WANG Yongbo，LIU Shibin，F(xiàn)ENG Wenguang，LI Quanheng

(School of Electronics and Information，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China)

Fluxgate Magnetometer with Low-Cost and High-Resolution Based on ARM*

WANG Yongbo，LIU Shibin*，F(xiàn)ENG Wenguang，LI Quanheng

(School of Electronics and Information，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China)

This paper describes a dual-core fluxgate magnetometer based on feedback technique which reaches 16-bit resolution with a 12-bit A/D and a Programmable Gain Amplifier(PGA).The amplitude of the sensor’s output signal is real-time controlled by the PGA and is adapted to the input range of the A/D converter.Experiments show that the detection range of the magnetometer is±62 000 nT，the resolution is 1.9 nT and the linearity is 2.4× 10-4.Along with characteristics of low cost and small size，it has good application prospects in certain fields.

fluxgate magnetometer;programmable gain amplifier;12-bit A/D;high-resolution

磁通門是利用軟磁材料磁化飽和時的非線性來測量外磁場的一種傳感器［1］，因其具有分辨率高(可達(dá)10-11T)、測量弱磁場的范圍寬(10-3T以下)等優(yōu)點(diǎn)［2］，在地質(zhì)勘探、宇航工程、國防科技等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［3］。近年來，電子技術(shù)的發(fā)展為磁通門磁強(qiáng)計(jì)提供了數(shù)字化方案，使磁強(qiáng)計(jì)在體積、功耗、溫度穩(wěn)定性等方面有了很大提高［4］。閉環(huán)數(shù)字磁強(qiáng)計(jì)一般由磁通門探頭、采樣A/D、處理單元、反饋D/A等構(gòu)成，其精度主要取決于反饋回路的D/A轉(zhuǎn)換器，采用高分辨率的D/A芯片可以有效提高系統(tǒng)性能。為了與反饋D/A匹配，系統(tǒng)前端采樣通路中需要使用高分辨率的A/D，例如:文獻(xiàn)［5］前端采樣使用了C8051F064單片機(jī)內(nèi)集成的16 bit A/D，反饋端使用了16 bit D/A芯片DAC8552;文獻(xiàn)［6］前端采樣使用了16 bit A/D芯片AD974，反饋端使用了16 bit D/A芯片AD660。同時，系統(tǒng)要求A/D轉(zhuǎn)換速度較快，然而高速、高分辨率A/D價格較高，研究采用低位A/D實(shí)現(xiàn)高分辨率效果，對磁強(qiáng)計(jì)成本的降低具有實(shí)用意義。

本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM的磁強(qiáng)計(jì)，通過使用12 bit A/D，結(jié)合可編程運(yùn)算放大器(Programmable Gain Amplifier，PGA)，實(shí)現(xiàn)了16 bit分辨率，匹配了16 bit反饋D/A，降低了系統(tǒng)成本。

1 磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

磁通門磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在激勵電流作用下，磁通門次級線圈產(chǎn)生攜帶有外磁場信息的電壓信號，經(jīng)過可編程運(yùn)放，由高速A/D采樣后送入微控制器，經(jīng)相敏整流、積分等運(yùn)算得到反映外磁場的直流數(shù)字量［7］，并由D/A轉(zhuǎn)換為電壓信號經(jīng)反饋回路輸入到磁通門次級線圈，產(chǎn)生反饋磁場，形成閉環(huán)系統(tǒng)［8］。

圖1 磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)上電初始，磁通門輸出信號幅值很大，調(diào)整可編程運(yùn)放增益為×1，磁通門輸出信號不會超出A/D輸入范圍;隨著反饋的建立，磁通門工作在零磁場附近，輸出信號幅值變小，調(diào)整可編程運(yùn)放增益為×16，放大輸出信號幅值與A/D動態(tài)范圍相匹配，從而實(shí)現(xiàn)了A/D分辨率的提高。

2 磁強(qiáng)計(jì)硬件實(shí)現(xiàn)

選用基于Cortex-M4內(nèi)核的STM32F303VCT6芯片作為控制單元，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件電路，結(jié)構(gòu)如圖2所示，因三軸磁強(qiáng)計(jì)三路信號處理通道相同，圖中僅給出了一路信號處理電路的結(jié)構(gòu)。

圖2 磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)硬件電路示意圖

STM32F303VCT6是32 bit ARM微控制器，工作頻率高達(dá)72 MHz，芯片內(nèi)集成了2個12 bit D/A、4個可編程運(yùn)放、4個12 bit高速A/D(5MSPS)、多個定時器和USART、SPI等接口［9］，完全可以滿足系統(tǒng)需求。DAC8555是四通道并行轉(zhuǎn)換芯片，具有1LSB微分非線性，10 μs建立時間［10］，保證了系統(tǒng)精度。

該磁強(qiáng)計(jì)使用正弦波作為激勵，由STM32F303的D/A輸出16 kHz正弦信號，經(jīng)功率放大后驅(qū)動磁通門初級線圈。磁通門輸出信號經(jīng)諧振放大、隔直后［11］，送入STM32F303。

配置STM32F303內(nèi)的可編程運(yùn)放和12 bit A/D為級聯(lián)結(jié)構(gòu)。STM32F303使用串行SPI接口向DAC8555發(fā)送積分結(jié)果，再通過運(yùn)放和反饋電阻輸送到磁通門次級線圈，完成閉環(huán)控制。

STM32F303使用USART串口與上位機(jī)通信，MAX232芯片負(fù)責(zé)電平轉(zhuǎn)換。

3 磁強(qiáng)計(jì)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要完成系統(tǒng)初始化、信號采樣、增益控制、數(shù)據(jù)處理、反饋以及數(shù)據(jù)輸出等功能。系統(tǒng)軟件流程如圖3所示，圖3(a)為系統(tǒng)總體流程，圖3(b)為中斷處理流程。

圖3 磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)軟件流程圖

初始化主要包括設(shè)置系統(tǒng)時鐘，初始化DMA通道、SPI接口、定時器，配置D/A產(chǎn)生正弦激勵等。

3.1 可編程運(yùn)放增益調(diào)節(jié)

程序每次采樣100個點(diǎn)(1個激勵周期的采樣點(diǎn)數(shù))，再進(jìn)行后續(xù)處理?？删幊踢\(yùn)放初始增益為×1，使用A/D自帶的2個窗口看門狗監(jiān)測采樣信號的幅值，以調(diào)整運(yùn)放增益。設(shè)置看門狗1的閾值略大于反饋建立后磁通門輸出信號的幅值，設(shè)置看門狗2的閾值遠(yuǎn)大于看門狗1的閾值但略小于A/D輸入量程。當(dāng)采樣信號幅值處于看門狗2的閾值和看門狗1的閾值之間時，認(rèn)為采樣信號有效，進(jìn)行相敏整流、積分運(yùn)算并反饋;當(dāng)采樣信號幅值小于看門狗1的閾值時，表明反饋抵消了大部分外磁場，此時調(diào)整運(yùn)放增益為×16，A/D再次采樣則為有效信號;當(dāng)采樣信號幅值超出了看門狗2的閾值時，則表明外磁場突變超出了磁強(qiáng)計(jì)量程，此時恢復(fù)運(yùn)放增益為×1。該方法保證了磁通門輸出信號經(jīng)運(yùn)放后與A/D動態(tài)范圍相匹配，在反饋建立后提高A/D分辨率為16 bit［12］。

3.2 三軸磁強(qiáng)計(jì)誤差補(bǔ)償

三軸磁強(qiáng)計(jì)存在正交誤差、靈敏度誤差、零位誤差，需要進(jìn)行補(bǔ)償。采用文獻(xiàn)［13］提出的“改進(jìn)的最小二乘橢球擬合算法”求解補(bǔ)償系數(shù)矩陣。假定磁強(qiáng)計(jì)輸出的原始值用向量hs表示，無誤差的理論值用向量ht表示，其關(guān)系數(shù)學(xué)模型為

式中Kc為下三角矩陣，表示由3個軸的靈敏度不一致和非正交性引起的誤差，Bc表示由磁強(qiáng)計(jì)零位引起的誤差。在恒定磁場空間，當(dāng)磁強(qiáng)計(jì)任意旋轉(zhuǎn)時，理論值ht的軌跡位于一個已知球面上，即

式中H表示磁場強(qiáng)度。將式(1)代入式(2)可整理出一般橢球方程，磁強(qiáng)計(jì)誤差補(bǔ)償轉(zhuǎn)變?yōu)闄E球擬合問題。對多組磁強(qiáng)計(jì)輸出值進(jìn)行擬合，可求解出系數(shù)矩陣Kc和Bc。

在恒定地磁場環(huán)境下，將磁強(qiáng)計(jì)在空間一點(diǎn)任意旋轉(zhuǎn)，期間將磁強(qiáng)計(jì)三軸積分?jǐn)?shù)據(jù)通過串口發(fā)送到PC機(jī)，在PC機(jī)上利用MATLAB軟件編寫橢球擬合算法［14］，求解補(bǔ)償系數(shù)矩陣，最后磁強(qiáng)計(jì)通過串口接收PC機(jī)求解矩陣結(jié)果，寫入Flash。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測試了使用最小二乘擬合算法對磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)男ЧＴ趶?qiáng)度為0.528高斯的均勻磁場環(huán)境中，任意旋轉(zhuǎn)經(jīng)過誤差補(bǔ)償?shù)拇艔?qiáng)計(jì)，記錄三軸輸出數(shù)據(jù)，利用MATLAB計(jì)算總磁場強(qiáng)度，結(jié)果如圖4所示。

圖4磁強(qiáng)計(jì)三軸磁場分量及總磁場強(qiáng)度

圖4 中，下方三條曲線分別為磁強(qiáng)計(jì)3個軸的磁場分量，最上方曲線為總磁場強(qiáng)度，曲線較平直，最大偏差為0.053%，補(bǔ)償效果較好。

經(jīng)過上述補(bǔ)償之后，磁強(qiáng)計(jì)3個軸特性一致。實(shí)驗(yàn)測定了磁強(qiáng)計(jì)一個軸的非線性，將磁強(qiáng)計(jì)置于磁屏蔽器(中國鋼鐵總院制，Φ內(nèi)100 mm×300 mm)的長螺線管內(nèi)(中國鋼鐵總院制，Φ內(nèi)80 mm ×280 mm，50 000 nT內(nèi)非線性度為0.01%)［15］，磁強(qiáng)計(jì)被測軸與線圈軸線重合，通過調(diào)節(jié)螺線管通電電流可產(chǎn)生一組均勻磁場。實(shí)驗(yàn)采用磁通門磁強(qiáng)計(jì)CTM-6W(中國計(jì)量科學(xué)研究院制，分辨率0.1 nT)作為磁場參考值。測量結(jié)果如圖5所示。

圖5中，圓點(diǎn)為測量數(shù)據(jù)，直線為擬合直線，可以看出，磁強(qiáng)計(jì)輸出與外磁場成線性關(guān)系，線性度為2.4×10-4。螺線管產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度范圍約為±62 000 nT，對應(yīng)磁強(qiáng)計(jì)輸出數(shù)字量為±32 768，磁強(qiáng)計(jì)分辨率約為1.9 nT。

實(shí)驗(yàn)測定了磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性。將磁強(qiáng)計(jì)置于磁屏蔽器內(nèi)的長螺線管中，用函數(shù)信號發(fā)生器(Agilent 33220A)產(chǎn)生正弦激勵信號，經(jīng)功率放大器(HAS 4011)放大后送入螺線管產(chǎn)生交變磁場。調(diào)節(jié)激勵頻率，記錄磁強(qiáng)計(jì)輸出，測得系統(tǒng)頻率響應(yīng)如圖6所示，系統(tǒng)的-3 dB帶寬為96 Hz。

圖5 磁強(qiáng)計(jì)輸出隨螺旋線圈電流變化曲線

圖6 系統(tǒng)頻率響應(yīng)

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種三軸數(shù)字磁強(qiáng)計(jì)，在前端采樣通路中使用12 bit A/D，結(jié)合可編程運(yùn)放，實(shí)現(xiàn)了16 bit分辨率效果。實(shí)驗(yàn)表明磁強(qiáng)計(jì)量程為±62 000 nT，分辨率為1.9nT，線性度為2.4×10-4，-3 dB帶寬為96 Hz，性能較好。基于ARM設(shè)計(jì)的磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)，較傳統(tǒng)模擬磁強(qiáng)計(jì)提高了集成度并改善了溫度性能，ARM的精簡指令集較單片機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化了編程且增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性，較DSP系統(tǒng)降低了成本。綜合考量，基于ARM的磁強(qiáng)計(jì)具有廣闊的應(yīng)用前景。

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王永波(1987-)，男，河北石家莊人，西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)，wangyongbo2010@126.com;

劉詩斌(1960-)，男，河南鞏義市人，西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。長期從事無人機(jī)傳感器系統(tǒng)的研究，研究方向?yàn)榇艌龊蛪毫y量，智能傳感器系統(tǒng)，微電子和計(jì)算機(jī)應(yīng)用，liushibin@nwpu.edu.cn。

基于ARM的低成本高分辨率磁通門磁強(qiáng)計(jì)*

王永波，劉詩斌*，馮文光，李泉衡
(西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710072)

基于雙鐵心磁通門負(fù)反饋工作原理，設(shè)計(jì)了一種數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計(jì)。利用可編程運(yùn)算放大器實(shí)時調(diào)節(jié)磁通門輸出信號的幅值，再經(jīng)高速12 bit A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，用ARM微控制器完成相敏整流和積分運(yùn)算，用高精度16 bit D/A輸出反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)測試表明，該磁強(qiáng)計(jì)的量程為±62 000 nT，分辨率為1.9 nT，線性度達(dá)到了2.4×10-4。采用可編程運(yùn)放結(jié)合12 bit A/D實(shí)現(xiàn)16 bit分辨率的設(shè)計(jì)方案，降低了磁強(qiáng)計(jì)成本，具有工程應(yīng)用前景。

磁通門磁強(qiáng)計(jì);可編程運(yùn)放;12 bit A/D;高分辨率

TP212.13

A

1004－1699(2014)03－0308－04

2013-11-24修改日期:2014-02-24

C:7230;7310L

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.03.006

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(60874101);教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20126102110031)