一种基于FPGA的电磁场光电隔离系统的制作方法

本发明属于电磁场信号监测技术领域，具体涉及一种基于fpga的电磁场光电隔离系统。

背景技术：

随着电磁环境问题越来越受到人们的关注，精确测量输电线路产生的电磁场并且评估其对电力系统和电气设备的工作造成严重破坏与干扰情况成为一个重要问题，因此，在电磁脉冲环境特性研究、电磁防护性能的评价以及电磁防护方法等研究领域内，脉冲电磁场的测量技术受到广泛关注与深入研究。

脉冲电磁场的测量要求传感器响应频带宽、动态范围大，其测量方法以天线直接感应法为主，通过宽带天线直接获取瞬态电场或磁场信号，再经过电缆及积分等处理以得到波形数据。

传统的电学测量技术采用电磁探针和二极管检波器等电学探头，由于电学探头很容易在强电磁环境中达到饱和，所以需要对信号进行极大的衰减后才能进行测量，但衰减系数仍无法精确测定，而且一直很难测量强电磁脉冲的峰值功率；此外，强电磁信号会对电学测量系统造成干扰同时引起系统测量结果的不确定性增大，甚至无法工作，也会对被测电磁场产生干扰。

随着对电磁脉冲以及高功率微波技术的深入研究，发展相应的测试诊断技术，尤其是设计制作宽频带、无源化、小体积、抗电磁干扰能力强、大动态范围的脉冲电磁场测量系统显得尤为迫切。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于fpga的电磁场光电隔离系统，解决了数据在远距离传输线路中易受电磁干扰和传输效率低下的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于fpga的电磁场光电隔离系统，包括有依次连接的电磁场信号采集模块、信号调理模块、a/d转换模块、发送端fpga模块、光发送模块、光接受模块、接收端fpga模块、d/a转换模块及本地显示模块。

本发明的特征还在于，

电磁场信号采集模块包括有分别与信号调理模块连接的电场探头及磁场探头。

信号调理模块包括有串联的放大器及滤波器，电场探头及磁场探头分别与放大器连接，滤波器与a/d转换模块连接。

电场探头的型号为sfe1g，磁场探头的型号为sfm2g，放大器的型号为ata5510，滤波器采用型号为uaf42的有源滤波器。

光发送模块和光接受模块通过光纤连接，光纤接口为lc型。

a/d转换模块采用12位高速转换芯片ad9226。

发送端fpga模块及接收端fpga模块均选用artix-7系列的xc7a100t芯片。

光发送模块及光接受模块的型号均为xas85-192-m3。

d/a转换模块采用14位高速转换芯片an9767。

本地显示模块为示波器。

本发明的有益效果是：

(1)本发明一种基于fpga的电磁场光电隔离系统，隔离性好、抗干扰性强、实时性好，通过a/d转换模块，fpga的多通道高速信号采集、存储与传输系统、光纤通信技术和d/a转换模块实现对电磁场信号的检测与传输，不仅提高了电磁场信号采集的精确度和快速性，还利用光纤接口高带宽、误码率低、连接方式简单、传输过程抗干扰性强等优点，极大的提高了电磁场信号传输过程中的可靠性与安全性。

附图说明

图1为本发明的一种基于fpga的电磁场光电隔离系统的结构示意图；

图2为本发明的电磁场光电隔离系统发送端a/d相连开发板部分结构示意图；

图3为本发明的电磁场光电隔离系统接受端d/a相连开发板部分结构示意图。

图中，1.电磁场信号采集模块，2.信号调理模块，3.a/d转换模块，4.发送端fpga模块，5.光发送模块，6.光接受模块，7.接收端fpga模块，8.d/a转换模块，9.本地显示模块；

1-1.电场探头，1-2.磁场探头；

2-1.放大器，2-2.滤波器；

4-1.发送端fpga模块的核心板；

7-1.接收端fpga模块的核心板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种基于fpga的电磁场光电隔离系统，如图1-3所示，包括有依次连接的电磁场信号采集模块1、信号调理模块2、a/d转换模块3、发送端fpga模块4、光发送模块5、光接受模块6、接收端fpga模块7、d/a转换模块8及本地显示模块9；

电磁场信号采集模块1包括有分别与信号调理模块2连接的电场探头1-1及磁场探头1-2，电场探头1-1的型号为sfe1g，磁场探头的型号为sfm2g；

信号调理模块2包括有串联的放大器2-1及滤波模块2-2，电场探头1-1及磁场探头1-2分别与放大器2-1连接，滤波器2-2与a/d转换模块3连接。

放大器2-1的型号为ata5510，滤波器采用型号为uaf42的有源滤波器。

电磁场信号采集模块1将采集到的电磁场模拟信号经信号调理模块2、a/d转换模块3连接在发送端fpga模块4的输入端，具体为：电场探头1-1采集到的电场信号和磁场探头1-2采集到的磁场信号分别依次通过放大器2-1和滤波器2-2、a/d转换模块3连接在发送端fpga模块4的输入端。

发送端fpga模块4自带四路高速gtp串行高速收发器通道与光发送模块5相连接，光发送模块5通过光纤与光接受模块6相连接，光接受模块6还与接收端fpga模块7连接、接收端fpga模块7与d/a转换模块8相连接，d/a转换模块8经过接口与本地显示模块9相连接。

a/d转换模块3采用12位高速转换芯片ad9226，该芯片最大采样率可以达到65msps。

发送端fpga模块4及接收端fpga模块7均选用xilinx公司artix-7系列的xc7a100t芯片，自带四路高速gtp串行高速收发器通道，每通道的收发速度为500mb/s到6.6gb/s之间，gtp收发器支持不同的串行传输接口或协议，它由四个收发器通道gtpe2_channel和一个gtpe2_common组成，每路gtpe2_channel包含发送电路tx和接收电路rx，gtpe2_channel的发送端和接收端功能是独立的，均由pma和pcs两个子层组成，其中pma子层包含高速串并转换(serdes)、时钟发生器及时钟恢复等电路，pcs子层包含8b/10b编解码、缓冲区和时钟修正等电路。

光发送模块5及光接受模块6的型号均为xas85-192-m3，其数据传输率高达11.3gbps，光发送模块5和光接受模块6通过光纤连接，光纤接口为lc型。

d/a转换模块8采用14位高速转换芯片an9767，该芯片最高支持125msps的采样速率。

本地显示模块9为示波器。

电磁场信号采集模块1是使用电磁场探头对线路周围的电磁场信号进行检测并采集。

信号调理模块2是对采集来的电磁场信号进行处理，经过放大、滤波等电路对电磁场信号所夹杂的干扰信号进行处理，同时也使采集的电磁场信号满足a/d转换模块3的输入范围。

a/d转换模块3将接受到的模拟信号转换为数字信号以12位并行的方式发送给发送端fpga模块4，发送端fpga模块4为a/d转换模块3提供其需要的采集时钟。

发送端fpga模块4发送16位并行模拟信号数据经过8b/10b编码后，将16位并行数据分成两个8位数据进行编码，编码后的数据为20位，进入一个发送缓存区，该缓冲区主要是pma子层和pcs子层两个时钟域的时钟隔离，解决两者时钟速率匹配和相位差异的问题，最后经过高速serdes进行并串转换为串行数据流，并以差分信号方式通过隔直电容连接到光发送模块5。

光发送模块5接受串行数据，进行电光转换，通过光纤以光的形式传输给光接受模块6。光接受模块6采用双lc接口，速率可以达到11.3gbps，传输距离可以实现300m，操作温度范围大，实用价值非常广。

光接受模块6接受通过光纤传输过来的光信号，进行光电转换并以差分信号的方式发送给接收端fpga模块7。

接收端fpga模块7以差分信号方式接受20位串行数据流，经过高速serdes进行串并转换，进入接受缓存区，再经过10b/8b解码，将数据以并行方式传输至d/a转换模块8。

d/a转换模块8接受12位并行数据，完成数模转换，得到原始模拟信号，发送给本地显示模块9进行显示。

本地显示模块9可以采用示波器来实现波形的显示。

如图2所示，a/d转换模块3通过40针2.54mm间距的扩展口连接到发送端fpga模块4的核心板4-1。

发送端fpga模块4的核心板4-1及接收端fpga模块7的核心板7-1上均配有两个sitime公司的有源差分晶振，一个是200mhz，型号为sit9102-200.00mhz，用于fpga的系统主时钟；另一个为125mhz，型号为sit9102-125mhz用于gtp收发器的参考时钟输，差分参考时钟转换成单端时钟信号进入到gtpe2_commom的pll0和pll1中，产生tx和rx电路中所需的时钟频率。tx和rx收发器速度相同的话，tx电路和rx电路可以使用同一个pll产生的时钟，如果tx和rx收发器速度不相同的话，需要使用不同的pll时钟产生的时钟。artix-7fpga的gtp收发器的4路高速收发器连接到4个光发送模块5或4个光接受模块6，实现4路高速的光纤通信接口。

发送端fpga模块4分别主要完成a/d转换模块3的控制、光发送模块5的控制、并串转换控制、时钟分频以及数据处理等功能；

如图3所示，d/a转换模块8通过40针2.54mm间距的扩展口连接到接收端fpga模块7的核心板4-1。

接受端fpga模块7分别主要完成d/a模块8的控制、光接收模块6的控制、串并转换控制、时钟分频以及数据处理等功能。

本发明的优点为：

(1)本发明的电磁场光电隔离系统基于电磁场传感器及光纤传输的方法将电信号转化为光信号，再还原为电信号，这种传输方式具有较高的隔离电压、抗干扰能力强、通信容量大、传输损耗小等特点；

(2)本发明的电磁场光电隔离系统采用高性能fpga(现场可编程门阵列)作为数据采集卡的主控芯片，利其并行性和丰富的支持多电平的i/o接口等优势实现对四路数字量信号的同步数据采集和细分处理，对八通道的模数转换模块采用并行接口进行采集并预留通用i/o接口方便系统的扩展，同时利用了光纤传输协议增强了可靠性。采用光纤作为数据传输的主要传输途经，解决了数据在远距离传输线路中易受电磁干扰和传输效率低下的问题。通过数模转换模块还原模拟信号，实现对电磁场信号的检测；

(3)本发明的电磁场光电隔离系统，可以实现对复杂环境中或有限空间内的脉冲电磁场进行无扰动、高保真的测量；相比于传统的电学测量手段，采用光纤测量技术具有抗电磁干扰能力强、传输距离远、测量灵敏度高、动态范围大等特点，可对强电磁脉冲信号实现实时在线测量，技术优势明显，具有广阔的应用前景。