一种基于Microblaze和VGA的闪电电场测量及定位系统的制作方法

本实用新型涉及一种基于Microblaze和VGA的闪电电场测量及定位系统，属于气象观测仪器领域。

背景技术：

闪电是发生在雷暴云内或雷暴云与大地间瞬时、剧烈的放电现象,产生的电磁辐射信号影响到通讯网络和电子信息系统的安全运行。闪电瞬间产生的电场变化信号是研究闪电精细结构及其放电过程的重要资料。开发闪电电场高速数据采集系统,以获取宽频带的电场波形数据,对闪电机理和预警研究具有重要的应用价值。中国专利CN104977478A公开了一种数字化闪电电场变化信号测量系统及其测量方法，主要包括包括平板天线、电场模数转换模块、数字信号处理模块等，但是平板天线与电场模数转换模块直接相连，有噪声影响。且该专利中并未对电场信号进行宽带高速采集。目前大多数闪电电场测量及定位系统设计存在宽带不够宽、ADC采样不是差分输入造成共模噪声大，系统需要电脑软件作为显示终端造成成本高等问题。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提出一种基于Microblaze和VGA的闪电电场测量及定位系统，具体由以下技术方案实现:

所述基于Microblaze和VGA的闪电电场测量及定位系统，包括依次连接的平板天线、信号转换模块、信号调理模块、信号采集模块、主控模块，以及定位模块、显示模块、报警模块、传感器模块、按键模块；所述主控模块的输入端分别与定位模块的输出端、传感器模块的输出端、按键模块的输出端连接，所述主控模块的输出端分别与显示模块的输入端、报警模块的输入端连接；所述平板天线，用于探测闪电产生的电场信号并传输至信号转换模块；所述信号转换模块，用于实现对电场信号与电压信号的转换并将电压信号传输至信号调理模块；所述信号调理模块，用于实现对电压信号的放大处理、单端转差分处理并将电压信号传输至信号采集模块；所述信号采集模块，用于实现对电压信号的模数转换采样处理并将电压信号传输至主控模块；所述主控模块，用于分析处理电压信号，通过计算得到电场信号信息后将电场信号信息、定位信息、温湿度信息传输至显示模块并驱动显示模块；当电场信号信息大于预设阈值则驱动报警模块；所述定位模块，用于进行电场位置定位并将定位信息传输至主控模块；所述显示模块，用于显示电场信号信息、定位信息、温湿度信息；所述报警模块，用于进行报警警示；所述传感器模块，用于进行温湿度信息的采集并将温湿度信息传输至主控模块；所述按键模块，用于通过按键控制主控模块实现中断控制、报警预设阈值设置。

所述基于Microblaze和VGA的闪电电场测量及定位系统的进一步设计在于，所述信号转换模块为低偏置电流运放的I/V转换电路，所述I/V转换电路用于将电场电流信号转换成电压信号并将电压信号传输至信号调理模块。

所述基于Microblaze和VGA的闪电电场测量及定位系统的进一步设计在于，所述信号调理模块包括依次连接的宽带放大电路、单端转差分信号电路；所述宽带放大电路用于对电压信号放大处理并将电压信号传输至单端转差分信号电路；所述单端转差分信号电路用于将电压单端信号转换成电压差分信号并将电压差分信号传输至信号采集模块。

所述基于Microblaze和VGA的闪电电场测量及定位系统的进一步设计在于，所述信号采集模块为高速信号采集电路，所述采集电路用于将电压信号进行模数转换并将电压数字信号传输至主控模块。

所述基于Microblaze和VGA的闪电电场测量及定位系统的进一步设计在于，所述主控模块为基于FPGA的专用控制器，所述专用控制器包括AD数据处理器、Microblaze软核处理器、VGA控制接口；所述AD数据处理器的输入端与信号采集模块的输出端连接，所述AD数据处理器的输出端与所述Microblaze软核处理器的输入端连接，所述Microblaze软核处理器的输出端与VGA控制接口的输入端连接，所述VGA控制接口的输出端与显示模块的输入端连接；所述AD数据处理器，用于采集、存储电压数字信号并将电压数字信号传输至Microblaze软核处理器；所述Microblaze软核处理器用于分析电压数字信号通过计算得出电场信号信息并将电场信号信息传输至VGA控制接口；所述VGA控制接口，用于将电场信号信息传输至显示模块并驱动显示模块。

所述基于Microblaze和VGA的闪电电场测量及定位系统的进一步设计在于，所述定位模块为北斗定位电路，所述北斗定位电路用于进行电场位置定位并将定位信息传输至主控模块。

所述基于Microblaze和VGA的闪电电场测量及定位系统的进一步设计在于，所述显示模块为VGA显示器，所述VGA显示器用于显示电场信号信息、定位信息、温湿度信息。

所述基于Microblaze和VGA的闪电电场测量及定位系统的进一步设计在于，所述报警模块为语音报警器，所述语音报警器用于语音报警警示。

所述的基于Microblaze和VGA的闪电电场测量及定位系统的进一步设计在于，所述VGA控制接口为VGA驱动电路，所述VGA驱动电路用于驱动显示模块。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型具有减少噪声影响，可提高系统的抗共模噪声能力，且采用高速运放可进行高速AD采样，采用软核控制VGA显示电场信息和位置等信息，无需要使用配套电脑软件，实现系统高度集成，方便全国范围内多站布点等优点。

附图说明

图1 基于Microblaze和VGA的闪电电场测量及定位系统结构图。

图2 软核Microblaze控制结构图。

图3 前级电路图。

图4 宽带放大电路图。

图5 单端转差分信号电路图。

图6 高速信号采集电路图。

图7 VGA驱动电路图。

图8 北斗定位电路图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于Microblaze和VGA的闪电电场测量及定位系统，包括依次连接的平板天线、信号转换模块、信号调理模块、信号采集模块、主控模块，以及定位模块、显示模块、报警模块、传感器模块、按键模块；主控模块的输入端分别与定位模块的输出端、传感器模块的输出端、按键模块的输出端连接，主控模块的输出端分别与显示模块的输入端、报警模块的输入端连接；平板天线，用于探测闪电产生的电场信号并传输至信号转换模块；信号转换模块，用于实现对电场信号与电压信号的转换并将电压信号传输至信号调理模块；信号调理模块，用于实现对电压信号的放大处理、单端转差分处理并将电压信号传输至信号采集模块；信号采集模块，用于实现对电压信号的模数转换采样处理并将电压信号传输至主控模块；主控模块，用于分析处理电压信号，通过计算得到电场信号信息后将电场信号信息、定位信息、温湿度信息传输至显示模块并驱动显示模块；当电场信号信息大于预设阈值则驱动报警模块；定位模块，用于进行电场位置定位并将定位信息传输至主控模块；显示模块，用于显示电场信号信息、定位信息、温湿度信息；报警模块，用于进行报警警示；传感器模块，用于进行温湿度信息的采集并将温湿度信息传输至主控模块；按键模块，用于通过按键控制主控模块实现中断控制、报警预设阈值设置。

主控模块为基于FPGA的专用控制器，专用控制器包括AD数据处理器、Microblaze软核处理器、VGA控制接口；所述AD数据处理器的输入端与信号采集模块的输出端连接，AD数据处理器的输出端与Microblaze软核处理器的输入端连接，Microblaze软核处理器的输出端与VGA控制接口的输入端连接，VGA控制接口的输出端与显示模块的输入端连接；AD数据处理器，用于采集、存储电压数字信号并将电压数字信号传输至Microblaze软核处理器；Microblaze软核处理器用于分析电压数字信号通过计算得出电场信号信息并将电场信号信息传输至VGA控制接口；VGA控制接口，用于将电场信号信息传输至显示模块并驱动显示模块。报警模块为语音报警器，语音报警器用于语音报警警示。显示模块为VGA显示器，VGA显示器用于显示电场信号信息、定位信息、温湿度信息。

系统以FPGA和软核Microblaze为核心,以VGA显示为特色，辅以感应天线、宽带信号放大、单端转差分、高速ADC采样、北斗定位等模块。设计天线辅以极低偏置电流运放的I/V转换电路实现对电场信号与电压信号的转换。采用高速运放对信号进行调理,将单端信号转换为差分信号后输入ADC采样。采用软核控制VGA显示电场曲线、电场强度、定位位置等信息。

如图2所示，使用Xilinx公司的Artix-7系列的FPGA搭载了Microblaze嵌入式软核处理器、外设IP、Verilog模块搭建SOPC片上系统。利用软核完成北斗定位、温湿度采集、中断控制、语音播报及数据的精确处理。利用Verilog模块完成闪电信号的高速采集与处理、VGA显示的控制。

如图3所示，信号转换模块为低偏置电流运放的I/V转换电路，I/V转换电路用于将电场电流信号转换成电压信号并将电压信号传输至信号调理模块。

如图4、图5所示，信号调理模块包括依次连接的宽带放大电路、单端转差分信号电路；宽带放大电路用于对电压信号放大处理并将电压信号传输至单端转差分信号电路；单端转差分信号电路用于将电压单端信号转换成电压差分信号并将电压差分信号传输至信号采集模块。

如图6所示，信号采集模块为高速信号采集电路，采集电路用于将电压信号进行模数转换并将电压数字信号传输至主控模块。

如图7所示，VGA控制接口为VGA驱动电路，VGA驱动电路用于驱动显示模块。

如图8所示，定位模块为北斗定位电路，北斗定位电路用于进行电场位置定位并将定位信息传输至主控模块。

需要说明的是，以上实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本实用新型进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本实用新型所限定的范围。