基于STM32+W5500 的雙環(huán)網(wǎng)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)

余萬(wàn)祥，李維波，徐聰，李巍，何凱彥

武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430070

0 引 言

艦船水下磁場(chǎng)是指處于海水中的艦船對(duì)外呈現(xiàn)的磁場(chǎng)和電場(chǎng)的總稱。按照頻率一般可以劃分為靜磁場(chǎng)、靜電場(chǎng)和交變電磁場(chǎng)磁場(chǎng)。與此同時(shí)，艦船的水下磁場(chǎng)主要來(lái)源于3 個(gè)方面：艦船船體陰極保護(hù)系統(tǒng)所產(chǎn)生的防腐電流、不同金屬材料之間由于電化學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生的腐蝕電流以及艦船機(jī)電設(shè)備對(duì)外的電磁輻射［1］。

艦船航行時(shí)，艦船磁場(chǎng)會(huì)受到地球磁場(chǎng)的影響，同時(shí)在艦內(nèi)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)、海水等因素影響下會(huì)產(chǎn)生剩余磁場(chǎng)，使其在附近數(shù)十米甚至上百米的距離都可以被探測(cè)到。為了提高艦船的整體磁性防護(hù)能力，以防御來(lái)自水中磁性武器（例如磁性感應(yīng)水雷）的攻擊和降低被磁探測(cè)儀器發(fā)現(xiàn)的概率，保障艦艇航行安全，一般新建和修理后的艦船以及使用了一定年限的艦船都要進(jìn)行消磁處理。但是，在不同的海域中，針對(duì)不同的艦船類型，需測(cè)量的參數(shù)和使用的測(cè)量設(shè)備并不一樣。同時(shí)，艦船本身在運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備的磁場(chǎng)也會(huì)增加額外的磁場(chǎng)強(qiáng)度。近些年，國(guó)內(nèi)外均對(duì)磁性器件的運(yùn)用和磁性材料的磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，并且取得了不少成果［2-4］。但是隨著現(xiàn)代磁引信技術(shù)的發(fā)展和磁性感應(yīng)水雷威脅的增大，消磁技術(shù)將面臨更大的挑戰(zhàn)，而如何精確捕獲磁場(chǎng)信號(hào)，是艦船消磁的前提條件。

現(xiàn)代艦船磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集大體上分為兩大類，即靜態(tài)測(cè)磁和動(dòng)態(tài)測(cè)磁。具體包括移動(dòng)式測(cè)量架測(cè)磁、海底大面積布陣測(cè)磁、便攜式測(cè)磁儀懸掛探頭測(cè)磁、海底行車測(cè)磁、敞開(kāi)式檢測(cè)站測(cè)磁等［5］。在諸多方法中，雖然便攜式測(cè)磁儀可以擺脫測(cè)量場(chǎng)地的限制，但精度不高。海底布陣和海底行車2 種方式測(cè)量的精度比較高，但存在建設(shè)成本高、維護(hù)困難等問(wèn)題，且測(cè)量平面固定，不能獲得艦船不同平面上的磁場(chǎng)分布情況。鑒此，本文將基于STM32+W5500 的雙環(huán)網(wǎng)磁場(chǎng)采集技術(shù)，構(gòu)建分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使系統(tǒng)僅需更改傳感器的設(shè)置方式及通過(guò)軟件調(diào)試，就可應(yīng)用于各種測(cè)量環(huán)境，解決設(shè)備儀器笨重、易受外界干擾、穩(wěn)定性不強(qiáng)、系統(tǒng)硬件升級(jí)不便等問(wèn)題。

1 采集系統(tǒng)總體架構(gòu)

在惡劣電磁環(huán)境下，由于電纜傳輸距離遠(yuǎn)，信號(hào)傳輸過(guò)程中會(huì)給原始信號(hào)引入一定噪聲，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)本身的自然衰減，從而使原始信號(hào)與傳感器采集到的信號(hào)存在一定誤差，最終降低數(shù)據(jù)精度。由于各模塊間的連接不可靠，若情況嚴(yán)重，甚至?xí)?dǎo)致無(wú)法正常采集到信號(hào)。

為了滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試需求，設(shè)計(jì)了如圖1 所示的采集系統(tǒng)總體框架。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是數(shù)字信號(hào)處理的重要組成部分，也是對(duì)傳感器前端信號(hào)進(jìn)行處理不可或缺的一部分。

本系統(tǒng)將在復(fù)雜電磁環(huán)境下的2 000 多個(gè)測(cè)量點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，考慮到磁場(chǎng)信號(hào)數(shù)量巨大，既要方便走線，又要有利于信號(hào)采集與傳輸，因此需要充分考慮空間布置的方法，合理配置好整套測(cè)試系統(tǒng)，這對(duì)于是否充分發(fā)揮好整套測(cè)試系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。

分布式環(huán)網(wǎng)采集系統(tǒng)是通過(guò)交換機(jī)和光纖收發(fā)器組成的雙環(huán)網(wǎng)，經(jīng)雙環(huán)網(wǎng)來(lái)連接現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊（DSM）和數(shù)據(jù)集控中心（DSC）。本系統(tǒng)采用了雙環(huán)路以太網(wǎng)冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，另一個(gè)環(huán)網(wǎng)仍將繼續(xù)工作，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)后，通過(guò)10 /100 Mbit/s 光纖收發(fā)器（信號(hào)傳輸控制器）、光纖（信號(hào)傳輸介質(zhì)）、交換機(jī)（信號(hào)集散器），將采集的信號(hào)發(fā)送到數(shù)據(jù)集控中心處理。

圖1 基于ARM 控制器的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.1 Hardware architecture of magnetic field data acquisition system based on ARM controller

2 測(cè)量原理與軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量原理

測(cè)量磁場(chǎng)的主要方法有：磁力法、霍爾效應(yīng)法、電磁感應(yīng)法、磁通門法、磁共振法、磁膜測(cè)磁法、超導(dǎo)效應(yīng)法和磁光效應(yīng)法等。

霍爾效應(yīng)法是實(shí)際應(yīng)用中比較成熟的一種方法，該方法可以連續(xù)線性地讀取數(shù)值，可用于測(cè)量小間隙磁場(chǎng)。此外，基于霍爾效應(yīng)的傳感器器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、頻帶寬，可以使用多探頭，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量和數(shù)據(jù)處理。一般情況下，此方法中使用的傳感器可測(cè)量的磁場(chǎng)強(qiáng)度為10-7～10 T 的恒磁場(chǎng)或高頻磁場(chǎng)，其分辨率高，而艦船磁場(chǎng)強(qiáng)度一般不超過(guò)-6×10-5～6×10-5T［6］。

如圖2 所示，一個(gè)由半導(dǎo)體材料制成的霍爾器件薄片（長(zhǎng)為L(zhǎng)，寬為b，厚度為d）放入垂直磁場(chǎng)中，沿3，4 側(cè)面方向通過(guò)大小為I 的電流。由于洛倫茲力Fm的作用使電子運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，造成電子在霍爾器件薄片的1 側(cè)聚集了過(guò)量的負(fù)電荷，2 側(cè)聚集了過(guò)量的正電荷。因此，在薄片內(nèi)部產(chǎn)生了由2 側(cè)指向1 側(cè)的電場(chǎng)EH的作用，同時(shí)電子還受到與洛倫茲力反向的電場(chǎng)力FH，當(dāng)兩個(gè)電場(chǎng)力相等時(shí)，電子的累積和聚集便達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。此時(shí)，在霍爾器件薄片1，2 側(cè)之間將會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓UH。

圖2 霍爾效應(yīng)原理Fig.2 Principle of Hall effect

假設(shè)半導(dǎo)體中電流I是均勻且穩(wěn)定的，則

式中：RH為霍爾系數(shù)；KH為靈敏度，KH=RH/d；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度。根據(jù)RH和KH的定義可知，對(duì)于給定型號(hào)的霍爾器件，KH為唯一確定的常數(shù)，它只與霍爾器件的材料性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)。因此，在I 不變的情況下，UH與所要求的磁場(chǎng)強(qiáng)度B具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，即

考慮到艦船本身處于復(fù)雜的電磁環(huán)境下，為提高磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的底層精度，將6 個(gè)性能參數(shù)相同的霍爾器件分別粘貼在艦船某個(gè)突出部位很小的6 個(gè)面上，互相平行的2 個(gè)面的霍爾器件以差動(dòng)方式連接電路，共同完成某個(gè)方向的磁場(chǎng)測(cè)量；由于立方體相鄰的3 個(gè)面彼此正交，故可以構(gòu)成一個(gè)三維的磁敏傳感器，用于測(cè)量立方體中心點(diǎn)磁場(chǎng)的3 個(gè)分量。由于霍爾器件的體積很小，這種三維磁敏傳感器可以做成點(diǎn)式探頭的形式。同時(shí)，霍爾器件以差動(dòng)方式連接電路，可有效減小由于不等位輸出電壓和溫度變化帶來(lái)的影響［7］。

2.2 硬件架構(gòu)

圖3 所示為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊。在硬件方面，設(shè)計(jì)了以STM32F417 為處理器的CPU，以ADG1206 為通道選擇控制芯片，以AD7606 為模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)計(jì)了一個(gè)128 通道的高速高精度現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊，同步采集高頻、高精度的信號(hào)。在軟件處理方面采用了中值濾波、慣性濾波和均方根算法來(lái)減小數(shù)據(jù)采集誤差，同時(shí)配合VS 軟件編寫的上位機(jī)界面進(jìn)行校正，用來(lái)保證整體數(shù)據(jù)采集的精度。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊的原理框圖Fig.3 Block diagram of field data acquisition module

圖3 所示的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：

1）主控芯片為STM32F417，以Cortex－M4為內(nèi)核，具有高性能、低功耗、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，最高工作頻率可達(dá)168 MHz，內(nèi)置高速儲(chǔ)存器、12 位A/D 轉(zhuǎn)換器、SDIO 驅(qū)動(dòng)模塊、定時(shí)器等外設(shè)，并提供3 種低功耗模式，供用戶合理優(yōu)化；

2）信號(hào)采集模塊用來(lái)采集傳感器信號(hào)，并且需保證減少采集過(guò)程中的誤差；

3）A/D 轉(zhuǎn)換模塊選用16 位精度的AD7606 芯片，與8 片ADG1206 芯片配合使用，可以達(dá)到1 塊CPU 控制128 個(gè)通道的設(shè)計(jì)要求；

4）溫、濕度模塊，用于測(cè)量裝置本身的溫、濕度情況，以便監(jiān)控裝置自身的運(yùn)行狀態(tài)；

5）存儲(chǔ)模塊用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)校正的A，B 值和現(xiàn)場(chǎng)7 天內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，時(shí)鐘模塊用來(lái)授時(shí)；

6）ARM 將帶有時(shí)間戳的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)上傳至交換機(jī)。

2.2.1 信號(hào)調(diào)理與切換電路設(shè)計(jì)

磁場(chǎng)采集系統(tǒng)受設(shè)備工作環(huán)境、現(xiàn)場(chǎng)狀況等諸多因素的影響，造成實(shí)時(shí)性和可靠性降低，對(duì)磁場(chǎng)采集系統(tǒng)的整體性能產(chǎn)生很大的影響。艦船本身的磁場(chǎng)強(qiáng)度是磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，在采集通道的設(shè)計(jì)中主要考慮的是精度和艦船不同部位的不同磁場(chǎng)強(qiáng)度。只有保證數(shù)據(jù)采集的精度足夠高才能達(dá)到精準(zhǔn)消磁的目的，因此需要設(shè)計(jì)一種能夠在極端條件下正常工作的高精度艦船磁場(chǎng)采集系統(tǒng)，必須增強(qiáng)采集通道的抗干擾性，才能保證采集系統(tǒng)的精度、準(zhǔn)確性和及時(shí)性，從而增強(qiáng)艦船防御磁性感應(yīng)水雷攻擊的能力。

信號(hào)調(diào)理電路對(duì)采集的磁信號(hào)進(jìn)行初步處理，使有效信號(hào)得以最大程度地保留，同時(shí)使之滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換要求。本文選用的傳感器為恒流驅(qū)動(dòng)的霍爾傳感器，它線性度和精度高、受溫度影響小。信號(hào)調(diào)理電路需要增加采樣電阻，其信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)包括了跟隨、RC 低通濾波、多通道切換選擇器以及雙級(jí)隔離4 個(gè)部分的電路。在輸入A/D轉(zhuǎn)換器之前經(jīng)過(guò)RC 低通濾波處理，可起到抗混疊的效果。信號(hào)調(diào)理與切換電路如圖4 所示。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選擇ADG1206 芯片作為多通道數(shù)據(jù)切換的硬件，該芯片是一款單芯片iCMOS模擬多路復(fù)用器，內(nèi)置有16 個(gè)單通道。ADG1206芯片可以根據(jù)4 位二進(jìn)制地址線A0，A1，A2 和A3高、低電平的不同來(lái)確定地址，并且可以將16 路輸入之一按照順序切換至公共輸出［8-9］。由于艦船電磁環(huán)境復(fù)雜，會(huì)對(duì)磁場(chǎng)采集系統(tǒng)的精度造成影響，所以隔離芯片選用的是AD202KY，該芯片是一款通用型、雙端口、變壓器耦合式隔離放大器，可應(yīng)用于無(wú)電流連接的情況下測(cè)量、處理和/或傳送輸入信號(hào)。AD202KY 具有完整的隔離功能，可同時(shí)進(jìn)行信號(hào)隔離與電源隔離。信號(hào)調(diào)理與切換電路采用了濾波、跟隨、隔離、濾波、切換和隔離的雙級(jí)隔離方法。第1 級(jí)隔離是為了避免不同通道在切換的過(guò)程中產(chǎn)生干擾。A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳輸?shù)紸RM 進(jìn)行處理，是處理器能否準(zhǔn)確處理與控制的前提。本系統(tǒng)在濾波切換之后信號(hào)進(jìn)入A/D 轉(zhuǎn)換芯片前加入第2 級(jí)隔離，并將模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)完全隔離，以保證A/D 轉(zhuǎn)換器不受復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾。濾波提高了信號(hào)抗干擾性及信噪比以及分析精度。采用2 個(gè)二階濾波器串聯(lián)成一個(gè)四階濾波器，高階濾波器通過(guò)低階濾波器串聯(lián)而成，能夠大幅度提高采樣精度，使信號(hào)更加接近理想情況。

2.2.2 A/D 采樣電路設(shè)計(jì)

圖4 信號(hào)調(diào)理與切換電路Fig.4 Signal conditioning and switching circuit

STM32F4 系列自帶的A/D 模塊的采樣精度只有12 位，為了達(dá)到高精度要求，本系統(tǒng)采用外接AD7606 芯片，這是一款完全集成的多通道數(shù)據(jù)采集芯片，使用5 V 單電源供電。該芯片可以實(shí)現(xiàn)16 位無(wú)失碼性能，并且在高噪聲電源條件下也能保持此性能。AD7606 芯片的外圍電路如圖5 所示。本文方案選擇了高速串行接口模式，其測(cè)量范圍為0～5 V。AD7606 通過(guò)V1～V8 分別為接收來(lái)自8 塊ADG1206 的模擬量輸入。與此相對(duì)應(yīng)，通道V1～V4 的轉(zhuǎn)換結(jié)果首先出現(xiàn)在數(shù)據(jù)輸出端DOUTA 上，通道V5～V8 的轉(zhuǎn)換結(jié)果首先出現(xiàn)在數(shù)據(jù)輸出端DOUTB 上，由BUSY 端口發(fā)出轉(zhuǎn)換完成信號(hào)，借助CS 和RD 接收數(shù)據(jù)、讀取信號(hào)至ARM進(jìn)行后續(xù)處理［10-11］。

本文系統(tǒng)中借助OS0～OS2 這3 個(gè)引腳充當(dāng)過(guò)采樣引腳，與ARM 連接，通過(guò)它們來(lái)控制采樣倍率，表1 示出工作狀態(tài)。在選擇過(guò)采樣模式時(shí)，A/D 轉(zhuǎn)換之后增加了數(shù)字濾波功能。不同的過(guò)采樣倍率和CONVST 采樣頻率將產(chǎn)生不同的數(shù)字濾波器頻率曲線［6］。由于信號(hào)自身的頻率為10 kHz，根據(jù)香農(nóng)定理，若要確保信號(hào)能夠完整地采樣，其采樣頻率至少為信號(hào)頻率的2 倍，即一個(gè)周期內(nèi)至少需要2 個(gè)采樣點(diǎn)，根據(jù)表1 所選擇的開(kāi)啟4 倍過(guò)采樣倍率，其采樣信號(hào)的要求可以得到滿足。

算數(shù)平均值濾波算法是一種簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理方法，主要用于抑制一般的隨機(jī)干擾和周期性干擾［12］，其處理方式是在某一時(shí)刻對(duì)信號(hào)進(jìn)行多次采集（設(shè)采集了N 個(gè)數(shù)值）進(jìn)行算數(shù)平均運(yùn)算。本系統(tǒng)在AD7606 已經(jīng)開(kāi)啟過(guò)采樣的情況下，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了算數(shù)平均值濾波處理。通過(guò)試驗(yàn)，本系統(tǒng)在4次采集后（即N≥4）可以獲得穩(wěn)定的輸出結(jié)果。

2.3 軟件架構(gòu)

2.3.1 網(wǎng)絡(luò)通信軟件設(shè)計(jì)

由于充當(dāng)CPU 的STM32F417 內(nèi)部只有一個(gè)介質(zhì)訪問(wèn)控制子層協(xié)議（MAC），所以無(wú)法支持2個(gè)網(wǎng)口同時(shí)通信。為了設(shè)備的通用性和可靠性要求，采用了外接2 塊W5500 芯片W5500 作為以太網(wǎng)通信芯片（采用SPI 接口與ARM 通信）。而STM32F4 本身具有3 個(gè)SPI 通信接口，滿足雙通道以太網(wǎng)接口的冗余性要求，以及通過(guò)SPI 通信實(shí)現(xiàn)外接A/D 采樣芯片功能。以太網(wǎng)通信冗余方式如圖6所示。

圖5 AD7606 芯片的外圍電路接線圖Fig.5 Wiring diagram of the circuit around AD7606 chip

表1 過(guò)采樣工作狀態(tài)Table 1 Oversampling working state

圖6 以太網(wǎng)冗余切換Fig.6 Ethernet redundancy switching

以太網(wǎng)控制芯片W5500 可實(shí)現(xiàn)TCP/IP 協(xié)議棧、10/100 Mbit/s 以太網(wǎng)MAC 和PHY［11］。W5500內(nèi)置有32 kB 的存儲(chǔ)器用于通信數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，通過(guò)簡(jiǎn)單的端口編程。該芯片設(shè)計(jì)硬件采用了2 個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制芯片W5500，通過(guò)2 個(gè)不同的網(wǎng)口連接不同的IP 地址，利用SPI 串口高速通信連接，采用全雙工模式能夠讓交換機(jī)達(dá)到同時(shí)接受和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。

為了提高系統(tǒng)通信的可靠性，采用雙以太網(wǎng)組成了環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的熱冗余系統(tǒng)，在某一環(huán)網(wǎng)損壞的情況下仍然能繼續(xù)工作，有效提升了系統(tǒng)的可靠性。

2.3.2 主流程

環(huán)網(wǎng)采集系統(tǒng)的主流程如圖7 所示，現(xiàn)將其簡(jiǎn)述如下：

1）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步采集處理后，通過(guò)交換機(jī)上傳至環(huán)網(wǎng)；

2）ARM 進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化處理，然后讀取當(dāng)前時(shí)刻作為主循環(huán)的起點(diǎn)，此時(shí)讀取當(dāng)前時(shí)刻；

3）如果主循環(huán)未超過(guò)10 ms，則返回讀取當(dāng)前時(shí)刻；

4）如果主循環(huán)超過(guò)10 ms，則以當(dāng)前時(shí)刻作為主循環(huán)起點(diǎn)，此時(shí)讀取模擬量輸入，隨后通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送處理后的模擬量；

圖7 環(huán)網(wǎng)采集系統(tǒng)的主流程圖Fig.7 Main flow chart of the loop network acquisition system

5）然后返回讀取當(dāng)前時(shí)刻這一步。

2.3.3 通信流程

通信工作原理流程如圖8 所示，該程序需要對(duì)芯片進(jìn)行參數(shù)初始化配置，包括下面幾個(gè)關(guān)鍵步驟：

1）對(duì)以太網(wǎng)芯片所需管腳端口進(jìn)行初始化配置；

2）設(shè)置網(wǎng)口所需要發(fā)送緩存區(qū)和接受緩存區(qū)的大?。?/p>

3）設(shè)置網(wǎng)關(guān)IP 地址、本地子碼掩碼、本地MAC 地址、本地IP 地址和本地端口號(hào)［13］；

圖8 通信工作原理流程Fig.8 The principle process of communication work

4）設(shè)置目的地IP 地址、目的地端口號(hào)。

5）初始化網(wǎng)口數(shù)據(jù)區(qū)及網(wǎng)口故障標(biāo)志，只有在網(wǎng)絡(luò)連接超時(shí)或故障時(shí)網(wǎng)口標(biāo)志位會(huì)被設(shè)置為1，以此作為冗余切換的標(biāo)志。

僅以一套磁場(chǎng)采集系統(tǒng)為例，通信協(xié)議為：

1）速率：10/100 Mbit/s 自適應(yīng)。

2）現(xiàn)場(chǎng)控制器作為Modbus TCP Server 端，終端設(shè)備為Modbus TCP Client端；

3）上位機(jī)訪問(wèn)周期：100 ms；

4）保持寄存器的起始地址為40001；

5）使用Modbus 功能碼：0x03。

表2 詳細(xì)說(shuō)明了此采集通信系統(tǒng)設(shè)備作為服務(wù)器端的情況。表3給出了以太網(wǎng)通信數(shù)據(jù)內(nèi)容。

表2 服務(wù)器端信息Table 2 Information of server side

表3 以太網(wǎng)通信數(shù)據(jù)信息Table 3 Data information for ethernet communication

2.3.4 校正原理

由于需要高精度的磁場(chǎng)采集，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于上位機(jī)界面的校正程序，通過(guò)軟件來(lái)校正硬件精度低的問(wèn)題，從而達(dá)到千分之一的精度。

采集通道的輸出曲線表達(dá)式為

式 中：Xij為 第i 塊（0＜i＜9）AI 板 卡 第j（0＜j＜17）個(gè)通道的參數(shù)值；aij和bij為每個(gè)通道對(duì)應(yīng)屬性值。

校正曲線表達(dá)式為

式中，A，B 分別為曲線的斜率和初始值。

定義表達(dá)式為：

式中：k1（i，j）（1），k2（i，j）（1）為定義的標(biāo)準(zhǔn)曲線下的計(jì)算值；k1（i，j）（2），k2（i，j）（2）為變參數(shù)精度補(bǔ)償?shù)挠?jì)算值。補(bǔ)償量依據(jù)多幀試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)精度的要求確定。

3 工程應(yīng)用與結(jié)果

本文系統(tǒng)主要測(cè)量艦船的各個(gè)不同部位的磁場(chǎng)。為方便論述，在船廠現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)輸入某個(gè)信號(hào)時(shí)，將信號(hào)直接接入16 個(gè)通道，然后通過(guò)上位機(jī)讀取輸入值，并與輸入接口的輸入值對(duì)比，分析出上位機(jī)讀取值與實(shí)際值的差別，判斷實(shí)際誤差是否符合設(shè)計(jì)要求。圖9 所示為上位機(jī)通信校正及顯示界面。

為驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試，以確定能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過(guò)NF-5035 手持式頻譜儀測(cè)量磁場(chǎng)，通過(guò)式（2）計(jì)算出電壓信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)值采用六位半的臺(tái)式萬(wàn)用表測(cè)量，測(cè)量值經(jīng)ARM處理后通過(guò)雙環(huán)網(wǎng)傳至上位機(jī)用VS 編的界面值，由圖10 可以看出該A/D 采樣模塊的精度相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)值的誤差約為0.1%，而一般單片機(jī)自帶的12位A/D 采樣模塊的誤差超過(guò)2%，可見(jiàn)本文系統(tǒng)相對(duì)于一般的系統(tǒng)精度高很多，滿足了要處理的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)要求。

以第1 塊AI 板為例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其中0～15路電壓在入口處測(cè)得為1.295 2 V，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖10 所示。

圖10 第1 塊AI板卡16 路數(shù)據(jù)Fig.10 Data of 16 channels of the first AI card

分析圖10 的數(shù)據(jù)，得到表4 的實(shí)際數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)誤差分析后，發(fā)現(xiàn)誤差均小于1‰，滿足了設(shè)計(jì)誤差要求。最終設(shè)計(jì)的設(shè)備樣機(jī)如圖11 所示。

表4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Experimental data

圖11 數(shù)據(jù)采集設(shè)備樣機(jī)Fig.11 Prototype of data acquisition system

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)艦船周圍復(fù)雜的磁場(chǎng)環(huán)境，利用ARM 外接高精度的采樣芯片，設(shè)計(jì)了外部A/D 采樣相關(guān)的電路，同時(shí)通過(guò)雙環(huán)路以太網(wǎng)將經(jīng)過(guò)初步處理后的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。通過(guò)性能測(cè)試，得到誤差約為0.1%，實(shí)現(xiàn)了高精度的分布式雙環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路包括了AD7606 和傳感器之間的采樣接口電路以及與ARM 通信相關(guān)的外圍電路，通過(guò)雙環(huán)路以太網(wǎng)與集控中心進(jìn)行通信。本文所提系統(tǒng)具有精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易于編程等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)的裝置已經(jīng)按照國(guó)軍標(biāo)GJB/Z 17《軍用設(shè)備電磁兼容管理指南》測(cè)試安裝到了實(shí)際裝備中。