全信息磁场测量系统设计

宗方勇1 , 吴志东2



全信息磁场测量系统设计

宗方勇, 吴志东

(1. 海军装备部重庆局, 重庆, 400042; 2. 海军工程大学兵器工程系, 湖北武汉, 430033)

设计了适于海洋试验条件下的以磁阻式传感器为核心的全信息磁场测量系统, 并给出了完善的设计方案和实现方法。使用MSP430F5438控制多路A/D同步采集磁阻式传感器的三分量和两轴倾角传感器的信号, 并将采集到的数据通过串口发送至SD卡存储模块, 给出了关键电路的实现方法和系统软件设计流程。经过试验验证, 系统单轴磁场精度在5 nT以内。长时间的湖试结果表明, 该系统已成功解决了水下环境下磁场测量系统设计中低功耗、高精度和大容量存储等关键技术, 可以应用于水下环境全信息磁场测量。

全信息磁场测量系统; 大容量存储; 低功耗; 倾角传感器

0 引言

磁性传感器通过感知磁性物质引起的地磁场畸变来探测铁磁性物质。磁性传感器以其隐蔽性的特点为侦测铁磁性目标提供了比其他如雷达等主动探测器更优的手段, 二战时磁性传感器首次被用于反潜作战。在设计磁性目标探测系统时需要大量的样本磁场数据, 实际环境下获取目标磁场数据是提高磁场目标探测系统识别能力的基础。

根据水下环境磁场测量系统的需求特点, 设计了基于磁阻式传感器的全信息磁场测量系统, 全信息主要包括磁场信号的三分量和传感器自身的姿态信息。成功实现了高电压置位重置电路、多通道高精度数据采集、倾角测量以及大量数据存储等设计, 设计了测量装置并成功进行湖试, 获取多组目标磁场数据。试验表明, 系统可用于水下环境全信息磁场测量, 并可推广应用到其他磁场测量场合。

1 测量系统设计的关键技术

全信息磁场测量系统主要完成对磁场传感器的置位/重置、磁场信号放大、滤波、信号采集、功耗控制、倾角测量和数据存储等功能。测量系统的硬件组成框图如图1所示, 测量系统由磁阻式传感器、置位重置电路、信号放大滤波电路、功耗控制电路、多通道数据采集电路、串口通信电路、SD卡存储模块、单片机系统和电源转换电路等组成; 置位重置电路用来消除磁传感器噪声和漂移; 升压电路实现7~18 V电压转换, 为置位重置电路提供正常工作电压; INA118和后续的滤波电路完成对磁信号的放大、滤波; 单片机三片AD7799实现三轴磁场信号的同步采集; 使用单片机片内集成的两通道AD芯片来获取倾角传感器的输出; SD卡模块用以存储前端采集到的数据。系统设计关键在于置位重置电路设计, 多通道同步数据采集电路设计, 低功耗设计和倾角测量电路设计等几方面。其中, 传感器的设计测量范围是±2 Gauss。

1.1 多通道高精度数据采集设计

为了保证同步获取三轴磁场信号, 并且权衡信号分辨率、功耗及采样频率等因素, 用3片低功耗24位AD芯片实现磁信号三分量的同步采集, 芯片选用ADI公司的24位器件AD7799。

AD7799具有低功耗、低噪声和完全模拟输入前端, 可应用在低频、微弱信号测量场合。AD7799的一些主要特性: 3个模拟输入通道、低噪声可编程增益放大器、电源电压2.7~5.25 V、工作时的电流仅为380 μA。单片机通过3个SPI接口以三线连接模式分别与3片AD7799连接; AD7799的控制和操作是通过一系列的片上寄存器来实现。单片机通过对片上寄存器的一系列指令完成AD7799的初始化, 图1给出了初始化的流程图。初始化完毕之后就可以控制AD7799进行数据采集。

高精度基准源是保证数据采集精度的一个重要因数, 选用的是ADR445作为外部基准源为3片AD7799提供5 V基准电压。ADR445主要工作特性是800 μA的供电电流, 0.1~10 Hz噪声为1.5 uVp-p, 温度漂移是3 ppm/℃, 线性度为 20 ppm/V, 性能满足高精度数据采集要求。

1.2 倾角测量电路设计

选用基于MEMS技术的两轴倾角传感器SCA100T-D2, 该芯片单5 V供电, 可以进行双向测量, 包括俯仰角和翻滚角, 内置温度传感器; 测量范围±90°, 理论倾角分辨率0.0025°, 支持模拟输出和基于SPI接口的数字输出, 设计选用模拟输出。

倾角的测量是通过测量芯片的重力加速度来推算倾角。即只有处于静止状态时, 没有其他加速度才能进行角度测量, 输出加速度信号与角度关系如式(1)、式(2)所示。其中:A和A是加速度传感器的输出信号; g是重力加速度; 而和分别是俯仰角和翻滚角。利用反正弦方程可以得到倾斜角度如式所示, 传感器模拟输出的电路如图2所示, VOUT_X和VOUT_Y是两轴的模拟输出到A/D器件。

(2)

图2 倾角传感器模拟输出电路图

Fig. 2 Output analog circuit of inclinometer sensors

1.3 系统低功耗及大容量存储设计

由于系统需要在电池供电情况下长期稳定工作, 对系统功耗提出了严格的要求。系统低功耗设计主要从软件和硬件两方面进行。硬件方面, 芯片的选型首先考虑单片机控制器的选择, 主要从功耗和满足系统性能要求方面进行选择。经过对比分析, 系统选取MSP430系列单片机中的MSP430F5438。该芯片支持6种低功耗工作模式, 2.2~3.6 V供电电压, 耗电电流仅为126 μA /MHz,并且该芯片集成了丰富的外设来满足系统各项功能的需要。系统选取的串口驱动芯片是MAX3223, 该芯片有低功耗工作模式、双串口支持, 满足功耗和性能的要求。软件方面, 结合系统中各个模块的多种工作模式, 系统软件上进行低功耗设计主要依据以下2个准则。

1) 对传感器模块实时间歇供电方式, 根据工作需要接通传感器模块的电源。由单片机RTC时钟定时唤醒单片机给传感器供电, 以降低系统功耗。

2) 对具有低功耗模式的芯片包括AD7799、MAX3223和单片机等, 均采用掉电工作模式, 在不需要数据采集时处于睡眠模式, 中断唤醒后进入全速运行模式。

出于海上试验的安全性和布放、打捞难度考虑, 测量体的打捞要在测量到所有通过目标在整个航次上的磁场数据后, 且保证所有目标通过完毕, 所以对存储容量有较高的要求。系统设计选用容量为大容量SD卡存储模块实现大量数据的存储。SD卡具有大容量、高性能、体积小和访问接口简单等特点。SD卡模块通过串口与单片机连接获取单片机发送过来的数据, 模块设计FAT32文件系统配合自动创建文件的方式来管理获取的数据。SD卡模块最大的数据存储速度是14 KByte/s, 最大支持32G SD卡, 功耗是30 mA。

2 软件设计

系统软件主要实现数据采集、置位重置操作、功耗控制和串口通信等功能。软件主要由数据采集程序、串口通信程序、功耗控制程序和数据存储程序等几部分组成。数据采集程序通过控制3片AD7799和片内两通道A/D完成模拟信号采集, 系统采样率初始设置为32 Hz; 串口程序完成系统的人机交互功能包括对系统工作模式选择、系统各项工作参数和系统时间的设定等, 其中系统的各项工作参数包括系统开始工作时间、门限值大小和采样率设定等; 数据存储程序一方面通过串口将数据上传到SD卡模块, 另一方面以指令形式控制SD卡模块的文件长度等。

软件通过值更唤醒的工作模式来提高系统的运行效率以降低功耗。使用间歇方式给传感器供电并传感器输出的信号。由RTC时钟控制定时时间长度并产生中断进入相应的处理程序, 系统的软件主流程图如图3所示。

3 噪声测试及湖试试验

在完成测量系统硬件设计的基础上, 下面对传感器硬件的噪声进行测试。噪声测试是将传感器置于磁屏蔽桶内(无磁空间)获取磁传感器的输出信号。,,轴输出的均值分别是437 51 nT, 533 52 nT和-737 35 nT, 这3个量值是传感器的偏置磁场。此处, 均值是指长时间平均值, 偏置磁场是指传感器在零磁环境下的输出, 是磁阻式传感器自身的特点。图4给出了将信号的直流分量补偿后传感器三分量信号的噪声情况, 由图4可知, 传感器三分量的噪声值均小于5 nT。

图4 磁传感器噪声信号三分量数值

为了在实际环境下检验测量系统的性能并获取试验数据, 设计了试验装置并进行了湖试, 试验装置使用密闭的无磁不锈钢制成的圆柱形罐体, 测量系统安装在罐体底部, 罐体外部有气密检查孔和吊放环, 通过绳缆将装置放置于GPS设定好位置的水底。当试验船只从试验装置水域经过时,由测量装置采集并记录其磁场信号及测量体自身的姿态信息。试验使用1艘旅游船, 其物理参数是长27.5 m, 宽5 m, 110 t。试验中船只以速度18 km/h通过测量体上方, 共行驶4条航迹, 每条航迹长2 000 m, 以测量体为中心前后各1 000 m, 每条航迹与测量点的正横距离分别是71 m和60 m, 系统连续工作12 h并准确的记录了所有测得的数据。图5分别给出了船只行驶2条航迹记录下的磁场通过数据, 从数据对比看, 随着距离的增加, 磁场强度以很快的速度衰减。

4 结束语

本文完成了全信息磁场测量系统设计, 并成功进行湖试获取了实测磁场数据, 解决了海试环境下磁场测量对高精度数据采集、低功耗运行及大容量存储等要求, 实现了高电压置位重置电路、多通道高精度数据采集、倾角测量以及大容量数据存储等功能, 该系统在硬件上没有对地球磁场进行补偿, 在后续数据处理时, 通过去均值的方法可以去除地球磁场。并且该系统还可以推广应用于长期无人职守且需要连续观测磁场信号变化的场合, 具有很好的实用价值。

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(责任编辑: 许 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, 工程师, 主要从事水雷监造工作.