基于arm带温湿度自修正的电磁辐射测量装置及测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于ARM带温湿度自修正的电磁辐射测量装置及测量方法，装置包括电磁辐射采样模块、信号处理模块、温湿度数字传感器、嵌入式微处理器模块、存储器、显示模块；所述嵌入式微处理器模块分别与信号处理模块、温湿度数字传感器、存储器、显示模块连接；所述信号处理模块还与电磁辐射采样模块连接；本发明测量环境电磁辐射强度的同时，考虑到环境温度、湿度对测量结果的影响，采用人工神经网络模型对测量结果实时修正，保证了测量结果的真实性和准确性；有效拓宽了环境对仪器使用条件的限制，可在恶劣环境下进行测量，而当环境温湿度超过阈值时，装置会自动停止工作以免损坏仪器。
【专利说明】基于ARM带温湿度自修正的电磁辐射测量装置及测量方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电磁场计量检测【技术领域】，具体涉及一种基于ARM带温湿度自修正的电磁辐射测量装置。
【背景技术】
[0002]随着社会的不断进步以及经济的迅速发展，各种电子设备给人们带来方便的同时，也造成了电磁辐射污染，设计一款高精度的电磁辐射测量装置显得尤为重要。
[0003]目前的电磁辐射测量仪大多是基于传统的8位单片机，仅仅具有简单的测量功能，存在机性能不高、可维护性差、可靠性不高、人机交互困难等问题。并且现有电磁辐射测量仪器的测量方法没有考虑温湿度对测量结果的影响，造成了同一工况下不同时间测量结果出现了较大差异的情况。环境温湿度对测量结果的影响主要表现在对上电稳定性和元器件介电常数的影响，当电磁辐射探头在较高相对湿度下工作，会造成介电常数降低、介电损耗增加、电容值变大和绝缘电阻值降低，而且在相同的湿度下，温度越高湿度对测量结果的影响也越大，当相对湿度超过80%进行测量时，传感电极之间会产生很大的泄漏电流使内部的测量回路局部短路而损坏仪器。这就要求电磁辐射测量装置带有温湿度测量以及温湿度的补偿功能。由于温度湿度的作用往往是综合在一起的，这就造成了温湿度对测量结果的影响是非线性的，而这些功能的实现对于传统单片机孱弱的处理能力来说是很难完成的。
【发明内容】
[0004]鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种基于ARM带温湿度自修正的电磁辐射测量装置，该电磁辐射测量装置可以同时实现电场强度、温度、湿度的测量，并利用人工神经网络算法实现对电磁辐射测量值的相对于温湿度的非线性补偿，该电磁辐射测量装置可以实时测量显示修正后的电磁辐射测量值，并且易于实现良好的人机交互界面，也可以完成将数据传输给上位机进行详细的分析和处理，上位机具有打印功能，满足了电磁辐射测量仪的高精度和智能化的需要。
[0005]本发明通过下述方案予以实现:
[0006]基于ARM带温湿度自修正的电磁辐射测量装置，其特征在于:
[0007]包括电磁辐射采样模块、信号处理模块、温湿度数字传感器、嵌入式微处理器模块、存储器、显示模块；
[0008]所述嵌入式微处理器模块分别与信号处理模块、温湿度数字传感器、存储器、显示模块连接；所述信号处理模块还与电磁辐射采样模块连接；
[0009]所述电磁福射米样模块用于实时测量环境中的电磁福射电场强度信号；
[0010]所述信号处理模块对电磁福射米样模块输出的电磁福射电场强度信号进行处理变换成嵌入式微处理器模块能够识别的电磁辐射信号；
[0011]所述温湿度数字传感器实时测量环境的温度湿度信息并直接转换成数字信号送入嵌入式微处理器模块；
[0012]所述存储器用于存储经过所述信号处理模块处理变换的电磁辐射信号、所述温湿度数字传感器采集到的温度值、湿度值和所述嵌入式微处理器模块修正后的电磁辐射参数检测值；同时还用于存储本装置运行的系统文件以及便于所述嵌入式微处理器模块调用的人工神经网络参数；
[0013]所述嵌入式微处理器模块用于对所述信号处理模块输出的电磁福射信号执行模数转换后，输出经过温湿度补偿处理后的对应的电磁辐射参数检测值，其中所述的温湿度补偿处理是指所述嵌入式微处理器模块按照上述经过模数转换的电磁辐射参数值调用并运行所述存储器内部预存储的人工神经网络参数，得到当前温湿度参数对应的温湿度的补偿值后，对上述电磁辐射参数进行修正后输出对应的电磁辐射参数检测值；
[0014]所述显示模块用于显示修正后的电磁辐射参数检测值以及检测到的当前环境温度湿度?η息。
[0015]所述的电磁辐射测量装置还包括通讯模块及PC上位机，所述通讯模块用于实现存储器与PC上位机之间的数据传送；所述PC上位机用于训练得到电磁辐射信号测量数据对应的温湿度补偿处理的人工神经网络参数，并将训练好的人工神经网络参数嵌入到嵌入式微处理器模块中，同时建立电磁辐射信号测量数据历史监测值曲线图表以及数据打印处理。
[0016]所述的温湿度数字传感器内部预设超限报警阈值，若当前检测到的温度值或者湿度值达到超限报警阈值则向嵌入式微处理器模块发送报警标识信息，所述嵌入式微处理器模块收到警标识信息后即关闭电磁辐射测量装置运行程序，防止损坏仪器。
[0017]所述人工神经网络参数是在PC上位机上进行人工神经网络模型训练获得的，并通过所述通讯模块实现存储器与PC上位机之间的数据传送。
[0018]所述的显示模块为触摸屏。
[0019]所述的所述嵌入式微处理器模块为基于ARM嵌入式系统的ARM处理器。
[0020]本发明还提供了一种基于环境温湿度修正的电磁辐射测量方法:
[0021]其包括
[0022]1、实时测量环境中的电磁辐射信号以及环境温度湿度信息数字信号；
[0023]2、将上述电磁辐射信号进行数据处理，转换成电磁辐射信号测量值后，按照电磁辐射信号测量值以及环境温度湿度信息数字信号，输出经过温湿度补偿处理后的对应的电磁辐射参数检测值，其中所述的温湿度补偿处理是指按照上述电磁辐射信号测量值调用并运行预存储的人工神经网络参数，得到当前温湿度参数对应的温湿度的补偿值后，对上述电磁辐射参数进行修正后输出对应的电磁辐射参数检测值并进行实时的电磁辐射参数检测值显示。
[0024]所述人工神经网络参数是通过PC上位机训练得到电磁辐射信号测量数据对应的温湿度补偿处理的人工神经网络参数，同时PC上位机还建立电磁辐射信号测量数据历史监测值曲线图表以及数据打印处理。
[0025]所述电磁辐射测量方法在实时测量环境温度湿度信息数字信号时，通过预设环境温度湿度信息数字信号超限报警阈值进行报警，若当前检测到的温湿度达到超限报警阈值则向发送报警标识信息，关闭当前电磁辐射测量装置运行程序，防止损坏仪器。
[0026]与现有技术相比，本发明基于ARM带温湿度自修正的电磁辐射测量装置的有益效果:
[0027]本发明测量环境电磁辐射强度的同时，考虑到环境温度、湿度对测量结果的影响，采用人工神经网络模型对测量结果实时修正，保证了测量结果的真实性和准确性，有效拓宽了环境对仪器使用条件的限制，可在恶劣环境下进行测量，而当温湿度环境超过超限报警阈值时，仪器会自动停止工作以免损坏仪器；本发明采用具有很强处理能力和很好处理效果的32位ARM微处理器，为装置提供了强大的接口模块和扩展资源，在实现友好人机交互的同时，其突出的性能也保证了人工神经网络模型计算的时效性。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为本发明基于ARM带温湿度自修正的电磁辐射测量装置所述实施方式结构示意图；
[0029]图2为本发明显示与控制触摸屏工作流程图；
[0030]图3为本发明的存储器的示意图。
【具体实施方式】
[0031]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对实现方案作进一步的详细描述。
[0032]本发明主要原理:当环境温湿度较低时对测量结果的影响较小，但是随着温湿度的增加，对测量结果的误差影响也越来越大，这种非线性的温湿度补偿，本发明中采用人工神经网络模型。为了提高嵌入式系统应用人工神经网络的时效性，人工神经网络的建立、大量的学习训练及检测在PC上位机上完成，得到合适的网络各层结点的连接权值和阈值。将PC机上经过长时间训练得到的网络参数文件嵌入到Linux系统中，在Linux系统下进行网络重建复原合理的神经网络，也可以将网络参数文件编译成ARM的可执行代码，下载到嵌入式系统中运打。
[0033]所述嵌入式微处理器模块对所述信号处理模块输出的信号执行模数转换，并计算人工神经网络参数下对应温湿度的补偿值，同时将计算后的结果送到显示模块进行实时显示，同时将原始数据以.txt格式文件保存到存储器的SD卡中。优选地，实时进行温湿度采集，考虑到环境中温度湿度的变化是一个渐变的过程，系统对温湿度进行定时采集，这样可以减少微处理器的计算使用。
[0034]鉴于上述原理，如图1所示，本发明所述的基于ARM带温湿度自修正的电磁辐射测量装置，包括电磁辐射采样模块、信号处理模块、温湿度数字传感器、嵌入式微处理器模块、存储器、显示模块，控制终端或者PC上位机；
[0035]所述嵌入式微处理器模块分别与信号处理模块、温湿度数字传感器、存储器、显示模块连接；所述信号处理模块还与电磁辐射采样模块连接。
[0036]所述电磁福射米样模块用于实时测量环境中的电磁福射电场强度信号；其中所述电磁辐射采样模块可选用包括天线和检波器的采样模块，检波器的型号为LT5534，用于采集电磁辐射的电场强度信号，该对数检波器工作频率范围为50MHz至3GHz，其动态范围可达到-60dB，能满足电磁辐射测量对灵敏度的要求。
[0037]所述信号处理模块对电磁福射米样模块输出的电磁福射电场强度信号进行处理变换成嵌入式微处理器模块能够识别的电磁辐射信号；其中所述信号处理电路可由运算放大器及相关电阻电容构成，用于对电磁辐射采样模块输出信号进行滤波放大处理，并将处理后的信号送入嵌入式微处理器模块的A/D端口。
[0038]所述温湿度数字传感器实时测量环境的温度湿度信息并直接转换成数字信号送入嵌入式微处理器模块；其中所述温湿度数字传感器可采用SHT75，该传感器除了温度、湿度敏感元件以外，还包括一个放大器——14位的A/D转换器，OTP内存和数字接口。选用该数字传感器的好处在于它的测量精度高，数字信号易于传输、抗干扰性高、易于布线。
[0039]所述嵌入式微处理器模块用于对所述信号处理模块输出的电磁福射信号执行模数转换后，输出经过温湿度补偿处理后的对应的电磁辐射参数检测值，其中所述的温湿度补偿处理是指所述嵌入式微处理器模块按照上述经过模数转换的电磁辐射参数值调用并运行所述存储器内部预存储的人工神经网络参数，得到当前温湿度参数对应的温湿度的补偿值后，对上述电磁辐射参数进行修正后输出对应的电磁辐射参数检测值；所述的嵌入式微处理器模块可采用的ARMll处理器S3C6410，其稳定主频为667MHz，最高主频达到800MHz，运行速度非常快，同时ARMll采用的8级流水线，相比较以往的5级流水线具有更好的并行处理的能力，提高了 40%的吞吐量，确保了人工神经网络算法的时效性。且ARM1176ZJF采用两级供电方式:内核采用1.2V直流电源供电，保证667MHz的主频同时降低了芯片内部功耗；一般外设输入输出采用经低压差稳压芯片SPX117M-3.3转换的3.3V供电，保持其外设的通用性；本模块采用Linux作为操作系统，采用嵌入式多任务的软件开发方法，克服了传统的单任务前后台设计的弊端。
[0040]所述人工神经网络参数是在PC上位机上进行人工神经网络模型训练获得的，鉴于人工神经网络模型的训练是一个较漫长的过程，目前如果在嵌入式微处理器模块上完成，对于一台手持式的仪器来说是不切实际的。而用PC上位机预先对人工神经网络模型进行训练，确定好神经网络的权值和阈值等ANN参数，把网络参数文件嵌入到Linux系统中，在Linux系统下进行网络重建复原合理的神经网络，借助ARM较强大的运算能力，就能保证测量的时效性。
[0041]具体的，所述人工神经网络模型由典型的输入层、隐含层和输出层组成，其中输入层包含3个神经元:温度值、湿度值和原始电场强度值；输出层为I个神经元——修正后的电场强度值；隐含层数可根据具体情况而定。
[0042]考虑到温湿度对测量值影响的非线性关系，隐层传递函数采用S型传递函数，通过训练改变函数的参数量；输出采用线性传递函数，可以输出向量的任何数值；人工神经网络的学习函数选用IearngdO，通过神经元的输入以及权值和阈值的学习速率计算权值和阈值的变化率；训练函数选用trainbfgO，可反向传播训练函数进行权值修正。最终选定各层神经元个数分别为3，9，I。该模型中四个参数就构成了一个训练样本，分别为温度值、湿度值、原始电场强度值和修正后的电场强度值，通过采集足够多的训练样本就可以在PC机上得到合适的网络各层结点的连接权值和阈值。
[0043]同时人工神经网络参数也可预先在其他PC机进行训练，将得到的人工神经网络参数与对应的运行程序一同导入到上述嵌入式微处理器模块也可，因此本装置也可不包括PC上位机。
[0044]同时所述嵌入式微处理器还可通过RS232接口或是SD卡与PC上位机进行数据传送，所述PC上位机其系统软件用Visual Basic开发，使用VB自带的MSComm控件进行串口应用程序编程。在PC上位机主要实现测量数据的处理即人工神经网络的训练过程，电场强度监测值曲线图表示或者历史监测数据图表等，Access数据库系统和数据打印等功能。
[0045]所述存储器用于存储经过所述信号处理模块处理变换的电磁辐射信号、所述温湿度数字传感器采集到的温度值、湿度值和所述嵌入式微处理器模块修正后的电磁辐射参数检测值；同时还用于存储本装置运行的系统文件以及便于所述嵌入式微处理器模块调用的人工神经网络参数；如图3所示，所述存储器包括用于实现数据和程序存储的SD卡、NANDFLASH、EEPROM 和 DDR SDRAM。
[0046]SD卡用于存储原始电磁辐射测量值、温度值、湿度值和修正后的温湿度测量值和所述嵌入式微处理器模块修正后的电磁辐射参数检测值等数据，选用SPI模式进行通讯，以.txt的格式记录，可以直接与pc上位机进行数据传输。
[0047]外接的NAND FLASH与所述嵌入式微处理器模块配合使用，NAND FLASH支持SLC和MLC两种架构，从而大大扩大存储空间，所述嵌入式微处理器模块安装的Linux的Uboot、内核以及系统文件都保存在NAND FLASH中，可采用三星公司生产的型号为K9F2G08。
[0048]EEPROM(24C512)用于保存人工神经网络模型的网络参数和触摸屏校正参数。所述嵌入式微处理器模块启动时，自动从24C512中读取校正参数；24C512是一个512k串行CMOS EEPR0M，有一个128字节页写缓冲器，该器件通过IIC总线接口进行操作。
[0049]DDR SDRAM是双倍速率同步动态随机存储器，用于程序运行的DDR SDRAM可以在与SDRAM相同的总线频率下达到更高的数据传输率，也这是S3C6410的优势之一。采用两块16位宽度的SDRAM芯片并联的方式连接。
[0050]所述显示模块用于显示修正后的电磁辐射参数检测值以及检测到的当前环境温度湿度?η息。
[0051]所述的电磁辐射测量装置还包括通讯模块，所述通讯模块用于实现存储器与PC上位机之间的数据传送。
[0052]如图2所示，本装置的显示和控制部分可由IXD触摸屏完成，其应用程序釆用Qt编写。当给触摸屏控制信号时，液晶屏驱动Frame Buffer，帧缓冲驱动程序完成缓冲区的创建和设置DMA通道，MMAP系统将帧缓存映射应用层指令，QScreen类声明显示设备的基本描述和操作方式，控制信号处理完成；显示的过程与此相反，Frame Buffer调用驱动程序的读写函数，DMA将缓冲区中的内容不断发送到IXD上，显示过程基于DMA对于IXD的不断刷新。
[0053]本发明还提供了一种基于环境温湿度修正的电磁辐射测量方法:
[0054]其包括
[0055]1、利用电磁辐射采样模块实时测量环境中的电磁辐射信号，利用温湿度数字传感器实时测量环境的温度湿度信息并直接转换成数字信号；
[0056]2、对所述信号处理模块输出的电磁福射信号执行模数转换后，输出经过温湿度补偿处理后的对应的电磁辐射参数检测值，其中所述的温湿度补偿处理是指所述嵌入式微处理器模块按照上述经过模数转换的电磁辐射参数值调用并运行所述存储器内部预存储的人工神经网络参数，得到当前温湿度参数对应的温湿度的补偿值后，对上述电磁辐射参数进行修正后输出对应的电磁辐射参数检测值；
[0057]所述显示模块用于显示修正后的电磁辐射参数检测值以及检测到的当前环境温度湿度?η息。
[0058]所述的电磁辐射测量装置还包括通讯模块及PC上位机，所述通讯模块用于实现存储器与PC上位机之间的数据传送；所述PC上位机用于训练得到电磁辐射信号测量数据对应的温湿度补偿处理的人工神经网络参数，建立电磁辐射信号测量数据历史监测值曲线图表以及数据打印处理。
[0059]所述的温湿度数字传感器内部预设超限报警阈值，若当前检测到的温湿度达到超限报警阈值则向嵌入式微处理器模块发送报警标识信息，所述嵌入式微处理器模块关闭电磁辐射测量装置运行程序，防止损坏仪器。
[0060]本发明装置在测量环境电磁辐射强度的同时，考虑到环境温度、湿度对测量结果的影响，采用人工神经网络模型对测量结果实时修正，保证了测量结果的真实性和准确性。有效拓宽了环境对仪器使用条件的限制，可在恶劣环境下进行测量，而当温湿度环境超过阈值时，仪器会自动停止工作以免损坏仪器。
[0061]综上所述，本发明采用具有很强处理能力和很好处理效果的32为ARM微处理器，提供了强大的接口模块和扩展资源，性能稳定、易于维护，在实现友好人机交互的同时，其突出的性能也保证了人工神经网络模型计算时效性的要求，设计方案有广泛的适应性，具有良好的应用前景。
[0062]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.基于ARM带温湿度自修正的电磁辐射测量装置，其特征在于: 包括电磁辐射采样模块、信号处理模块、温湿度数字传感器、嵌入式微处理器模块、存储器、显示模块； 所述嵌入式微处理器模块分别与信号处理模块、温湿度数字传感器、存储器、显示模块连接；所述信号处理模块还与电磁辐射采样模块连接； 所述电磁福射米样模块用于实时测量环境中的电磁福射电场强度信号； 所述信号处理模块对电磁福射米样模块输出的电磁福射电场强度信号进行处理变换成嵌入式微处理器模块能够识别的电磁辐射信号； 所述温湿度数字传感器实时测量环境的温度湿度信息并直接转换成数字信号送入嵌入式微处理器模块； 所述存储器用于存储经过所述信号处理模块处理变换的电磁辐射信号、所述温湿度数字传感器采集到的温度值、湿度值和所述嵌入式微处理器模块修正后的电磁辐射参数检测值；同时还用于存储本装置运行的系统文件以及便于所述嵌入式微处理器模块调用的人工神经网络参数； 所述嵌入式微处理器模块用于对所述信号处理模块输出的电磁福射信号执行模数转换后，输出经过温湿度补偿处理后的对应的电磁辐射参数检测值，其中所述的温湿度补偿处理是指所述嵌入式微处理器模块按照上述经过模数转换的电磁辐射参数值调用并运行所述存储器内部预存储的人工神经网络参数，得到当前温湿度参数对应的温湿度的补偿值后，对上述电磁辐射参数进行修正后输出对应的电磁辐射参数检测值； 所述显示模块用于显示修正后的电磁辐射参数检测值以及检测到的当前环境温度湿度?目息。
2.根据权利要求1所述的电磁辐射测量装置，其特征在于:所述的电磁辐射测量装置还包括通讯模块及PC上位机，所述通讯模块用于实现存储器与PC上位机之间的数据传送；所述PC上位机用于训练得到电磁辐射信号测量数据对应的温湿度补偿处理的人工神经网络参数，同时建立电磁辐射信号测量数据历史监测值曲线图表以及进行数据打印处理。
3.根据权利要求1所述的电磁辐射测量装置，其特征在于:所述的温湿度数字传感器内部预设超限报警阈值，若当前检测到的温度值或者湿度值达到超限报警阈值则向嵌入式微处理器模块发送报警标识信息，所述嵌入式微处理器模块收到警标识信息后即关闭电磁辐射测量装置运行程序。
4.根据权利要求1所述的电磁辐射测量装置，其特征在于:所述人工神经网络参数是在PC上位机上进行人工神经网络模型训练获得的，并将训练好的人工神经网络参数嵌入到嵌入式微处理器模块中。
5.根据权利要求1所述的电磁辐射测量装置，其特征在于:所述的显示模块为触摸屏。
6.根据权利要求1所述的电磁辐射测量装置，其特征在于:所述的嵌入式微处理器模块为基于ARM嵌入式系统的ARM处理器。
7.一种基于环境温湿度修正的电磁福射测量方法，其特征在于: 其包括 (1)、实时测量环境中的电磁辐射信号以及环境温度湿度信息数字信号； (2)、将上述电磁辐射信号进行数据处理转换成电磁辐射信号测量值后，按照电磁辐射信号测量值以及环境温度湿度信息数字信号，输出经过温湿度补偿处理后的对应的电磁辐射参数检测值，其中所述的温湿度补偿处理是指按照上述电磁辐射信号测量值调用并运行预存储的人工神经网络参数，得到当前温湿度参数对应的温湿度的补偿值后，对上述电磁辐射参数进行修正后输出对应的电磁辐射参数检测值并进行实时的电磁辐射参数检测值显不O
8.根据权利要求7所述的电磁辐射测量方法，其特征在于:所述的人工神经网络参数是通过PC上位机训练得到电磁辐射信号测量数据对应的温湿度补偿处理的人工神经网络参数，同时PC上位机还建立电磁辐射信号测量数据历史监测值曲线图表以及数据打印处理。
9.根据权利要求7所述的电磁辐射测量方法，其特征在于:所述电磁辐射测量方法在实时测量环境温度湿度信息数字信号时，通过预设环境温度湿度信息数字信号超限报警阈值进行报警，若当前检测到的温湿度达到超限报警阈值则向发送报警标识信息，关闭当前电磁辐射测量装置运行程序。
【文档编号】G01R29/08GK104198829SQ201410456608
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月9日 优先权日:2014年9月9日
【发明者】段玉平, 李鑫, 张忠伦, 李长茂 申请人:大连理工大学