趙圣飛，李永紅，王恩懷，孫笠森

(中北大學信息與通信工程學院，山西太原　030051)

0　引言

在地球物理學、空間科學、生物醫(yī)學、軍事技術(shù)、工業(yè)探傷等領域，對磁場的檢測具有十分重要的地位。隨著電子技術(shù)、計算機自動化技術(shù)和機械制造與工藝技術(shù)的發(fā)展，檢測方法已經(jīng)走向小型化、電子化、數(shù)字化和自動化[1]，向?qū)捔砍毯透呔劝l(fā)展，特別是對弱磁場的測量。

文中以某磁場強度測試需求設計方案為背景，介紹了一種基于AD7734和C8051F410單片機的磁強信號檢測系統(tǒng)的設計，與其他磁強檢測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)實現(xiàn)的綜合測量精度優(yōu)于0.15%，諸多性能參數(shù)達到了較高的測試要求，并且對系統(tǒng)進行了數(shù)字化改進，使其在實際應用中更加方便、靈活，也為其它更高精度磁強檢測方案提供了一定的設計參考價值。

1　系統(tǒng)組成及工作原理

該磁場信號檢測系統(tǒng)主要由磁強檢測、信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、單片機采樣處理電路、串口轉(zhuǎn)換電路和電源分配等模塊組成。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)組成原理框圖

磁強檢測部分通過調(diào)理部分提供的恒壓激勵檢測磁場強度并轉(zhuǎn)換為微弱電壓變化；信號調(diào)理單元將輸出的微弱模擬信號經(jīng)濾波、溫度補償、調(diào)零放大等處理后，產(chǎn)生滿足AD轉(zhuǎn)換器采樣的信號；單片機通過模數(shù)控制接口對所測量的磁場信號進行采集、數(shù)據(jù)處理；數(shù)據(jù)傳輸接口與主控單元進行通信，并將數(shù)字量輸出至RS422接口。

2　系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)包括HMC1022、HMC1021Z磁阻傳感器、傳感器置/復位電路、AD7734模數(shù)轉(zhuǎn)換器、C8051F410單片機、電源、RS422驅(qū)動SN65HVD51等。

2．1電源及抗干擾部分

系統(tǒng)采用5 V電池供電，內(nèi)部無需進行電源軌變換，在供電入口處布置良好的退耦網(wǎng)絡，確保各單元間電源耦合最?。粸榻档凸ぷ鳡顟B(tài)下數(shù)字器件對模擬器件供電的影響，采取了數(shù)字與模擬電路分開供電機制[2]；印制電路板制布線時，電源線與地線加粗；在C8051F410單片機模擬輸入端口添加2個肖特基二極管，防止外界竄入的大電壓損壞單片機。

2．2HMC102X磁阻傳感器

HMC102X系列磁阻傳感器內(nèi)部配置有4臂惠斯通電橋，將磁場信號轉(zhuǎn)換為差分輸出，量程為±6×10-4T，能夠感測的最小磁強為3×10-9T，它具有高可靠性、高靈敏度、低功耗等特點，適合于小磁場測量；同時，通過復位/置位脈沖電路的設計，能夠消除因溫度漂移和電路參數(shù)漂移等共模信號造成的影響[3]。其中，HMC1022為2軸磁阻傳感器，分別測量x、y兩個方向上的磁場強度，HMC1021Z為單軸傳感器，用于z軸方向上磁場的測量。

2．3傳感器置/復位電路

當系統(tǒng)磁阻傳感器受到強磁場干擾時(大于2×10-4T)，薄膜磁化極性會受到破壞，傳感器特性也會改變。針對這一破壞性的磁場，需對敏感元件施加一個瞬態(tài)的強恢復磁場來恢復或保持傳感器特性，實現(xiàn)方法是施加一個置位或復位脈沖。橋輸出信號的極性取決于薄膜內(nèi)部的磁化的方向，并對稱于零磁場的輸出。

系統(tǒng)由單片機發(fā)出100 Hz的時鐘，經(jīng)電壓比較器931后，脈沖幅度變?yōu)?10 V．IRF7105是集成1個N溝道和1個P溝道MOS管的集成芯片，通過外接的2個電容和時鐘脈沖的控制產(chǎn)生置/復位脈沖?？紤]到系統(tǒng)測量條件的特殊性，對功耗的要求比較嚴格，綜合多種置/復位電路的性能特點，采用圖2所示的置/復位電路：

圖2　傳感器置/復位電路

2．4C8051F410微處理器

C8051F410單片機是一款混合信號片上系統(tǒng)型單片機芯片，內(nèi)部集成16位或24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以任意設定在某個或某幾個端口上，非常適用于多路模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[4]。該系統(tǒng)設計中使用了AIN0、AINl和AIN2 3個通道，分別用于x、y、z3個方向上磁場強度模擬量的輸入。

2．5AD7734模數(shù)轉(zhuǎn)換器

AD7734是一款具有高精度、高吞吐量模擬前端，可實現(xiàn)真16位峰—峰值分辨率，及500 μs總轉(zhuǎn)換時間(2 kHz通道切換)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，適合于高分辨率多路復用應用場合。AD7734具有最高24位無失碼性能，其前端具有4個單端輸入通道，采用5 V單模擬電源供電時，可接受最高±10 V的單極性或真雙極性輸入范圍。

2．6信號調(diào)理電路

磁阻傳感器信號檢測部分輸出的信號幅值小、滿量程內(nèi)信號的溫度變化較大，不適合模數(shù)轉(zhuǎn)換器直接采樣。該調(diào)理電路完成放大、溫度補償、濾波等功能，其采用數(shù)字式調(diào)理技術(shù)[5]，內(nèi)置溫度傳感器，每1 ms更新該溫度值，并以此值為索引，設定磁強檢測單元的橋壓供給與零點補償，實現(xiàn)在-20～50 ℃范圍內(nèi)零點與靈敏度保持恒定的目標。經(jīng)過該模塊后，輸出信號電平將處于0.5～4.5 V區(qū)間內(nèi)。

2．7SPI串口及RS422通信模塊

C8051F410單片機對AD7734的控制通過標準SPI接口進行，設計采用3線制的主從方式，單片機為主、AD7734為從，SPICLK由單片機提供SPI時鐘，SPIMOSI為單片機命令輸出控制端，SPIMISO為單片機接收AD7734寄存器相關信息端，圖3是AD7734與C8051F410的SPI串行通信接口原理圖。

圖3　AD7734與C8051F410接口示意圖

與上位PC進行通信，在總線狀態(tài)空閑及控制端允許傳輸?shù)臈l件下，系統(tǒng)數(shù)字化與控制邏輯將處理后的數(shù)據(jù)通過異步串行通信接口(UART)傳輸至RS422總線，UART使用的是CMOS電平，需要進行電平轉(zhuǎn)換才能實現(xiàn)RS422通信。系統(tǒng)使用SN65HVD51電平轉(zhuǎn)換芯片，進行CMOS電平與RS422電平之間的電平轉(zhuǎn)換。RS422工作于波特率為9 600 b/s，數(shù)據(jù)格式為1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個停止位、偶校驗。

3　系統(tǒng)軟件設計

3．1軟件設計組成

系統(tǒng)軟件主要由系統(tǒng)初始化、采樣數(shù)據(jù)處理、A/D轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、脈沖信號產(chǎn)生子程序、通信子程序等組成。系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示。

圖4　軟件設計流程圖

其中，系統(tǒng)初始化包括對C8051F410微控制器各端口、寄存器、系統(tǒng)時鐘的初始化和AD7734芯片的初始化及各程序變量的初始化。

系統(tǒng)的軟件部分設計主要是對通過C8051F410單片機對AD7734進行采樣控制、數(shù)據(jù)處理及與上位機進行數(shù)據(jù)的通信和傳輸?shù)葍?nèi)容進行編程。在Keil4環(huán)境下，利用C51進行編程，主要是通過SPI接口實現(xiàn)對AD的配置和相關操作，采用C程序語言開發(fā)效率高。

3．2AD7734編程設計

對AD7734的控制，主要通過對其內(nèi)部的一系列寄存器進行配置，這些寄存器有些配置和控制了AD7734的通用功能，有的是對專門的通道進行設置。寄存器的位數(shù)從8位到24位不等，而對所有寄存器的通信之前，都必須首先對通信寄存器進行寫操作，在通信寄存器中可以對某個寄存器進行讀或?qū)戇M行配置，編程十分方便[6]。

對AD7734的配置按照復位設置、轉(zhuǎn)換時間設置、轉(zhuǎn)換通道和輸入電壓范圍設置、工作模式、讀通道狀態(tài)和數(shù)據(jù)的設置進行操作。根據(jù)系統(tǒng)設計的相關指標，配置的參數(shù)如下：選擇通道CH0、CH1、CH2，使能電壓輸入范圍為0～5 V，工作模式為連續(xù)工作模式。AD7734的詳細編程流程如圖5所示。

圖5　AD7734配置流程圖

3．3置/復位電路的軟件設計

在系統(tǒng)的硬件設計部分提到了置/復位電路的設計，以解決外部強磁場對磁阻傳感器的影響，進而提高系統(tǒng)的綜合性能。在軟件部分，主要通過對C8051F410單片機進行編程，在系統(tǒng)開始采樣前，通過產(chǎn)生100 Hz頻率的時鐘信號，控制脈沖發(fā)生電路給磁阻傳感器以2 μs的4～6 A的脈沖信號，實現(xiàn)對傳感器的復位與置位。

該系統(tǒng)采用的置/復位電路的處理流程圖如圖6所示，為了降低系統(tǒng)功耗，置/復位脈沖不用連續(xù)產(chǎn)生，先產(chǎn)生置位脈沖，然后是復位脈沖，偏置的計算公式為：

Voffset=(Vset+Vreset)/2

(1)

這一偏置電壓包含了傳感器電橋和外部電路的直流偏置和溫度漂移，將該值保存起來，在計算傳感器的輸出電壓時，將所有的電橋電壓輸出減去該值即可，系統(tǒng)設置周期為每次采樣之前更新一次該偏置電壓值[7]。

圖6　置/復位電路計算流程圖

4　測試結(jié)果分析

該系統(tǒng)的測試實驗通過較高精度的數(shù)字磁強發(fā)生設備進行，在具體測試時，將該磁強檢測系統(tǒng)放置于該設備產(chǎn)生的磁場環(huán)境中，具體的磁場強度值可以在儀器的數(shù)據(jù)顯示區(qū)獲取。具體的測試方法為：在3個靈敏度軸方向分別進行相關實驗：在-0.1～0.1 T 的變化范圍內(nèi)，每次按照10-2T的變化量，記錄模擬輸出部分的電壓輸出量。

根據(jù)這些數(shù)據(jù)，通過Matlab對輸出的曲線進行擬合，并計算出靈敏度、遲滯等相關的指標，表1是計算后系統(tǒng)的各項指標，基本滿足了設計的要求，發(fā)揮了相應的測量作用。

表1　實驗計算出的系統(tǒng)各相關指標對照表　%

5　系統(tǒng)的封裝與應用

該系統(tǒng)包括模擬電路和數(shù)字處理兩大部分，在具體的硬件電路設計部分，為避免兩者之間的的相互干擾，采用了模擬和數(shù)字分開放置的方法。在兩部分分別調(diào)試完成后，通過電路板邊緣的過孔，用銅柱將兩部分架接起來，中間部分由塑料墊片加以支撐絕緣，然后對系統(tǒng)進行綜合聯(lián)測，以確定其實現(xiàn)的各項測量指標能否達到要求。

該系統(tǒng)的外觀為φ45×40的圓柱形金屬殼體，質(zhì)量小于1 kg，在完成灌封后，能夠承受的過載大小為100 g．系統(tǒng)具有體積小、功耗低、靈敏度高等特點，在實際的安裝使用中，僅包含了所需的電源接口、模擬信號接入端以及數(shù)字通信端口，使得接線和獲取數(shù)據(jù)都十分方便。

6　結(jié)束語

基于AD7734和C8051F410單片機的磁強信號檢測系統(tǒng)充分發(fā)揮了AD7734作為高精度、高吞吐量、多通道模擬前端的優(yōu)勢，同時利用C8051F系列單片機的強大功能，使得該檢測系統(tǒng)具有穩(wěn)定性良好、電路體積小，能夠以較高精度、實時對磁強信號進行獲取等特點。目前其已應用于某磁強信號的測量中，并發(fā)揮了良好的性能。參考文獻：

[1]楊劍，劉光斌，姚志誠．模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7734與DSP芯片的接口．兵工自動化，2005(2)：71-72．

[2]王海淵，張麗麗，韓玉仲，等．高精度AD7734在8通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用．電子測量技術(shù)，2010(9)：18-21．

[3]裴軼，虞南方，劉奇，等．各向異性磁阻傳感器的原理及其應用．儀表技術(shù)與傳感器，2004(8)：26-27．

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

[5]曹少華，張培仁，王津津，等．基于C8051F單片機的CAN總線硬件系統(tǒng)設計．測控技術(shù)，2007(9)：38-41．

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

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