构建一种PNI磁传感器的舰船磁场信号检测系统

于勇吉，林春生

(海军工程大学 兵器工程学院，湖北 武汉 430031)

0 引言

现代舰船主要由钢铁材料制成，而当铁磁性物体长时间放置于地球磁场中会产生磁化效应，即铁磁体的周围空间会产生一个附加的磁场。由此舰船在海洋环境中引起的磁场称为舰船磁场[1]。当前，海洋中船舶磁性探测主要是利用船舶的静磁场(也称为磁异常)，即地磁场对铁磁性船舶的磁化所改变的船舶原周围空间的磁场分布[2]。各海洋军事强国已经发展了多种成熟的磁异常探测装备，如机载式、浮标式和海底固定式等[3]。本文在此背景下，设计了一种以PNI公司的RM3100磁传感器作为探测元件，并通过单片机控制的舰船磁场测量系统。

1 PNI磁传感器

磁传感器为PNI公司生产的RM3100型三轴磁感应式磁强计。PNI磁感传感器具有低功耗、抗噪性能好、高分辨率(最小分辨率可以达到13 Nt)、温漂小和尺寸小等优点，并且配备有集成度较高的专用驱动模块 3D Mag IC。驱动模块内部集成施密特采样器，能够对3个轴的磁场依次测量并直接输出16位数字磁场信号，在结构上避免了信号放大调理与A/D转换电路。

RM3100磁传感器具有灵活可选择的工作模式，不同工作模式下具有不同的性能指标。在RM3100磁传感器开始测量前需要通过与微处理器通信，进行测量模式选择。RM3100由3个感应线圈组成，其中2 个SEN-XY-f线圈采用正交布局，都是水平焊接，分别负责测量地磁场的X轴和Y轴分量；SEN-Z-f线圈竖直焊接，负责测量地磁轴Z轴分量。如图1所示，为3个磁传感器的布局视图。

2 系统组成及工作原理

舰船磁场测量系统主要由磁传感器、单片机控制模块、串口通讯模块和电源模块组成。系统组成原理框图如图2所示。

图2中，RM3100磁传感器输出磁场的数字信号通过单片机控制，将采集结果经串口通讯模块传给上位机接收显示。

3 系统硬件设计

系统的硬件设计包括4个部分：磁传感器模块电路、单片机控制模块电路、串口通讯模块电路和电源模块电路。

1) 磁传感器模块电路设计。

磁传感器模块的主要功能是进行舰船磁场的测量，并把三轴传感器采集到的模拟磁场信号转化为数字信号输出。

RM3100磁传感器由分立感应线圈与驱动测量芯片3D MagIC组成。电路中通过3个PNI磁感传感器(SEN-X，SEN-Y，SEN-Z)实现三维磁场的测量。在与微控制单元通信时，本系统采用标准测量模式，能够对3个轴的磁场依次测量，响应时间较短，达到 15～30 ms。驱动测量芯片支持SPI和I2C两种通讯模式，不同通讯模式对应不同的通讯电路。本文选择SPI通讯方式，如图3所示，为选择SPI通讯模式下的磁传感器模块电路。

2)单片机控制模块电路设计。

单片机控制模块为磁场测量系统的控制核心。本系统采用STC15系列单片机作为中央控制单元，其主要功能为处理磁传感器传输来的信号数据，并通过串口232与上位机进行通信。

单片机作为控制单元，通过MOSI和MISO 2个接口与磁传感器的驱动测量芯片3D MagIC进行数据通信。MOSI接口数据由主设备(单片机)传入驱动芯片，MISO则是将数据从驱动芯片传出单片机中，由此形成控制的交互方式。SCLK接口为传输SPI同步串行接口的时钟信号，与驱动芯片时钟相连进行时序的控制。

在单片机中，将串口设置在RxD和TxD 2个接口处，以此与RS232进行串口通信[4]。将处理后的磁信号数据经RS232传递给上位机。图4为单片机控制模块的原理电路。

单片机控制模块中设置复位电路用于单片机的重置使用，使运行的程序恢复初始状态[5]。

3)串口通讯模块电路设计。

串口通讯模块采用RS232接口设计。该模块电路采用Max3223芯片以实现单片机控制单元和RS232接口直接的电平转化。

连接时Max3223芯片的ROUT1端和TIN1端分别和单片机的RxD端和TxD端相接，实现数据交互。芯片的TOUT1端和RIN1、RS232接口相连接。

4)电源分配模块电路设计。

电源分配模块为磁传感器模块，单片机控制模块和串口通讯模块提供电源。本系统采用+3.3 V的工作电压，由线性稳压器AMS1117-3.3提供。AMS1117片内过热切断电路，提供了过载和过热保护，以防止环境温度造成过高的结温，损坏芯片[6]。为了确保AMS1117的稳定性，输入输出都需要连接滤波电容。

4 水池测量试验

用本检测系统分别对环境磁场和船模进行测量。实验条件包括无磁性实验水池、滑轨、船模和磁场测量系统。首先通过环境磁场的测量测试系统的性能指标，再进行船模试验验证信号检测系统的实用价值。

4.1 环境磁场测量

将检测系统静止放置，测量出环境磁场在时域的数据。这里以X轴为例，环境磁场如图5所示。

对环境磁场进行滤波处理，得到如图6所示的磁场信号波形。

从图6可知本信号检测系统可以达到10～20 nT范围的检测精度。为进一步验证系统的实用性，进行了船模通过试验。

4.2 船模实验

用船模进行了水池试验测量舰船磁场信号。试验中将船模沿着传感器X轴方向移动，传感器放置于距船模1.5 m处。船模如图7所示。

测量时将船模缓慢移动通过PNI传感器，记录的X轴磁场数据如图8所示。通过滤波处理得到平滑的磁场信号时域图，如图9所示。

从图8、图9可知在初始状态时由于系统不稳定产生较大噪声干扰，3 s之后得到船模通过磁场数据特征。考虑到实验环境的磁场干扰，为了更清楚反映出船模磁场的特征，对信号数据进行了频域分析。对信号频谱进行滤波处理得到船模的频谱特征图，如图10所示。

从图10中可以看出频谱的基频成分主要分布在1 Hz以下，而其他频段频谱特征不明显。根据舰船磁场信号属于极低频信号，频率范围在0～1.00 Hz[7-8]，可知系统检测到船模磁场信号。

5 结束语

通过水池试验验证了该检测系统能够测得舰船磁场信号，但是由于环境干扰，舰船磁场特征不明显，需要继续滤除环境磁场等影响因素进行频域分析。该检测系统尺寸小、便携性强，既可以应用于固定式磁场测量上，还能设计为水中兵器的引信源，可扩展性较强，具有丰富的应用场景意义。