SUN Lisen，YUE Fengying，LIYonghong，WANG Enhuai

(College of Information and Communication Engineering，North University of China，Shanxi030051，China)

The Design of Digital Magnetometer Based On Magnetic Resistance Sensor*

SUN Lisen，YUE Fengying，LIYonghong*，WANG Enhuai

(College of Information and Communication Engineering，North University of China，Shanxi030051，China)

In order to obtain real－time accurate magnetic parameters using Honeywell HMC1001 uniaxialmagnetic resistance sensor and HMC1002 biaxialmagnetic resistance sensor，aminiaturization digitalmagnetometer was designed based on AD7734 and C8051F410.By using constant current source circuitand setting circuit the disorder of sensors and the impact of drift can be effectively solved.This paper expounds the system hardware design and software flow.Digitalmagnetometer was tested，overall accuracy is better than 5‰，the test results verify the feasibility of the design.

measurement;magnetoresistive sensor;constant current source circuit;setting circuit

隨著電子學(xué)和地球物理學(xué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)的快速發(fā)展，地磁探測(cè)技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用［1－4］。目前，國(guó)內(nèi)外的地磁測(cè)量系統(tǒng)趨向于小型化和數(shù)字化，被廣泛的應(yīng)用于對(duì)彈體飛行姿態(tài)的測(cè)量中［5－8］。但存在精度不高、受溫度影響大、分辨率低、成本大等問題。故提出了一種新的設(shè)計(jì)方法，本系統(tǒng)選用AD7734模數(shù)轉(zhuǎn)換器、C8051F410單片機(jī)和Honeywell公司的HMC1001型與HMC1002型磁阻傳感器［9］進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用恒流源供電，以實(shí)現(xiàn)綜合測(cè)量精度優(yōu)于0.5%的性能要求。

1 系統(tǒng)測(cè)量原理

地磁場(chǎng)是一個(gè)平均磁感應(yīng)強(qiáng)度約為50 000 nT～60 000 nT的弱磁場(chǎng)，地磁強(qiáng)度隨地域的變換而不同。對(duì)于磁阻傳感器，不外加磁場(chǎng)時(shí)，磁阻的電流密度矢量一般呈直線狀，當(dāng)磁場(chǎng)垂直加在磁阻表面時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，電流密度矢量與電場(chǎng)方向偏離了一定角度(霍爾角)，電流經(jīng)過的路程改變，電阻值變化。Honeywell磁阻傳感器內(nèi)部是由4個(gè)磁阻組成的惠斯通電橋。在電橋上施加一個(gè)偏置磁場(chǎng)，使得兩個(gè)同向放置的電阻的磁化方向朝著電流方向轉(zhuǎn)動(dòng)，引起電阻阻值增加。同理，另外兩個(gè)反向放置的電阻阻值減小。當(dāng)有供電電流在電阻中流過時(shí)，電橋的輸出電壓會(huì)隨磁場(chǎng)的變化而變化，由此可實(shí)時(shí)地獲取磁場(chǎng)強(qiáng)度。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由Honeywell公司生產(chǎn)的H1001型和H1002型磁阻傳感器、置位電路、信號(hào)調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換電路、電源電路、微控制器和串行通信電路組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Honeywell公司的HMCl001單軸磁阻傳感器和HMCl002雙軸磁阻傳感器采集地磁數(shù)據(jù)。磁阻傳感器HMC1001與HMC1002經(jīng)過放大電路輸出3路模擬信號(hào)，但磁阻傳感器的輸出大約為30 mV，輸出的模擬量為毫伏級(jí)，信號(hào)較小，采用OPA184儀表放大器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大。在實(shí)際地應(yīng)用中，HMC1001和HMC1002磁阻傳感器會(huì)受到強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾影響，導(dǎo)致輸出信號(hào)地衰變，傳感器元件的磁阻內(nèi)部會(huì)分成若干方向隨機(jī)的磁區(qū)域，從而導(dǎo)致靈敏度衰減。置位電路快速有效地解決了這一問題。置位脈沖電流的峰值電流高于最低要求電流，該脈沖電流通過置位電路帶產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)可以重新使磁區(qū)域?qū)?zhǔn)到一個(gè)方向上，從而將磁阻傳感器迅速地恢復(fù)到高靈敏度狀態(tài)。置位電路電壓采用+20 V供電。選用MAX662芯片和ZTX605型三極管設(shè)計(jì)置位電路，信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。2.2微控制器與AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

圖2 信號(hào)調(diào)理電路

選用C8051F410單片機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，采用AD7734進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，該芯片具有最高24 bit無失碼性能，實(shí)現(xiàn)最高12.3 kHz的轉(zhuǎn)換速率。該芯片模擬前端具有4個(gè)單端輸入通道，采用5 V單模擬電源供電時(shí)，可接受最高10 V的單極性或真雙極性輸入范圍。

單片機(jī)與AD7734通過標(biāo)準(zhǔn)SPI接口進(jìn)行通信，設(shè)計(jì)采用4線制的主、從方式，單片機(jī)為主、AD7734為從，單片機(jī)經(jīng)過SPICLK管腳向AD7734提供SPI的時(shí)鐘信號(hào)，SPIMOSI為單片機(jī)輸出端，SPIMISO為單片機(jī)接收端。AD7734的RDY管腳與單片機(jī)的P0.3管腳相連，當(dāng)AD7734完成模數(shù)轉(zhuǎn)換以后，的RDY管腳會(huì)變?yōu)榈碗娖?，通知單片機(jī)可以通過DOUT管腳讀取數(shù)據(jù)。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

2.3 電源電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)用P溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管設(shè)計(jì)的恒流源作為傳感器的電源激勵(lì)。從而減小電源自身的工作噪聲對(duì)器件的干擾，減小磁阻傳感器自身的溫度漂移。選用通用運(yùn)放μA741和集成三端可調(diào)穩(wěn)壓器TL431設(shè)計(jì)恒流源電路，恒流源電路原理圖如圖4所示。

電流經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)換為采樣電壓。采樣電壓經(jīng)運(yùn)放U5反向放大后作為反饋電壓Vf送入運(yùn)放的同相端，與基準(zhǔn)電壓Vr進(jìn)行比較，對(duì)柵極電壓進(jìn)行調(diào)整，從而對(duì)輸出電流進(jìn)行調(diào)整，使整個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)平衡中，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電流的目的。利用運(yùn)放的虛短虛斷及相關(guān)的公式，可以推導(dǎo)出Vr與Id的關(guān)系:

圖4 恒流源電路

Id分別表示由于基準(zhǔn)電壓、電阻R1，R2，R的不穩(wěn)定對(duì)恒流源產(chǎn)生的影響。由于采樣電阻值很小，反饋網(wǎng)絡(luò)電阻值很大，因此影響輸出電流穩(wěn)定度的主要因素是電壓基準(zhǔn)源的穩(wěn)定度和采樣電阻的溫度系數(shù)。

可見輸出電流只和電阻R，R1，R2，Vr有關(guān)，與場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)無關(guān)。只要選擇合適的電阻和基準(zhǔn)源，就能實(shí)現(xiàn)恒流。本設(shè)計(jì)基準(zhǔn)電壓采用集成三端可調(diào)穩(wěn)壓器TL431，溫度系數(shù)為30×104/℃，輸出阻抗為0.2Ω，低噪聲、工作電流1 mA至100 mA。采樣電阻采用高精度金屬殼散熱式電阻，它具有體積小、精度高、功率大等優(yōu)點(diǎn)，阻值為0.4Ω。由于采樣電阻的阻值與標(biāo)稱值有一定的誤差，因此在反饋電阻上串聯(lián)一個(gè)高精度的可調(diào)電阻用來對(duì)反饋電壓進(jìn)行微調(diào)，使輸出電流保持在預(yù)定值。

3 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)字式磁強(qiáng)計(jì)上電后首先進(jìn)行初始化，包括對(duì)微控制器的初始化和對(duì)AD7734的初始化，本系統(tǒng)采用單片機(jī)內(nèi)部振蕩器，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為24.5 MHz，選擇AD7734的通道CH0、CH1、CH2進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，使能電壓輸入范圍為0～5 V，寄存器數(shù)據(jù)位為24 bit，工作模式為連續(xù)工作模式。然后向磁阻傳感器發(fā)送持續(xù)2μs大小為4 A～6 A的置位脈沖，單片機(jī)的計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，同時(shí)進(jìn)行對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，5 s后再次向磁阻傳感器發(fā)送置位脈沖，計(jì)時(shí)器清零從新計(jì)時(shí)。采集后的地磁數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)處理后，由RS422串口輸出。數(shù)字式磁強(qiáng)計(jì)的測(cè)量流程如圖5所示。

圖5 軟件主流程圖

4 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論

實(shí)驗(yàn)中通過精度達(dá)萬分之三的高斯計(jì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，將磁強(qiáng)計(jì)置于線圈的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，調(diào)節(jié)磁線圈的供電電壓，使磁場(chǎng)在－1 000 mGauss到1 000 mGauss的范圍變化，每次按照100 mGauss的變化量進(jìn)行遞增或遞減，在3個(gè)靈敏軸方向分別進(jìn)行測(cè)量，記錄下數(shù)字磁強(qiáng)計(jì)的模擬輸出部分的電壓輸出量和磁強(qiáng)計(jì)顯示的真實(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度值。磁強(qiáng)計(jì)部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 數(shù)字式磁強(qiáng)計(jì)部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過MATLAB對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，計(jì)算出該磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度為2.496 mV/mGauss，零點(diǎn)為－1.619 mV。磁場(chǎng)強(qiáng)度與輸出電壓經(jīng)過線性擬合后的數(shù)值關(guān)系為:V=0.002 496×Mag－0.161 9。其中V為磁強(qiáng)計(jì)的輸出電壓，單位為伏特，Mag為磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為Gauss。圖6為線性擬合結(jié)果和擬合誤差圖。表2是系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)。

圖6 線性擬合結(jié)果和擬合誤差

表2 設(shè)計(jì)指標(biāo)與設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)照表

造成系統(tǒng)誤差的主要原因?yàn)檎徽`差、靈敏度誤差和零位誤差，通過建立非正交的空間模型，采用了擬Newton迭代法對(duì)空間模型求解，使數(shù)字式磁強(qiáng)計(jì)的制造誤差得到較好的校正［10－12］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該數(shù)字式磁強(qiáng)計(jì)設(shè)計(jì)方案可行，響應(yīng)速度快、數(shù)據(jù)采集方便，可應(yīng)用于導(dǎo)航、野外定向、氣象探測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域。

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孫笠森(1987－)，男，碩士生，主要研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器;

岳鳳英(1977－)，女，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器、傳感器與微機(jī)電技術(shù)(MEMS)、慣性導(dǎo)航;

李永紅(1967－)，男，碩士生導(dǎo)師，教授，國(guó)家人事部、科技部、教育部、財(cái)政部、發(fā)改委、自然基金委、中國(guó)科協(xié)等七部委聯(lián)合確定的“新世紀(jì)百千萬人才工程國(guó)家級(jí)人選”(2004年)。國(guó)務(wù)院特殊津貼專家(2000年)。1997年在華北工學(xué)院獲測(cè)試計(jì)理技術(shù)及儀器專業(yè)工學(xué)碩士。目前為中北大學(xué)(原華北工學(xué)院)測(cè)試計(jì)理技術(shù)及儀器專業(yè)在職博士。2001年1月～12月在瑞士Neuchatel大學(xué)微技術(shù)學(xué)院傳感器、執(zhí)行器與微系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室作訪問學(xué)者，重點(diǎn)進(jìn)行MOEMS器件－光波導(dǎo)及MEMS傳感器的設(shè)計(jì)及加工工藝研究。現(xiàn)在為中北大學(xué)電子工程系教授，兼任山西科泰微技術(shù)有限公司技術(shù)總監(jiān)，3923602liyonghong@nuc.edu.cn。

基于磁阻傳感器的數(shù)字式磁強(qiáng)計(jì)的設(shè)計(jì)*

孫笠森，岳鳳英，李永紅*，王恩懷

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原030051)

為了實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取地磁參數(shù)，利用Honeywell的HMCl001單軸磁阻傳感器和HMCl002雙軸磁阻傳感器設(shè)計(jì)了一種基于AD7734和C8051F410的小型化的數(shù)字式磁強(qiáng)計(jì)，采用恒流源電路和置位電路有效地解決了傳感器失調(diào)和漂移的影響。闡述了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、軟件流程。對(duì)數(shù)字式磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行了測(cè)試，綜合精度高于5‰，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性。

測(cè)試計(jì)量;磁阻傳感器;恒流源電路;置位電路

TN949.6

A

1004－1699(2014)01－0048－05

山西省青年基金項(xiàng)目(2012021013－6)

2013－09－01修改日期:2013－12－09

C:5130

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.01.009