全信息磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宗方勇1 , 吳志東2

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全信息磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宗方勇, 吳志東

(1. 海軍裝備部重慶局, 重慶, 400042; 2. 海軍工程大學(xué)兵器工程系, 湖北武漢, 430033)

設(shè)計(jì)了適于海洋試驗(yàn)條件下的以磁阻式傳感器為核心的全信息磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng), 并給出了完善的設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)方法。使用MSP430F5438控制多路A/D同步采集磁阻式傳感器的三分量和兩軸傾角傳感器的信號(hào), 并將采集到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至SD卡存儲(chǔ)模塊, 給出了關(guān)鍵電路的實(shí)現(xiàn)方法和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證, 系統(tǒng)單軸磁場(chǎng)精度在5 nT以內(nèi)。長(zhǎng)時(shí)間的湖試結(jié)果表明, 該系統(tǒng)已成功解決了水下環(huán)境下磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中低功耗、高精度和大容量存儲(chǔ)等關(guān)鍵技術(shù), 可以應(yīng)用于水下環(huán)境全信息磁場(chǎng)測(cè)量。

全信息磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng); 大容量存儲(chǔ); 低功耗; 傾角傳感器

0 引言

磁性傳感器通過感知磁性物質(zhì)引起的地磁場(chǎng)畸變來(lái)探測(cè)鐵磁性物質(zhì)。磁性傳感器以其隱蔽性的特點(diǎn)為偵測(cè)鐵磁性目標(biāo)提供了比其他如雷達(dá)等主動(dòng)探測(cè)器更優(yōu)的手段, 二戰(zhàn)時(shí)磁性傳感器首次被用于反潛作戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)磁性目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)時(shí)需要大量的樣本磁場(chǎng)數(shù)據(jù), 實(shí)際環(huán)境下獲取目標(biāo)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)是提高磁場(chǎng)目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)識(shí)別能力的基礎(chǔ)。

根據(jù)水下環(huán)境磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的需求特點(diǎn), 設(shè)計(jì)了基于磁阻式傳感器的全信息磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng), 全信息主要包括磁場(chǎng)信號(hào)的三分量和傳感器自身的姿態(tài)信息。成功實(shí)現(xiàn)了高電壓置位重置電路、多通道高精度數(shù)據(jù)采集、傾角測(cè)量以及大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等設(shè)計(jì), 設(shè)計(jì)了測(cè)量裝置并成功進(jìn)行湖試, 獲取多組目標(biāo)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)表明, 系統(tǒng)可用于水下環(huán)境全信息磁場(chǎng)測(cè)量, 并可推廣應(yīng)用到其他磁場(chǎng)測(cè)量場(chǎng)合。

1 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

全信息磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)主要完成對(duì)磁場(chǎng)傳感器的置位/重置、磁場(chǎng)信號(hào)放大、濾波、信號(hào)采集、功耗控制、傾角測(cè)量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。測(cè)量系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖1所示, 測(cè)量系統(tǒng)由磁阻式傳感器、置位重置電路、信號(hào)放大濾波電路、功耗控制電路、多通道數(shù)據(jù)采集電路、串口通信電路、SD卡存儲(chǔ)模塊、單片機(jī)系統(tǒng)和電源轉(zhuǎn)換電路等組成; 置位重置電路用來(lái)消除磁傳感器噪聲和漂移; 升壓電路實(shí)現(xiàn)7~18 V電壓轉(zhuǎn)換, 為置位重置電路提供正常工作電壓; INA118和后續(xù)的濾波電路完成對(duì)磁信號(hào)的放大、濾波; 單片機(jī)三片AD7799實(shí)現(xiàn)三軸磁場(chǎng)信號(hào)的同步采集; 使用單片機(jī)片內(nèi)集成的兩通道AD芯片來(lái)獲取傾角傳感器的輸出; SD卡模塊用以存儲(chǔ)前端采集到的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于置位重置電路設(shè)計(jì), 多通道同步數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì), 低功耗設(shè)計(jì)和傾角測(cè)量電路設(shè)計(jì)等幾方面。其中, 傳感器的設(shè)計(jì)測(cè)量范圍是±2 Gauss。

1.1 多通道高精度數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

為了保證同步獲取三軸磁場(chǎng)信號(hào), 并且權(quán)衡信號(hào)分辨率、功耗及采樣頻率等因素, 用3片低功耗24位AD芯片實(shí)現(xiàn)磁信號(hào)三分量的同步采集, 芯片選用ADI公司的24位器件AD7799。

AD7799具有低功耗、低噪聲和完全模擬輸入前端, 可應(yīng)用在低頻、微弱信號(hào)測(cè)量場(chǎng)合。AD7799的一些主要特性: 3個(gè)模擬輸入通道、低噪聲可編程增益放大器、電源電壓2.7~5.25 V、工作時(shí)的電流僅為380 μA。單片機(jī)通過3個(gè)SPI接口以三線連接模式分別與3片AD7799連接; AD7799的控制和操作是通過一系列的片上寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)通過對(duì)片上寄存器的一系列指令完成AD7799的初始化, 圖1給出了初始化的流程圖。初始化完畢之后就可以控制AD7799進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

高精度基準(zhǔn)源是保證數(shù)據(jù)采集精度的一個(gè)重要因數(shù), 選用的是ADR445作為外部基準(zhǔn)源為3片AD7799提供5 V基準(zhǔn)電壓。ADR445主要工作特性是800 μA的供電電流, 0.1~10 Hz噪聲為1.5 uVp-p, 溫度漂移是3 ppm/℃, 線性度為 20 ppm/V, 性能滿足高精度數(shù)據(jù)采集要求。

1.2 傾角測(cè)量電路設(shè)計(jì)

選用基于MEMS技術(shù)的兩軸傾角傳感器SCA100T-D2, 該芯片單5 V供電, 可以進(jìn)行雙向測(cè)量, 包括俯仰角和翻滾角, 內(nèi)置溫度傳感器; 測(cè)量范圍±90°, 理論傾角分辨率0.0025°, 支持模擬輸出和基于SPI接口的數(shù)字輸出, 設(shè)計(jì)選用模擬輸出。

傾角的測(cè)量是通過測(cè)量芯片的重力加速度來(lái)推算傾角。即只有處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí), 沒有其他加速度才能進(jìn)行角度測(cè)量, 輸出加速度信號(hào)與角度關(guān)系如式(1)、式(2)所示。其中:A和A是加速度傳感器的輸出信號(hào); g是重力加速度; 而和分別是俯仰角和翻滾角。利用反正弦方程可以得到傾斜角度如式所示, 傳感器模擬輸出的電路如圖2所示, VOUT_X和VOUT_Y是兩軸的模擬輸出到A/D器件。

(2)

圖2 傾角傳感器模擬輸出電路圖

Fig. 2 Output analog circuit of inclinometer sensors

1.3 系統(tǒng)低功耗及大容量存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)需要在電池供電情況下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作, 對(duì)系統(tǒng)功耗提出了嚴(yán)格的要求。系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)主要從軟件和硬件兩方面進(jìn)行。硬件方面, 芯片的選型首先考慮單片機(jī)控制器的選擇, 主要從功耗和滿足系統(tǒng)性能要求方面進(jìn)行選擇。經(jīng)過對(duì)比分析, 系統(tǒng)選取MSP430系列單片機(jī)中的MSP430F5438。該芯片支持6種低功耗工作模式, 2.2~3.6 V供電電壓, 耗電電流僅為126 μA /MHz,并且該芯片集成了豐富的外設(shè)來(lái)滿足系統(tǒng)各項(xiàng)功能的需要。系統(tǒng)選取的串口驅(qū)動(dòng)芯片是MAX3223, 該芯片有低功耗工作模式、雙串口支持, 滿足功耗和性能的要求。軟件方面, 結(jié)合系統(tǒng)中各個(gè)模塊的多種工作模式, 系統(tǒng)軟件上進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)主要依據(jù)以下2個(gè)準(zhǔn)則。

1) 對(duì)傳感器模塊實(shí)時(shí)間歇供電方式, 根據(jù)工作需要接通傳感器模塊的電源。由單片機(jī)RTC時(shí)鐘定時(shí)喚醒單片機(jī)給傳感器供電, 以降低系統(tǒng)功耗。

2) 對(duì)具有低功耗模式的芯片包括AD7799、MAX3223和單片機(jī)等, 均采用掉電工作模式, 在不需要數(shù)據(jù)采集時(shí)處于睡眠模式, 中斷喚醒后進(jìn)入全速運(yùn)行模式。

出于海上試驗(yàn)的安全性和布放、打撈難度考慮, 測(cè)量體的打撈要在測(cè)量到所有通過目標(biāo)在整個(gè)航次上的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)后, 且保證所有目標(biāo)通過完畢, 所以對(duì)存儲(chǔ)容量有較高的要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用容量為大容量SD卡存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。SD卡具有大容量、高性能、體積小和訪問接口簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。SD卡模塊通過串口與單片機(jī)連接獲取單片機(jī)發(fā)送過來(lái)的數(shù)據(jù), 模塊設(shè)計(jì)FAT32文件系統(tǒng)配合自動(dòng)創(chuàng)建文件的方式來(lái)管理獲取的數(shù)據(jù)。SD卡模塊最大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速度是14 KByte/s, 最大支持32G SD卡, 功耗是30 mA。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、置位重置操作、功耗控制和串口通信等功能。軟件主要由數(shù)據(jù)采集程序、串口通信程序、功耗控制程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序等幾部分組成。數(shù)據(jù)采集程序通過控制3片AD7799和片內(nèi)兩通道A/D完成模擬信號(hào)采集, 系統(tǒng)采樣率初始設(shè)置為32 Hz; 串口程序完成系統(tǒng)的人機(jī)交互功能包括對(duì)系統(tǒng)工作模式選擇、系統(tǒng)各項(xiàng)工作參數(shù)和系統(tǒng)時(shí)間的設(shè)定等, 其中系統(tǒng)的各項(xiàng)工作參數(shù)包括系統(tǒng)開始工作時(shí)間、門限值大小和采樣率設(shè)定等; 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序一方面通過串口將數(shù)據(jù)上傳到SD卡模塊, 另一方面以指令形式控制SD卡模塊的文件長(zhǎng)度等。

軟件通過值更喚醒的工作模式來(lái)提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率以降低功耗。使用間歇方式給傳感器供電并傳感器輸出的信號(hào)。由RTC時(shí)鐘控制定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)度并產(chǎn)生中斷進(jìn)入相應(yīng)的處理程序, 系統(tǒng)的軟件主流程圖如圖3所示。

3 噪聲測(cè)試及湖試試驗(yàn)

在完成測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上, 下面對(duì)傳感器硬件的噪聲進(jìn)行測(cè)試。噪聲測(cè)試是將傳感器置于磁屏蔽桶內(nèi)(無(wú)磁空間)獲取磁傳感器的輸出信號(hào)。,,軸輸出的均值分別是437 51 nT, 533 52 nT和-737 35 nT, 這3個(gè)量值是傳感器的偏置磁場(chǎng)。此處, 均值是指長(zhǎng)時(shí)間平均值, 偏置磁場(chǎng)是指?jìng)鞲衅髟诹愦怒h(huán)境下的輸出, 是磁阻式傳感器自身的特點(diǎn)。圖4給出了將信號(hào)的直流分量補(bǔ)償后傳感器三分量信號(hào)的噪聲情況, 由圖4可知, 傳感器三分量的噪聲值均小于5 nT。

圖4 磁傳感器噪聲信號(hào)三分量數(shù)值

為了在實(shí)際環(huán)境下檢驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的性能并獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù), 設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置并進(jìn)行了湖試, 試驗(yàn)裝置使用密閉的無(wú)磁不銹鋼制成的圓柱形罐體, 測(cè)量系統(tǒng)安裝在罐體底部, 罐體外部有氣密檢查孔和吊放環(huán), 通過繩纜將裝置放置于GPS設(shè)定好位置的水底。當(dāng)試驗(yàn)船只從試驗(yàn)裝置水域經(jīng)過時(shí),由測(cè)量裝置采集并記錄其磁場(chǎng)信號(hào)及測(cè)量體自身的姿態(tài)信息。試驗(yàn)使用1艘旅游船, 其物理參數(shù)是長(zhǎng)27.5 m, 寬5 m, 110 t。試驗(yàn)中船只以速度18 km/h通過測(cè)量體上方, 共行駛4條航跡, 每條航跡長(zhǎng)2 000 m, 以測(cè)量體為中心前后各1 000 m, 每條航跡與測(cè)量點(diǎn)的正橫距離分別是71 m和60 m, 系統(tǒng)連續(xù)工作12 h并準(zhǔn)確的記錄了所有測(cè)得的數(shù)據(jù)。圖5分別給出了船只行駛2條航跡記錄下的磁場(chǎng)通過數(shù)據(jù), 從數(shù)據(jù)對(duì)比看, 隨著距離的增加, 磁場(chǎng)強(qiáng)度以很快的速度衰減。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文完成了全信息磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì), 并成功進(jìn)行湖試獲取了實(shí)測(cè)磁場(chǎng)數(shù)據(jù), 解決了海試環(huán)境下磁場(chǎng)測(cè)量對(duì)高精度數(shù)據(jù)采集、低功耗運(yùn)行及大容量存儲(chǔ)等要求, 實(shí)現(xiàn)了高電壓置位重置電路、多通道高精度數(shù)據(jù)采集、傾角測(cè)量以及大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能, 該系統(tǒng)在硬件上沒有對(duì)地球磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償, 在后續(xù)數(shù)據(jù)處理時(shí), 通過去均值的方法可以去除地球磁場(chǎng)。并且該系統(tǒng)還可以推廣應(yīng)用于長(zhǎng)期無(wú)人職守且需要連續(xù)觀測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)變化的場(chǎng)合, 具有很好的實(shí)用價(jià)值。

[1] Lenz J E. A Review of Magnetic Sensors[J]．Process of the IEEE, 1990, 78(6): 973-989．

[2] Merlat L, Naz P．Magnetic Localization and Identification of Vehicles[J]．Process of Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, 2003, 5090: 174-185．

[3] McAulay A D. Computerized Model Demonstrating Magnetic Submarine Localization[J]. IEEE Transactions, 1977, 13(3): 246-254．

[4] Czipott P V, Perry A R, Whitecotton B R．Magnetic Detection and Tracking of Military Vehicles[J]．Magnetic and Electric Field Sensors, 2001, 1(23): 14

[5] 林春生, 龔沈光．艦船物理場(chǎng)[M]．北京: 兵器工業(yè)出版社, 2007．

[6] Set/reset Function for Magnetic Sensors[M]. Honeywell: Application Note AN213, 2002.

[7] [s.n.]. Analog Device: 3-Channel, Low Noise, Low Power, 24-/16-Bit ∑-Δ ADC AD7799 Reference Data Sheet [EB/ OL]. [S.l.]: 2007 [2013-06-07]. http://www.anlog.com/en/ analog-to-digital-converters/ad7799/product.html.

[8] [s.n.]. Analog Device: Ultralow Noise XFET Voltage Reference ADR431A Data Sheet [EB/OL]. [S.l.]: 2011 [2013- 06-07]. http://www.analog.com/en/special-linear-functions /voltage-references/adr431/products/product.html.

[9] [s.n.]. VTI Technologies. SCA100T Inclinometers Data Sheet[EB/OL]. [S.l.]: 2012[2013-06-07]. http://www.mura- tamems.fi/en/products/inclimeters/sca100t-inclinometers.

(責(zé)任編輯: 許 妍)

Design of Measuring System of Magnetic Field with Full Information

ZONG Fang-yong, WU Zhi-dong

(1. Representative Bureau in Chongqing, Naval Armament Department, Chongqing 400042, China; 2. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

A measuring system of magnetic field with full information is designed based on the magnetoresistive magnetometers of HMC1001 & HMC1002 type. It is adapted to the ocean test environment. The design project and implementation are offered. Signals from magnetic sensors′s three components and from the two-axis inclinometer are synchronously sampled through the MSP430F5438 controlled multicenter analog to digital device with high resolution. The implementation of the key circuit and the design flow chart of the system software are presented. The data sampled by the system is stored in the mass storage SD card module. Testing results show that the noise of the system is within 5 nT, and the key techniques about low power, high resolution, and mass storage have been solved in this design. The present measuring system can be applied to measurement of underwater magnetic field with full information

full information of magnetic field measuring system; mass storage; low power; inclinometer sensor

TP274; TM153

A

1673-1948(2013)06-0460-04

2013-07-17;

2013-08-26.

宗方勇(1978-), 男, 博士, 工程師, 主要從事水雷監(jiān)造工作.