重慶大學電氣工程學院 李昭昱

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基于CS5532的數(shù)字化弱磁場傳感器的研究

重慶大學電氣工程學院 李昭昱

【摘要】弱磁場是我們生活及科學研究中最常見的磁場，而因為弱磁場的微弱性及易被周圍噪聲淹沒的特性，使得弱磁場的檢測十分困難。本文設(shè)計了一種基于HMC1022及CS5532的數(shù)字化弱磁場傳感器，測量精度達1mGauss（），解決了弱磁場難以測量的問題。本文對該數(shù)字化傳感器的各模塊設(shè)計進行了介紹，并利用亥姆赫茲線圈對其性能進行標定與測試。實驗結(jié)果表明，該模塊測量準確，成本較低，使用方便，滿足絕大多數(shù)測量場合的需求。

【關(guān)鍵詞】微弱信號；弱磁場；磁阻傳感器；HMC1022；CS5532

0　引言

弱磁場是指磁場等級在地磁場附近（0.5Oe）或較弱于地磁場的磁場強度大小。而絕大多數(shù)的磁場均位于弱磁場區(qū)間。在各個磁場測量領(lǐng)域，如地磁探測，管道漏磁檢測，無損探傷，磁場成像等，均需要較弱而又精度較高的磁場值。[1]

隨著技術(shù)的不斷進步，磁場測量傳感器也必將朝著低成本，低誤差，操作簡單，體積較小的方式前進，那些不利于測量或成本較高的方法將會得到改進甚至淘汰，而克服了上述缺點的測量方法也將得到更為廣闊的發(fā)展空間。本文采用磁阻是磁阻式磁場傳感器HMC1022，該傳感器輸出為模擬信號。由于磁場較微弱，傳感器電壓信號較低，因此利用24位AD轉(zhuǎn)換器CS5532將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，形成整體的數(shù)字化磁場傳感器模塊。

1　磁阻傳感器測量原理

物質(zhì)在磁場中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。對于鐵、鈷、鎳及其合金等磁性金屬，當外加磁場平行于磁體內(nèi)部磁化方向時，電阻幾乎不隨外加磁場變化；當外加磁場偏離金屬的內(nèi)部磁化方向時，此類金屬的電阻減小，這就是強磁金屬的各向異性磁阻效應(yīng)。

依據(jù)以上原理, Honeywell 公司生產(chǎn)的各項異性磁阻傳感器HMC1001 將4 個磁電阻連成惠斯通電橋的形式, 設(shè)磁場H與夾角為H, 則H 與夾角為( 90°- H) , 如圖1所示。

圖1　磁阻傳感器等效電路

輸出電壓為：

（5）式中，K為傳感器的靈敏度，B為待測磁感應(yīng)強度。U0為外加磁場為零時環(huán)境磁場造成傳感器的輸出電壓[2]。

2　硬件設(shè)計

數(shù)字傳感器模塊的硬件組成包括霍尼韋爾公司的HMC1022型芯片、24位ADC CS5532等。這些芯片配以相應(yīng)的外圍電路就構(gòu)成系統(tǒng)的基本硬件結(jié)構(gòu)。下面對各硬件的特點及其在本平臺中它們構(gòu)成的相關(guān)模塊電路分別進行介紹。

圖2　數(shù)字化磁場傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 磁場傳感器電路設(shè)計

本設(shè)計采用霍尼韋爾公司的磁阻型雙軸傳感器HMC1022，該芯片采用惠斯通電橋式結(jié)構(gòu)。因此，在橋上加電源，當磁敏電阻感知到磁場變化時，橋臂將不平衡，導致橋臂兩端有電壓差，該電壓即反應(yīng)磁場的大小。[3]在設(shè)計時，要注意電源電壓的穩(wěn)定，因此電源供電模塊應(yīng)使用線性穩(wěn)壓電源，而盡量不要使用開關(guān)電源，并在電橋電源端附近并聯(lián)解耦電容，距離電橋電源越近越好。本設(shè)計中，電源電壓為5V，磁場傳感器分辨率為1mV/Gauss，及該模擬部分分辨率為5mV/ Gauss。傳感器連接原理圖如圖3所示。

圖3　磁阻傳感器原理圖

2.2ADC及其外圍電路設(shè)計

文中設(shè)計的數(shù)字化磁場傳感器測量精度要求為, 精度要求為1mGauss（1Gauss=），即測量后傳感器輸出最小電壓差為5uV, 則數(shù)據(jù)采集電路要保證A/D轉(zhuǎn)換器無噪聲分辨率輸出在21位或以上。綜合考慮精度，參考電壓，放大效果等因素，本設(shè)計采用24位高精度A/D轉(zhuǎn)換器CS5532(B型)。磁場傳感器的模擬信號輸出通過前端調(diào)理電路后進入ADC，采樣并編碼后經(jīng)PGIA放大，數(shù)字濾波，50/60Hz抑制，再通過SPI總線輸出[4]。數(shù)據(jù)采集模塊框圖如圖4所示，信號流程包括：PGIA放大、50/60Hz抑制，數(shù)字濾波器、數(shù)模轉(zhuǎn)換等。

圖4　數(shù)據(jù)采集模塊框圖

2.3可編程儀表放大

由于待測電壓為電橋輸出的偏置電壓，電壓最小是uV量級的，屬于微弱信號，因此，需要做信號放大處理。對于微弱測量電路，CMRR（共模抑制比）是影響精度的關(guān)鍵因素。本文采用差分運放構(gòu)成雙端輸入差分放大電路，該電路具有高輸入阻抗、高共模抑制比等特點，有效的減少了共模噪聲及漂移噪聲對電路的影響。

圖5　可編程儀表放大電路

2.4數(shù)字濾波電路

CS5531/32/33/34 的線性相位數(shù)字濾波器可編程，以獲得不同的輸出字速率（OWR）。當輸出字速率為3200Sps 和3840Sps（MCLK=4.9152MHz）時，ADC使用Sinc5濾波器，其它所有輸出速率也使用Sinc5濾波器，但其后接著一個可對十進制速率編程的Sinc3濾波器。圖為60Sps時濾波器的幅值響應(yīng)，圖6所示為120Sps時濾波器的幅值和相位響應(yīng)。Sinc3 濾波器在除了3200Sps和3840Sps（MCLK ＝4.9151MHz）以外的其它輸出字速率都有效。兩個濾波器的Z變換。對于Sinc3濾波器，“D”為可編程的十進制比率，當FRS＝0時等于3840/ OWR,當FRS＝1時為3200/ OWR。ADC的數(shù)字濾波器的拐角頻率與MCLK成正比。例如，對120Sps的輸出字速率，濾波器的典型拐角頻率為31Hz。當MCLK增加到5.0MHz，OWR增加1.0175%，濾波器傳遞函數(shù)為：[5]

圖6　二階低通濾波器幅頻特性和相頻特性曲線

2.5模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

本系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換所采用的是cirrus logic公司生產(chǎn)的24位ΔΣ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器CS5532，它有4個通道，可測量4個單端信號或者2個差分信號。在進行A/D轉(zhuǎn)換前，先要初始化A/D轉(zhuǎn)換器的配置，包括端口初始化、ADC時鐘使能、工作模式和轉(zhuǎn)換模式選擇、掃描模式配置、采樣時間設(shè)置、觸發(fā)方式設(shè)置、通道選擇以及AD校準等。該adc進行數(shù)據(jù)采集的方式有中斷方式和查詢方式，本系統(tǒng)采用查詢方式，為了減小測量誤差，采用多次測量求平均值的方法，將每次采樣結(jié)果加和除以采樣次數(shù)，消除隨機誤差。

3　磁場傳感器的標定

基于以上所述，數(shù)字式磁場傳感器設(shè)計完畢，利用磁場測量平臺及亥姆赫茲線圈對磁場傳感器進行標定及性能測試。

將磁場傳感器置于亥姆赫茲線圈中心，磁場傳感器輸出通過spi總線與磁場測量平臺相連，平臺采用stm32F429IGT6芯片，同時輸出數(shù)據(jù)通過液晶屏顯示。顯示結(jié)果如表1所示。

表1　系統(tǒng)測試與標定結(jié)果

4　結(jié)論

本文論述了基于磁阻傳感器HMC1022及24位ADC CS5532的數(shù)字式磁場傳感器的設(shè)計，介紹了系統(tǒng)中主要模塊的功能及設(shè)計思路，并繪制了原理圖。最后利用亥姆赫茲線圈對系統(tǒng)進行測試及標定，結(jié)果證明，系統(tǒng)可測量的信號，分辨率為1mGauss，最大誤差為0.67%，平均誤差為0.23%。證明所設(shè)計的測量電路能夠精確地測量微弱磁場信號，該電路應(yīng)用前景廣闊，可作為管道漏磁檢測，磁偶極子測量，磁矩檢測，地下導體探測及磁場成像等多個領(lǐng)域。并由于其集成度高，成本低，可作為通用模塊供廣大科研愛好者開發(fā)研究使用。

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