基于ATmega16 的电磁辐射检测器硬件研发

徐 超 沈 凯 高俊青 国网浙江杭州市余杭区供电公司 浙江杭州 311100

【文章摘要】

本文通过对电磁辐射的相关术语、研究现状、潜在危害、检测方法及相关安全卫生标准等知识的介绍，结合本设计使用的器件的外部引脚、内部构造、典型应用电路及设计成品（电磁辐射检测器）的原理图等，较详细地说明了成品的硬件构造。硬件上，采用了AVR 单片机ATmega16 作为控制核心，同时为使成品尽可能精致小巧，采用了大量贴片元件，最终实际尺寸仅为11.80*5.25cm2 ；软件上， 提供了自动测量和单步测量两种测量方法，可通过按键自由选择。

【关键词】

辐射检测器;ATmega16; 辐射标准; 电磁污染

0 引言

从20 世纪80 年代起，我国开始对电磁环境进行管理。1997 年，国家环保总局颁布的《电磁辐射环境保护管理办法》，为我国管理电磁辐射环境提供了依据，同时给出了具体的“电磁辐射建设项目和设备名称”。还陆续颁布了《500kV 超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》（HJ/T24 － 1998）、《移动通信基站电磁辐射环境监测方法》等技术指导和规范，给我国的电磁环境影响评价具备了相关政策和根据。

1 电子辐射检测的原理及技术

1.1 ATmega16 特性

ATmega16 是基于增强的AVR RISC 结构的低功耗8 位CMOS 微控制器。ATmega16 可以缓解系统在功耗和处理速度之间的矛盾，其数据吞吐率已高达1 MIPS/MHz。这都要归功于它先进的指令集（即精简指令集）和单时钟周期指令执行时间。

通过将8 位RISC CPU 与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内， ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATmega16 具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C 语言编译器、宏汇编、程序调试器/ 软件仿真器、仿真器及评估板。

ATmega16 单片机有3 种形式的封装： PDIP-40（双列直插）、TQFP-44（方形）和MLF-44（贴片形式）

1.2 ATmega16 模数转换器

ATmega16 有一个10 位的逐次逼近型ADC。ADC 与一个8 通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口A 的8 路单端输入电压进行采样。单端电压输入的基准电平为0V (GND) 。

两路差分输入 (ADC1 、ADC0 与ADC3 、ADC2 ) 有可编程增益级GAIN， 可自由选择 A/D 转换前给差分输入电压提供1x(0dB)、10x(20dB) 或200x(46dB) 的放大级。如果选用1 倍或10 倍增益，可得到的分辨率为8 位。如果使用200 倍增益，008

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可得到的分辨率为7 位。

为确保在转换过程中输入到ADC 的电压保持恒定，ADC 包括一个采样保持电路。

AVCC，和标称值为2.56V 的基准电压，都集成在ATmega16 单片机内部。为更好地抑制噪声，基准电压可以通过加一个电容在 AREF 引脚上进行解耦。

ADC 由AVCC 引脚单独提供电源。AVCC 与VCC 之间的偏差不能超过± 0.3V 。具体来说，设备内部及外部的数字电路都会产生电磁干扰(EMI) ，从而影响模拟测量的精度。如果希望获得较高的转换精度，尝试使用下面的方法可以减少噪声干扰：

①中央处理单元（CPU）的干扰噪声可以用ADC 噪声抑制器来降低。

②尽量减段模拟通路长度。保证模拟信号线不和高速切换的数字信号线聚在一堆，同时保证模拟信号线放在模拟地之上。

③必须保证在转换进行过程中ADC 端口不会有电平的切换，如果它们有被用作数字输出。

④ AVCC 和数字电压源VCC 连接前要先通过一个LC 网络。

1.2.1 ADC 精度的定义

一个n 位的单端 ADC 把地GND 与参考电压VREF 之间的线性电压换算成2n 个(LSBs) 不同的数字量。最小的转换码是0，最大的转换码是2n-1。

1.2.2 ADC 转换结果

转换结束后(ADIF 为高)，转换结果被存入ADC 结果寄存器(ADCL, ADCH)。

单次转换的结果，计算公式是：

(1)

式中，VREF 代表参考电压，VIN 代表被选中引脚的输入电压。0x000 是模拟地电平，0x3FF 是所选参考电压的数值减去1LSB。

如果使用差分通道，结果的计算公式如下：

(2)

式中，GAIN 代表选定的增益因子， VNEG 代表输入引脚负电压，VPOS 代表输入引脚正电压，且VREF 代表参考电压。转换计算的结果用二进制的补码形式表示，从0x200 (-512d) 至 0x1FF (+511d)。它可以根据用户要求，对结果进行快速极性检测。方法是，直接读取结果的MSB 位( ADCH 中ADC9 )。该位为0，代表结果为正；若该位为1，代表结果为负。

下表给出当选定的增益为GAIN 且参考电压为VREF 的差分输入对 (ADCn - DCm) 的输入码结果。

1.3 系统设计原理

设计采用ATmega16 单片机为控制核心，辅以电源模块、测量模块和显示模块，共同构成了电磁辐射检测器。如图2 所示。

单片机ATmega16 作为控制核心，需与高频头TDAC3-C02A，放大器MAX9933，液晶屏LCD0802A 进行通信：

(1) 需控制高频头TDAC3-C02A 的本振频率，限定接收信号范围；

(2) 处理放大器MAX9933 输入的模拟直流电平信号为误差允许范围内的数字值，并记录该值；

(3) 将最大电平值（带误差的数字值） 和相应的频率值交给液晶屏LCD0802A 显示。

高频头TDAC3-C02A 与单片机ATmega16 之间通过I2C 总线进行通信。高频头用于接收高频信号，与本振混频后输出中频信号给放大器MAX9933。

放大器MAX9933 与单片机之间通过ADC 接口进行通信。放大器用于将高频头输出的中频信号，根据功率值输出对应的直流电平。该信号为模拟信号，单片机无法直接处理，故需通过ADC 接口在单片机内部先将其转换为数字信号，再进行比较、存储等处理。

显示模块LCD0802A 需接收单片机传送的待显示的字符。在本设计中，主要是用来显示每次测量时的频率和最高电平，从而估算当前环境的电磁辐射水平。

本系统使用4V 锂电池，使用DC/DC 芯片PT1301 升压至5V 为单片机及高频头供电。

【参考文献】

[1] 夏士友. 城市工频电磁环境监测系统的设计［D］. 大连：大连理工大学，2005 年.

[2]Vittorio Ricchiuti, Senior Member, IEEE， “Power Bus Signal Integrity Improvement and EMI Mitigation on Multilayer High- Speed Digital PCBs with Embedded Capacitance”，IEEE TRANSACTIONS ON MOBILE COMPUTING, VOL. 2, NO. 4, OCTOBER-DECEMBER 2003

[3] 封志明，赵波，近场辐射电磁干扰模态测试系统设计，TESTING & MEASUREMENT，No.3 2010

表1 输入电压域输出码的相互关系

图2 系统完整原理图009

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