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用 Arduino 有个好处：可以随时手搓炮灰设备，在炸与不炸间收集珍贵的数据。
警告：本文包含针对渡劫的围观操作，理论上可能原地吃席，请勿模仿。
【背景】
前些年为了试试光伏水深，特意搞了几片 18V/20W 小功率玻封版本。
虽说为几片小板搭个棚子有点夸张，但这玩意是真受不得阴影，最后辗转铺在了顶楼水箱层：
四片 18V/20W 串联，可以获得 72V/1A 的高压直流电源。不少 40W 以内的 PD 充电头已然可以正常工作，遇上 48-60V 电瓶车直接怼上傻充就行，充电佬整个夏天的乐趣不过如此。
然江南不愧是毒瘴之地，动不动就台风下雨渡个劫，场面差不多是这种：
这天气大疆放不出、光伏也萎靡乏力，充电佬的快乐都劈没了可怎么行。
【理论】
灵机一动，若用光伏来测夜晚雷电强度，似乎有着不错的空间和时间分辨力。
空间上相比于直接拿小面积感光器件，光伏这巨大的表面是个不错的大底。借用摄友术语：底大一级压死人，这接近 0.5m^2 的大底想来要神清气爽。
数学上假定单个传感器采样的随机噪声符合正态分布：
当多个独立传感器结果叠加起来后，数学上可以证明噪声按平方根倍率增长：
信号幅值变强 n 倍，但噪声只变大 √n 倍，等效的信噪比瞬间就上来了。
所谓底大，就是用更大、更多的感光单元对信号进行叠加平均，等效噪声自然更小。
时间上用 Arduino 进行采样，轻松达到 kSPS 的采样分辨率。
分析渡劫过程中 kHz 以下的频率分量自然是毛毛雨。
【采集系统】
硬件上使用 Arduino 就能实现高速采样，理论上 m328 在 8bit 模式下最高采样率：
fmax= 1MHz/13 = 76.9kSPS
实际操作中，需要一个模拟前端（AFE）实现电压衰减调理，另由电池供电的笔记本PC作为数据记录单元，整体系统结构如下：
软件上唯一任务就是把 m328 的 ADC 单元全速运行起来，并将 8bit 采样结果直送串口。
实际考虑到 ch340 的感受，样本率减半 fsmp=38.5kSPS，由串口 500kbps 连续传输：
运行后在 PC 端串口助手每秒接收 38.5kB 数据，符合系统固件设计预期。
至此前期准备皆已就绪，只等劫来。
【测试-VerA】
你必须在一个雷雨交加的夜晚，趁着渡劫试炼没到巅峰，连好 AFE、Arduino 和 PC.
理论上设备和人员都有吃席的风险，那就先紧着设备防护一波。
电压衰减器借用之前测量 380V 的 MΩ 衰减板，最高曾到 600Vpp 都没冒烟：
PC 则需要拆除副硬盘，防止数据团灭：
另在 PC 端开一段 GB 尺寸的 RamDisk 并考入小姐姐数据。
事后若小姐姐数据通过 Hash 校验，则证实 北桥+DDR 健在、系统未受到渡劫误伤：
整机连起来，最后接通与屋顶连线，人员立即撤离：
【分析-VerA】
第一次窥探道友渡劫参数，不免心中激动。
半小时后雷劈减缓，果断抢救出电脑和数据，DDR 内存校验通过，数据已有 56MB 之多。
由于采样率接近音频应用，故用 Goldwave 先预览一波：
抛开 ±1LSB 的量化噪声，闪电瞬间的亮度变化还是有很完美的记录的：
对照下物理世界的录像回放，基本确认系统是可行的：
深挖几个典型的渡劫波形点，丢进 MATLAB 做谱分析。
这里得表扬下 Goldwave，直接就能另存 MATLAB 数组，省去了自编程转格式的麻烦：
一顿 fft+abs 搞出频谱来，结果略微失望，有效的信号大多集中在 <200Hz 区间：
几个典型的频域峰值（12Hz、26Hz）在时域上肉眼可见：
相当于就采了个亮、听了个响，至于渡劫雷劈的细节吟诵，啥也没采着。
【系统改进】
费了老大劲折腾的系统，效果不如高速摄影机，这是不能接受的。必须分析下这其中的问题。
抛开分压比过大，导致 Arduino 收到的信号 Vpp 太小，怀疑线路寄生电容在捣乱。
从屋顶到光伏转接插板大约有 L=10m 长线路（2x1.5并线），简单估算下电容量级。
将双芯并线等效为平行平板，正对面积按 S=2mm*L 算，间距按 d=1mm 算，绝缘皮相对介电系数 εr=8 有：
C= ε0*εr*S/d = 1.4nF
显然寄生电容已经到 nF 量级，若与 MΩ 输入阻抗配合，的确会有 ms 量级相应时间。
找来两台表，趁黑验证下估算结果，nF 数量级大致相符：
至此可以确认并线的寄生电容与AFE的阻抗匹配不佳，导致信号出现低通失真：
对于闪电的上升沿，光伏 V 可以迅速充满 C1=5nF 寄生电容，相当于 D1 导通充电；
对于闪电的下降沿，光伏 V 等效于开路，全靠输入阻抗 R1 给 C1 放电，响应速度自然很慢。
按实测的数据，系统时间常数大约为 2MΩ*5nF= 10ms，与之前分析的 <200Hz 频谱基本吻合。
【测试-VerB】
有了 VerA 实验的填坑铺垫，这次着重改善 AFE 衰减电路，使其与 C1 配合可过 kHz 信号，并尽可能覆盖完整的 ADC 采样范围（0-5V）.
最终选择 11:1 衰减电路，由 100Ω-1kΩ 直接分压构成。对外阻抗 1.1kΩ，
时间常数缩短至 1.1kΩ*5nF= 5.5us，在 38.5kSPS 采样范围内基本全通。
夜晚渡劫稍纵即逝，这次直接扭个 kΩ 电阻就往上怼。 当然真要劈着了，恐怕和 MΩ 电阻一样惨：
测试时转接板的指示灯疯狂闪烁，指示渡劫试炼强度：
【再分析-VerB】
又是一晚狂风暴雨（台风“塔巴”），这次终于劈出了细节的吟唱谱线。
打开 Goldwave 细看，改进的 AFE 果然带来了超多细节。
以这段 0.1s 左右的脉冲闪烁为例，肉眼大致只能看到快速的闪烁了几次（~10Hz）：
水平拉开后一个脉冲，震惊于大自然的鬼斧神工：
5.8ms 的区间段内，硬生生塞进去三个高低错落的波峰，提示渡劫吟唱并不是单一音节，
而是有更多的细分符咒。这要没点实力直接应劫，后果不堪设想。
同样方式搞入 MATLAB，截取典型的脉冲模型做谱分析，右上为时域形态：
第一峰值 (736.1Hz) 基本与峰间隔相对应，高频到 >5kHz 则趋于平缓。
另一个脉冲的谱分析如下：
相较于前一个时域多峰的走势，该波形更多能量集中在 1kHz-3kHz 范围，
想来应该是符咒集中爆发的状态，与前一个碎碎念有所区别。
【结论】
此次的渡劫采集系统工作良好，从谱分析的结果来看，大致有如下几点结论：
a. 渡劫闪电，肉眼可见的雷劈频率在 7-10Hz 附近；
b. 对于每次雷劈，实际由更为细分的 700-3kHz 频率成份组成；
c. 对于超过 5kHz 甚至更高的频率范围，渡劫试炼基本不予涉及。
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以上，使用光伏板配合 Arduino 采集雷电，经过 AFE 改进后成功围观渡劫试炼，并进行了简单的时、频域分析。
几次渡劫下来数据有点多，往后还得搞一套更为高效的分析系统，以加速修炼。
大家若有更好的想法，或者需要原始数据（百兆量级）也欢迎留言。
最后祝大家双节快乐！
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