基于STM32+W5500 的双环网磁场数据采集技术

余万祥，李维波，徐聪，李巍，何凯彦

武汉理工大学自动化学院，湖北武汉430070

0 引 言

舰船水下磁场是指处于海水中的舰船对外呈现的磁场和电场的总称。按照频率一般可以划分为静磁场、静电场和交变电磁场磁场。与此同时，舰船的水下磁场主要来源于3 个方面：舰船船体阴极保护系统所产生的防腐电流、不同金属材料之间由于电化学效应产生的腐蚀电流以及舰船机电设备对外的电磁辐射［1］。

舰船航行时，舰船磁场会受到地球磁场的影响，同时在舰内机器运转、海水等因素影响下会产生剩余磁场，使其在附近数十米甚至上百米的距离都可以被探测到。为了提高舰船的整体磁性防护能力，以防御来自水中磁性武器（例如磁性感应水雷）的攻击和降低被磁探测仪器发现的概率，保障舰艇航行安全，一般新建和修理后的舰船以及使用了一定年限的舰船都要进行消磁处理。但是，在不同的海域中，针对不同的舰船类型，需测量的参数和使用的测量设备并不一样。同时，舰船本身在运行过程中，设备的磁场也会增加额外的磁场强度。近些年，国内外均对磁性器件的运用和磁性材料的磁场测量技术进行了大量的研究，并且取得了不少成果［2-4］。但是随着现代磁引信技术的发展和磁性感应水雷威胁的增大，消磁技术将面临更大的挑战，而如何精确捕获磁场信号，是舰船消磁的前提条件。

现代舰船磁场数据采集大体上分为两大类，即静态测磁和动态测磁。具体包括移动式测量架测磁、海底大面积布阵测磁、便携式测磁仪悬挂探头测磁、海底行车测磁、敞开式检测站测磁等［5］。在诸多方法中，虽然便携式测磁仪可以摆脱测量场地的限制，但精度不高。海底布阵和海底行车2 种方式测量的精度比较高，但存在建设成本高、维护困难等问题，且测量平面固定，不能获得舰船不同平面上的磁场分布情况。鉴此，本文将基于STM32+W5500 的双环网磁场采集技术，构建分布式数据采集系统，使系统仅需更改传感器的设置方式及通过软件调试，就可应用于各种测量环境，解决设备仪器笨重、易受外界干扰、稳定性不强、系统硬件升级不便等问题。

1 采集系统总体架构

在恶劣电磁环境下，由于电缆传输距离远，信号传输过程中会给原始信号引入一定噪声，同时会导致信号本身的自然衰减，从而使原始信号与传感器采集到的信号存在一定误差，最终降低数据精度。由于各模块间的连接不可靠，若情况严重，甚至会导致无法正常采集到信号。

为了满足现场测试需求，设计了如图1 所示的采集系统总体框架。该数据采集系统是数字信号处理的重要组成部分，也是对传感器前端信号进行处理不可或缺的一部分。

本系统将在复杂电磁环境下的2 000 多个测量点采集数据，考虑到磁场信号数量巨大，既要方便走线，又要有利于信号采集与传输，因此需要充分考虑空间布置的方法，合理配置好整套测试系统，这对于是否充分发挥好整套测试系统的性能至关重要。

分布式环网采集系统是通过交换机和光纤收发器组成的双环网，经双环网来连接现场数据采集模块（DSM）和数据集控中心（DSC）。本系统采用了双环路以太网冗余设计，当系统的一个环网出现问题时，另一个环网仍将继续工作，从而增强了系统的稳定性。系统现场采集数据后，通过10 /100 Mbit/s 光纤收发器（信号传输控制器）、光纤（信号传输介质）、交换机（信号集散器），将采集的信号发送到数据集控中心处理。

图1 基于ARM 控制器的磁场数据采集系统硬件架构Fig.1 Hardware architecture of magnetic field data acquisition system based on ARM controller

2 测量原理与软硬件设计

2.1 测量原理

测量磁场的主要方法有：磁力法、霍尔效应法、电磁感应法、磁通门法、磁共振法、磁膜测磁法、超导效应法和磁光效应法等。

霍尔效应法是实际应用中比较成熟的一种方法，该方法可以连续线性地读取数值，可用于测量小间隙磁场。此外，基于霍尔效应的传感器器件结构简单、体积小、重量轻、频带宽，可以使用多探头，实现自动化测量和数据处理。一般情况下，此方法中使用的传感器可测量的磁场强度为10-7～10 T 的恒磁场或高频磁场，其分辨率高，而舰船磁场强度一般不超过-6×10-5～6×10-5T［6］。

如图2 所示，一个由半导体材料制成的霍尔器件薄片（长为L，宽为b，厚度为d）放入垂直磁场中，沿3，4 侧面方向通过大小为I 的电流。由于洛伦兹力Fm的作用使电子运动轨迹发生偏转，造成电子在霍尔器件薄片的1 侧聚集了过量的负电荷，2 侧聚集了过量的正电荷。因此，在薄片内部产生了由2 侧指向1 侧的电场EH的作用，同时电子还受到与洛伦兹力反向的电场力FH，当两个电场力相等时，电子的累积和聚集便达到动态平衡。此时，在霍尔器件薄片1，2 侧之间将会产生稳定的电压UH。

图2 霍尔效应原理Fig.2 Principle of Hall effect

假设半导体中电流I是均匀且稳定的，则

式中：RH为霍尔系数；KH为灵敏度，KH=RH/d；B为磁场强度。根据RH和KH的定义可知，对于给定型号的霍尔器件，KH为唯一确定的常数，它只与霍尔器件的材料性质和几何尺寸有关。因此，在I 不变的情况下，UH与所要求的磁场强度B具有对应关系，即

考虑到舰船本身处于复杂的电磁环境下，为提高磁场数据的底层精度，将6 个性能参数相同的霍尔器件分别粘贴在舰船某个突出部位很小的6 个面上，互相平行的2 个面的霍尔器件以差动方式连接电路，共同完成某个方向的磁场测量；由于立方体相邻的3 个面彼此正交，故可以构成一个三维的磁敏传感器，用于测量立方体中心点磁场的3 个分量。由于霍尔器件的体积很小，这种三维磁敏传感器可以做成点式探头的形式。同时，霍尔器件以差动方式连接电路，可有效减小由于不等位输出电压和温度变化带来的影响［7］。

2.2 硬件架构

图3 所示为现场数据采集模块。在硬件方面，设计了以STM32F417 为处理器的CPU，以ADG1206 为通道选择控制芯片，以AD7606 为模数（A/D）转换芯片，设计了一个128 通道的高速高精度现场数据采集模块，同步采集高频、高精度的信号。在软件处理方面采用了中值滤波、惯性滤波和均方根算法来减小数据采集误差，同时配合VS 软件编写的上位机界面进行校正，用来保证整体数据采集的精度。

图3 现场数据采集模块的原理框图Fig.3 Block diagram of field data acquisition module

图3 所示的现场数据采集模块具有以下几个显著特点：

1）主控芯片为STM32F417，以Cortex－M4为内核，具有高性能、低功耗、实时性等特点，最高工作频率可达168 MHz，内置高速储存器、12 位A/D 转换器、SDIO 驱动模块、定时器等外设，并提供3 种低功耗模式，供用户合理优化；

2）信号采集模块用来采集传感器信号，并且需保证减少采集过程中的误差；

3）A/D 转换模块选用16 位精度的AD7606 芯片，与8 片ADG1206 芯片配合使用，可以达到1 块CPU 控制128 个通道的设计要求；

4）温、湿度模块，用于测量装置本身的温、湿度情况，以便监控装置自身的运行状态；

5）存储模块用来存储数据校正的A，B 值和现场7 天内的实时数据，时钟模块用来授时；

6）ARM 将带有时间戳的数据通过以太网上传至交换机。

2.2.1 信号调理与切换电路设计

磁场采集系统受设备工作环境、现场状况等诸多因素的影响，造成实时性和可靠性降低，对磁场采集系统的整体性能产生很大的影响。舰船本身的磁场强度是磁场数据采集的关键数据，在采集通道的设计中主要考虑的是精度和舰船不同部位的不同磁场强度。只有保证数据采集的精度足够高才能达到精准消磁的目的，因此需要设计一种能够在极端条件下正常工作的高精度舰船磁场采集系统，必须增强采集通道的抗干扰性，才能保证采集系统的精度、准确性和及时性，从而增强舰船防御磁性感应水雷攻击的能力。

信号调理电路对采集的磁信号进行初步处理，使有效信号得以最大程度地保留，同时使之满足模数转换要求。本文选用的传感器为恒流驱动的霍尔传感器，它线性度和精度高、受温度影响小。信号调理电路需要增加采样电阻，其信号调理环节包括了跟随、RC 低通滤波、多通道切换选择器以及双级隔离4 个部分的电路。在输入A/D转换器之前经过RC 低通滤波处理，可起到抗混叠的效果。信号调理与切换电路如图4 所示。

本文设计的系统选择ADG1206 芯片作为多通道数据切换的硬件，该芯片是一款单芯片iCMOS模拟多路复用器，内置有16 个单通道。ADG1206芯片可以根据4 位二进制地址线A0，A1，A2 和A3高、低电平的不同来确定地址，并且可以将16 路输入之一按照顺序切换至公共输出［8-9］。由于舰船电磁环境复杂，会对磁场采集系统的精度造成影响，所以隔离芯片选用的是AD202KY，该芯片是一款通用型、双端口、变压器耦合式隔离放大器，可应用于无电流连接的情况下测量、处理和/或传送输入信号。AD202KY 具有完整的隔离功能，可同时进行信号隔离与电源隔离。信号调理与切换电路采用了滤波、跟随、隔离、滤波、切换和隔离的双级隔离方法。第1 级隔离是为了避免不同通道在切换的过程中产生干扰。A/D 转换器将模拟信号转换成数字信号并传输到ARM 进行处理，是处理器能否准确处理与控制的前提。本系统在滤波切换之后信号进入A/D 转换芯片前加入第2 级隔离，并将模拟信号和数字信号完全隔离，以保证A/D 转换器不受复杂电磁环境的干扰。滤波提高了信号抗干扰性及信噪比以及分析精度。采用2 个二阶滤波器串联成一个四阶滤波器，高阶滤波器通过低阶滤波器串联而成，能够大幅度提高采样精度，使信号更加接近理想情况。

2.2.2 A/D 采样电路设计

图4 信号调理与切换电路Fig.4 Signal conditioning and switching circuit

STM32F4 系列自带的A/D 模块的采样精度只有12 位，为了达到高精度要求，本系统采用外接AD7606 芯片，这是一款完全集成的多通道数据采集芯片，使用5 V 单电源供电。该芯片可以实现16 位无失码性能，并且在高噪声电源条件下也能保持此性能。AD7606 芯片的外围电路如图5 所示。本文方案选择了高速串行接口模式，其测量范围为0～5 V。AD7606 通过V1～V8 分别为接收来自8 块ADG1206 的模拟量输入。与此相对应，通道V1～V4 的转换结果首先出现在数据输出端DOUTA 上，通道V5～V8 的转换结果首先出现在数据输出端DOUTB 上，由BUSY 端口发出转换完成信号，借助CS 和RD 接收数据、读取信号至ARM进行后续处理［10-11］。

本文系统中借助OS0～OS2 这3 个引脚充当过采样引脚，与ARM 连接，通过它们来控制采样倍率，表1 示出工作状态。在选择过采样模式时，A/D 转换之后增加了数字滤波功能。不同的过采样倍率和CONVST 采样频率将产生不同的数字滤波器频率曲线［6］。由于信号自身的频率为10 kHz，根据香农定理，若要确保信号能够完整地采样，其采样频率至少为信号频率的2 倍，即一个周期内至少需要2 个采样点，根据表1 所选择的开启4 倍过采样倍率，其采样信号的要求可以得到满足。

算数平均值滤波算法是一种简单的数据处理方法，主要用于抑制一般的随机干扰和周期性干扰［12］，其处理方式是在某一时刻对信号进行多次采集（设采集了N 个数值）进行算数平均运算。本系统在AD7606 已经开启过采样的情况下，对数据进行了算数平均值滤波处理。通过试验，本系统在4次采集后（即N≥4）可以获得稳定的输出结果。

2.3 软件架构

2.3.1 网络通信软件设计

由于充当CPU 的STM32F417 内部只有一个介质访问控制子层协议（MAC），所以无法支持2个网口同时通信。为了设备的通用性和可靠性要求，采用了外接2 块W5500 芯片W5500 作为以太网通信芯片（采用SPI 接口与ARM 通信）。而STM32F4 本身具有3 个SPI 通信接口，满足双通道以太网接口的冗余性要求，以及通过SPI 通信实现外接A/D 采样芯片功能。以太网通信冗余方式如图6所示。

图5 AD7606 芯片的外围电路接线图Fig.5 Wiring diagram of the circuit around AD7606 chip

表1 过采样工作状态Table 1 Oversampling working state

图6 以太网冗余切换Fig.6 Ethernet redundancy switching

以太网控制芯片W5500 可实现TCP/IP 协议栈、10/100 Mbit/s 以太网MAC 和PHY［11］。W5500内置有32 kB 的存储器用于通信数据的存储，通过简单的端口编程。该芯片设计硬件采用了2 个网络控制芯片W5500，通过2 个不同的网口连接不同的IP 地址，利用SPI 串口高速通信连接，采用全双工模式能够让交换机达到同时接受和发送数据的功能。

为了提高系统通信的可靠性，采用双以太网组成了环网系统的热冗余系统，在某一环网损坏的情况下仍然能继续工作，有效提升了系统的可靠性。

2.3.2 主流程

环网采集系统的主流程如图7 所示，现将其简述如下：

1）现场数据采集模块将现场数据进行初步采集处理后，通过交换机上传至环网；

2）ARM 进行数据初始化处理，然后读取当前时刻作为主循环的起点，此时读取当前时刻；

3）如果主循环未超过10 ms，则返回读取当前时刻；

4）如果主循环超过10 ms，则以当前时刻作为主循环起点，此时读取模拟量输入，随后通过以太网发送处理后的模拟量；

图7 环网采集系统的主流程图Fig.7 Main flow chart of the loop network acquisition system

5）然后返回读取当前时刻这一步。

2.3.3 通信流程

通信工作原理流程如图8 所示，该程序需要对芯片进行参数初始化配置，包括下面几个关键步骤：

1）对以太网芯片所需管脚端口进行初始化配置；

2）设置网口所需要发送缓存区和接受缓存区的大小；

3）设置网关IP 地址、本地子码掩码、本地MAC 地址、本地IP 地址和本地端口号［13］；

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

4）设置目的地IP 地址、目的地端口号。

5）初始化网口数据区及网口故障标志，只有在网络连接超时或故障时网口标志位会被设置为1，以此作为冗余切换的标志。

仅以一套磁场采集系统为例，通信协议为：

1）速率：10/100 Mbit/s 自适应。

2）现场控制器作为Modbus TCP Server 端，终端设备为Modbus TCP Client端；

3）上位机访问周期：100 ms；

4）保持寄存器的起始地址为40001；

5）使用Modbus 功能码：0x03。

表2 详细说明了此采集通信系统设备作为服务器端的情况。表3给出了以太网通信数据内容。

表2 服务器端信息Table 2 Information of server side

表3 以太网通信数据信息Table 3 Data information for ethernet communication

2.3.4 校正原理

由于需要高精度的磁场采集，设计了一个基于上位机界面的校正程序，通过软件来校正硬件精度低的问题，从而达到千分之一的精度。

采集通道的输出曲线表达式为

式 中：Xij为 第i 块（0＜i＜9）AI 板 卡 第j（0＜j＜17）个通道的参数值；aij和bij为每个通道对应属性值。

校正曲线表达式为

式中，A，B 分别为曲线的斜率和初始值。

定义表达式为：

式中：k1（i，j）（1），k2（i，j）（1）为定义的标准曲线下的计算值；k1（i，j）（2），k2（i，j）（2）为变参数精度补偿的计算值。补偿量依据多帧试验结果及对精度的要求确定。

3 工程应用与结果

本文系统主要测量舰船的各个不同部位的磁场。为方便论述，在船厂现场进行测试。当输入某个信号时，将信号直接接入16 个通道，然后通过上位机读取输入值，并与输入接口的输入值对比，分析出上位机读取值与实际值的差别，判断实际误差是否符合设计要求。图9 所示为上位机通信校正及显示界面。

为验证系统的准确性，对其进行性能测试，以确定能否达到设计要求。通过NF-5035 手持式频谱仪测量磁场，通过式（2）计算出电压信号，标准值采用六位半的台式万用表测量，测量值经ARM处理后通过双环网传至上位机用VS 编的界面值，由图10 可以看出该A/D 采样模块的精度相对于标准值的误差约为0.1%，而一般单片机自带的12位A/D 采样模块的误差超过2%，可见本文系统相对于一般的系统精度高很多，满足了要处理的磁场数据的设计要求。

以第1 块AI 板为例进行数据分析，其中0～15路电压在入口处测得为1.295 2 V，实测数据如图10 所示。

图10 第1 块AI板卡16 路数据Fig.10 Data of 16 channels of the first AI card

分析图10 的数据，得到表4 的实际数据。经过误差分析后，发现误差均小于1‰，满足了设计误差要求。最终设计的设备样机如图11 所示。

表4 实验数据Table 4 Experimental data

图11 数据采集设备样机Fig.11 Prototype of data acquisition system

4 结 语

本文针对舰船周围复杂的磁场环境，利用ARM 外接高精度的采样芯片，设计了外部A/D 采样相关的电路，同时通过双环路以太网将经过初步处理后的数据上传至上位机。通过性能测试，得到误差约为0.1%，实现了高精度的分布式双环网数据采集。本系统设计电路包括了AD7606 和传感器之间的采样接口电路以及与ARM 通信相关的外围电路，通过双环路以太网与集控中心进行通信。本文所提系统具有精度高、稳定性好、抗干扰能力强，结构简单和易于编程等优点，设计的装置已经按照国军标GJB/Z 17《军用设备电磁兼容管理指南》测试安装到了实际装备中。