，采用缓冲放大器BUF602，能耗较低。但文献[5]-文献[7]并未对收集的数据进行实时处理，远距离传输过程中会受到干扰，且文献[7]的带宽最高达到11M，不利于闪电电场的高速测量。

前期有研制了一种板卡式闪电电场测量系统^[8]，利用定位授时和FPGA计数记录闪电的精确时间，但设计的带宽只有5M。需要电脑作为辅助才能显示相应的电场曲线，并且没有对电场强度的测量展开深入的研究。

1.3课题主要研究内容

本论文设计了一种新型的闪电电场测量系统，实现对大气电场变化进行高速采集和处理。通过闪电电场感应天线得到的信号，再经调理电路和高速AD采集后进入FPGA进行相应的处理，克服了现有闪电采集系统天线和采集卡通常相距较远而存在干扰大的问题。采样速率为65M的高速测量系统，VGA接口实现波形及电场相关数据显示，对闪电发生的地理位置进行定位，语音播报及等级预警等。简化系统的同时提高了抗干扰能力。

根据设计要求和需要，设计要达到如下目标：

1. 闪电电场变化的高速采集实现及处理；
2. 对闪电的频率及脉宽进行测量，系统频带宽度达到20MHz以上；
3. 采集电场的幅度信息，通过FPGA直接驱动电脑显示器，显示测量的时间参数和幅度参数；
4. 采集闪电电场环境的温度、湿度并进行定位，显示位置；
5. 增加语音播报功能，对相关信息进行语音播报；
6. 采用VGA接口，直接在液晶显示器上显示电场波形、幅度、时间参数、环境温湿度、定位位置；
7. 闪电发生位置在显示器上采用地图坐标的方法显示。

2 测量原理及总体方案

2.1闪电电场测量的基本原理

闪电在发生过程中，会引起各个电学参量的变化，比如说闪电电流。在具体的测量过程中，可以将测量地点尽量远离闪电，这样会使电离层对闪电测量的影响降到最低。发生闪电时，会引起地面的垂直大气电场发生变化，随时间变化的大气电场强度E(t)为：

（1）

式（1）中 ES(t)是闪电的静态场分量，Ei(t)是闪电感应场分量，Er(t)是的电磁辐射分量，这三个量分别由闪电通道内电荷，闪电电流变化，以及闪电发射时引起。

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