基于RM3100磁传感器的舰船磁场信号采集系统设计

罗静博，林春生，陈 浩

(海军工程大学 兵器工程学院，湖北 武汉 430031)

0 引 言

磁场信号是当前目标探测的一项重要探测源。磁场的测量已经用于各个领域，如地球物理学、空间科学、生物医学、工业探测和军事技术等[1,2]。其中，在军事领域中，水中兵器的攻防需要探测目标作为前提，而磁信号较为未定，不易受水体的干扰[3]。所以磁场的测量就显得极为重要。舰船、车辆、水中兵器等中型体量的铁磁性物体的探测是其中一项重要的研究内容。本文在此背景下设计了一种以RM3100为磁感元件，并通过MSP430单片机控制的磁场信号采集系统。

1 系统组成与工作原理

1.1 系统框架

该磁场信号采集系统组成由图1给出，包括磁传感器模块、主控模块、通信模块和供电模块。其中，RM3100磁传感器和MSP430单片机都遵循了低功耗的要求[4,5]。

图1 磁场信号采集系统

RM3100是采用3个地磁传感器，通过MagI2C中集成的施密特采样器直接输出数字信号，每个轴的磁场数字信号通过其补码的形式由四个字节传到主控单片机，最后通过串口的形式输出至上位机。系统实物图如图2所示。

图2 采集系统实物图

1.2 RM3100磁传感器

RM3100磁传感器是由PNI公司研发的一种三轴磁传感器。该传感器由2只Sen-XY-f地磁传感器、1只Sen-Z-f地磁传感器和MagI2C控制芯片组成，可以实现三分量磁场的测量[6]。其性能指标参数见表1。

表1 RM3100产品性能

2 系统硬件设计

该测量系统由4个模块组成，分别为磁传感器模块、主控模块、通信模块和供电模块。

2.1 磁传感器模块

磁传感器模块采用PNI公司研发的RM3100磁传感器。RM3100可通过SPI通信与I2C通信两种方式与主控MCU进行通信，本文选取第一种通信方式。将3只地磁传感器与控制芯片集成到一个模块板上，并在两边列出2×4的SPI通信所需引脚，将整个模块做成贴片的形式。其产品性能如表1，实物如图3。

图3 RM3100实物

其内部的电路参考示意图如图4。

图4 RM3100 参考示意(SPI通信)

2.2 主控模块

采用MSP430F5438A单片机作为系统的主控模块。该型单片机是由TI公司生产的一种16位、具有精简指令集、超低功耗的混合信号处理器[7]。具有丰富的片上外设，如：256 kB的Flash,16kBSRAM,87个IO口，3个定时器等，并且具有强大的处理能，该芯片专为满足低功耗需求而精心设计[8,9]。

利用该单片机的UCB0接口作为与磁传感器通信的SPI接口，UCA1作为与无线模块通信的接口，UCA2作为与MicroUSB模块通信的接口，并采用JTAG方式作为调试接口。

2.3 通信模块

为方便系统转动并保证数据安全上传至上位机，本系统设计了两种通信方式：基于SX1278无线模块的无线通信和MicroUSB形式的有线串口通信。

无线通信采用SX1278串口模型与上位机通信，在PCB上预留出7位的接口与模块相接，其中，端口7和端口6作为通信模式选择端口，可通过这两个端口选择四种通信模式；端口5和端口4作为串口通信的收发端；端口3作为片选信号;端口2和端口1则为电源端口和地端口。

有线串口通信采用PL2303HX作为USB转TTL的形式，预留一个MicroUSB的接口作为通信接口，其电路原理图如图5。

图5 有线模块接口原理

2.4 供电模块

电源分配模块为整个系统提供电源。本系统电压由线性稳压器AMS1117—3.3提供。AMS1117会在过载和过热时做切断保护，以防止环境温度造成过高的结温，损坏芯片[10]。供电模块原理图如图6。

图6 供电模块原理

3 系统软件设计

主控MSP430采集RM3100的三轴磁场数字信号，将其通过任一通信模块上传至上位机输出显示。故，软件设计上主要在3个方面进行：初始化、采集RM3100数据和串口输出。其软件流程图如图7。

图7 系统软件设计流程框图

首先初始化时钟和GPIO，确定时钟工作状态与各端口的状态，这是单片机工作的基础。然后初始化所使用的串口(这里采用串口1)以及SPI通信接口，这样保证了单片机与上位机通信以及RM3100和单片机通信的畅通。最后初始化RM3100模块，根据其数据手册做相应的参数设定，以达到测量所需的标准。

初始化完成后，进入死循环。循环为：开启SPI从机发送允许，开始不停地接收来自RM3100的三轴磁场数据(一个轴的磁场数据由24位数据表示)。每当接收完一帧数据(3×24位)后，即时将数据通过串口发送至上位机。

4 测量试验

图8为实验室舰船50︰1缩比模型，利用该模型沿着系统x轴做匀速直线运动，速度为1 m/s时的磁场曲线见图9。系统放置与水面平齐，与船模之间的最短的横向距离为1 m。

图8 船模试验

图9 船模通过测量试验结果

从测量结果可知，总模值的峰峰值为103 nT，x，y，z轴的数据中，信噪比分别为12.6，12.1,8.9 dB，数据明显可以根据常规的OBF算法提取舰船磁场[11]。故该系统可以满足测量船模等磁场测量的要求，符合本系统指标要求。

5 结束语

设计了以RM3100为磁传感器，以MSP430F5438A为MCU的磁场信号采集系统，测试试验得到了车辆磁场数据，验证了该系统的精度、分辨率及稳定性都符合所需的测量要求。并且测量系统为5 cm×7 cm，小尺寸适用于搭载在各种设备上，有广泛的适用性。