基于单片机的磁强信号检测系统设计

赵圣飞，李永红，王恩怀，孙笠森

(中北大学信息与通信工程学院，山西太原　030051)

0　引言

在地球物理学、空间科学、生物医学、军事技术、工业探伤等领域，对磁场的检测具有十分重要的地位。随着电子技术、计算机自动化技术和机械制造与工艺技术的发展，检测方法已经走向小型化、电子化、数字化和自动化[1]，向宽量程和高精度发展，特别是对弱磁场的测量。

文中以某磁场强度测试需求设计方案为背景，介绍了一种基于AD7734和C8051F410单片机的磁强信号检测系统的设计，与其他磁强检测系统相比，该系统实现的综合测量精度优于0.15%，诸多性能参数达到了较高的测试要求，并且对系统进行了数字化改进，使其在实际应用中更加方便、灵活，也为其它更高精度磁强检测方案提供了一定的设计参考价值。

1　系统组成及工作原理

该磁场信号检测系统主要由磁强检测、信号调理、模数转换、单片机采样处理电路、串口转换电路和电源分配等模块组成。系统的原理框图如图1所示。

图1　系统组成原理框图

磁强检测部分通过调理部分提供的恒压激励检测磁场强度并转换为微弱电压变化；信号调理单元将输出的微弱模拟信号经滤波、温度补偿、调零放大等处理后，产生满足AD转换器采样的信号；单片机通过模数控制接口对所测量的磁场信号进行采集、数据处理；数据传输接口与主控单元进行通信，并将数字量输出至RS422接口。

2　系统硬件设计

系统包括HMC1022、HMC1021Z磁阻传感器、传感器置/复位电路、AD7734模数转换器、C8051F410单片机、电源、RS422驱动SN65HVD51等。

2．1电源及抗干扰部分

系统采用5 V电池供电，内部无需进行电源轨变换，在供电入口处布置良好的退耦网络，确保各单元间电源耦合最小；为降低工作状态下数字器件对模拟器件供电的影响，采取了数字与模拟电路分开供电机制[2]；印制电路板制布线时，电源线与地线加粗；在C8051F410单片机模拟输入端口添加2个肖特基二极管，防止外界窜入的大电压损坏单片机。

2．2HMC102X磁阻传感器

HMC102X系列磁阻传感器内部配置有4臂惠斯通电桥，将磁场信号转换为差分输出，量程为±6×10-4T，能够感测的最小磁强为3×10-9T，它具有高可靠性、高灵敏度、低功耗等特点，适合于小磁场测量；同时，通过复位/置位脉冲电路的设计，能够消除因温度漂移和电路参数漂移等共模信号造成的影响[3]。其中，HMC1022为2轴磁阻传感器，分别测量x、y两个方向上的磁场强度，HMC1021Z为单轴传感器，用于z轴方向上磁场的测量。

2．3传感器置/复位电路

当系统磁阻传感器受到强磁场干扰时(大于2×10-4T)，薄膜磁化极性会受到破坏，传感器特性也会改变。针对这一破坏性的磁场，需对敏感元件施加一个瞬态的强恢复磁场来恢复或保持传感器特性，实现方法是施加一个置位或复位脉冲。桥输出信号的极性取决于薄膜内部的磁化的方向，并对称于零磁场的输出。

系统由单片机发出100 Hz的时钟，经电压比较器931后，脉冲幅度变为-10 V．IRF7105是集成1个N沟道和1个P沟道MOS管的集成芯片，通过外接的2个电容和时钟脉冲的控制产生置/复位脉冲。考虑到系统测量条件的特殊性，对功耗的要求比较严格，综合多种置/复位电路的性能特点，采用图2所示的置/复位电路：

图2　传感器置/复位电路

2．4C8051F410微处理器

C8051F410单片机是一款混合信号片上系统型单片机芯片，内部集成16位或24位的模数转换器，可以任意设定在某个或某几个端口上，非常适用于多路模拟数据采集系统[4]。该系统设计中使用了AIN0、AINl和AIN2 3个通道，分别用于x、y、z3个方向上磁场强度模拟量的输入。

2．5AD7734模数转换器

AD7734是一款具有高精度、高吞吐量模拟前端，可实现真16位峰—峰值分辨率，及500 μs总转换时间(2 kHz通道切换)的模数转换器，适合于高分辨率多路复用应用场合。AD7734具有最高24位无失码性能，其前端具有4个单端输入通道，采用5 V单模拟电源供电时，可接受最高±10 V的单极性或真双极性输入范围。

2．6信号调理电路

磁阻传感器信号检测部分输出的信号幅值小、满量程内信号的温度变化较大，不适合模数转换器直接采样。该调理电路完成放大、温度补偿、滤波等功能，其采用数字式调理技术[5]，内置温度传感器，每1 ms更新该温度值，并以此值为索引，设定磁强检测单元的桥压供给与零点补偿，实现在-20～50 ℃范围内零点与灵敏度保持恒定的目标。经过该模块后，输出信号电平将处于0.5～4.5 V区间内。

2．7SPI串口及RS422通信模块

C8051F410单片机对AD7734的控制通过标准SPI接口进行，设计采用3线制的主从方式，单片机为主、AD7734为从，SPICLK由单片机提供SPI时钟，SPIMOSI为单片机命令输出控制端，SPIMISO为单片机接收AD7734寄存器相关信息端，图3是AD7734与C8051F410的SPI串行通信接口原理图。

图3　AD7734与C8051F410接口示意图

与上位PC进行通信，在总线状态空闲及控制端允许传输的条件下，系统数字化与控制逻辑将处理后的数据通过异步串行通信接口(UART)传输至RS422总线，UART使用的是CMOS电平，需要进行电平转换才能实现RS422通信。系统使用SN65HVD51电平转换芯片，进行CMOS电平与RS422电平之间的电平转换。RS422工作于波特率为9 600 b/s，数据格式为1个起始位、8个数据位、1个停止位、偶校验。

3　系统软件设计

3．1软件设计组成

系统软件主要由系统初始化、采样数据处理、A/D转换子程序、数据处理子程序、脉冲信号产生子程序、通信子程序等组成。系统工作流程图如图4所示。

图4　软件设计流程图

其中，系统初始化包括对C8051F410微控制器各端口、寄存器、系统时钟的初始化和AD7734芯片的初始化及各程序变量的初始化。

系统的软件部分设计主要是对通过C8051F410单片机对AD7734进行采样控制、数据处理及与上位机进行数据的通信和传输等内容进行编程。在Keil4环境下，利用C51进行编程，主要是通过SPI接口实现对AD的配置和相关操作，采用C程序语言开发效率高。

3．2AD7734编程设计

对AD7734的控制，主要通过对其内部的一系列寄存器进行配置，这些寄存器有些配置和控制了AD7734的通用功能，有的是对专门的通道进行设置。寄存器的位数从8位到24位不等，而对所有寄存器的通信之前，都必须首先对通信寄存器进行写操作，在通信寄存器中可以对某个寄存器进行读或写进行配置，编程十分方便[6]。

对AD7734的配置按照复位设置、转换时间设置、转换通道和输入电压范围设置、工作模式、读通道状态和数据的设置进行操作。根据系统设计的相关指标，配置的参数如下：选择通道CH0、CH1、CH2，使能电压输入范围为0～5 V，工作模式为连续工作模式。AD7734的详细编程流程如图5所示。

图5　AD7734配置流程图

3．3置/复位电路的软件设计

在系统的硬件设计部分提到了置/复位电路的设计，以解决外部强磁场对磁阻传感器的影响，进而提高系统的综合性能。在软件部分，主要通过对C8051F410单片机进行编程，在系统开始采样前，通过产生100 Hz频率的时钟信号，控制脉冲发生电路给磁阻传感器以2 μs的4～6 A的脉冲信号，实现对传感器的复位与置位。

该系统采用的置/复位电路的处理流程图如图6所示，为了降低系统功耗，置/复位脉冲不用连续产生，先产生置位脉冲，然后是复位脉冲，偏置的计算公式为：

Voffset=(Vset+Vreset)/2

(1)

这一偏置电压包含了传感器电桥和外部电路的直流偏置和温度漂移，将该值保存起来，在计算传感器的输出电压时，将所有的电桥电压输出减去该值即可，系统设置周期为每次采样之前更新一次该偏置电压值[7]。

图6　置/复位电路计算流程图

4　测试结果分析

该系统的测试实验通过较高精度的数字磁强发生设备进行，在具体测试时，将该磁强检测系统放置于该设备产生的磁场环境中，具体的磁场强度值可以在仪器的数据显示区获取。具体的测试方法为：在3个灵敏度轴方向分别进行相关实验：在-0.1～0.1 T 的变化范围内，每次按照10-2T的变化量，记录模拟输出部分的电压输出量。

根据这些数据，通过Matlab对输出的曲线进行拟合，并计算出灵敏度、迟滞等相关的指标，表1是计算后系统的各项指标，基本满足了设计的要求，发挥了相应的测量作用。

表1　实验计算出的系统各相关指标对照表　%

5　系统的封装与应用

该系统包括模拟电路和数字处理两大部分，在具体的硬件电路设计部分，为避免两者之间的的相互干扰，采用了模拟和数字分开放置的方法。在两部分分别调试完成后，通过电路板边缘的过孔，用铜柱将两部分架接起来，中间部分由塑料垫片加以支撑绝缘，然后对系统进行综合联测，以确定其实现的各项测量指标能否达到要求。

该系统的外观为φ45×40的圆柱形金属壳体，质量小于1 kg，在完成灌封后，能够承受的过载大小为100 g．系统具有体积小、功耗低、灵敏度高等特点，在实际的安装使用中，仅包含了所需的电源接口、模拟信号接入端以及数字通信端口，使得接线和获取数据都十分方便。

6　结束语

基于AD7734和C8051F410单片机的磁强信号检测系统充分发挥了AD7734作为高精度、高吞吐量、多通道模拟前端的优势，同时利用C8051F系列单片机的强大功能，使得该检测系统具有稳定性良好、电路体积小，能够以较高精度、实时对磁强信号进行获取等特点。目前其已应用于某磁强信号的测量中，并发挥了良好的性能。参考文献：

[1]杨剑，刘光斌，姚志诚．模数转换芯片AD7734与DSP芯片的接口．兵工自动化，2005(2)：71-72．

[2]王海渊，张丽丽，韩玉仲，等．高精度AD7734在8通道数据采集系统中的应用．电子测量技术，2010(9)：18-21．

[3]裴轶，虞南方，刘奇，等．各向异性磁阻传感器的原理及其应用．仪表技术与传感器，2004(8)：26-27．

[4]Silicon Laboratories Inc．C8051F410 Data Sheet，2009．

[5]曹少华，张培仁，王津津，等．基于C8051F单片机的CAN总线硬件系统设计．测控技术，2007(9)：38-41．

[6]Analog Device Inc．AD7734 Data Sheet，2009．

[7]Honeywell Inc．HMC1022 Data Sheet，2007．