侯化安, 易　忠, 王三勝

(1.北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；3.北京航空航天大學(xué) 航天器磁學(xué)與超導(dǎo)技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100191)

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基于STM32的磁檢測(cè)系統(tǒng)和掃描檢測(cè)算法研究*

侯化安1, 易忠2, 王三勝3

(1.北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；3.北京航空航天大學(xué) 航天器磁學(xué)與超導(dǎo)技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100191)

摘要:結(jié)合電磁檢測(cè)、傳感器技術(shù)、信號(hào)處理和單片機(jī)技術(shù)，研究開(kāi)發(fā)了一種基于STM32的磁檢測(cè)系統(tǒng). 該系統(tǒng)主要包括上位機(jī)控制軟件、下位機(jī)微控制器、磁傳感器模塊和機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等，其中上下位機(jī)間進(jìn)行串口通信，完成運(yùn)動(dòng)參數(shù)和控制指令的設(shè)置及掃描位置信息和檢測(cè)磁場(chǎng)信息的存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)顯示； 通過(guò)對(duì)掃描運(yùn)動(dòng)算法的研究，結(jié)合步進(jìn)電機(jī)控制原理，實(shí)現(xiàn)了多參數(shù)可調(diào)節(jié)、點(diǎn)陣式、空間大區(qū)域的掃描運(yùn)動(dòng)； 三維霍爾磁傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)空間任意位置磁場(chǎng)矢量的檢測(cè)，同時(shí)反映磁場(chǎng)的大小和方向信息. 該系統(tǒng)的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 磁場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)完整，能夠展現(xiàn)磁場(chǎng)的空間矢量分布和平面云圖分布； 三維掃描式檢測(cè)運(yùn)行平穩(wěn)、參數(shù)設(shè)置靈活多變； 整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域磁場(chǎng)的有效、快速檢測(cè).

關(guān)鍵詞:STM32； 電磁檢測(cè)； 掃描算法； 磁矢量分布； 磁場(chǎng)云圖

隨著機(jī)械、電子、通信、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的飛速發(fā)展，電磁學(xué)知識(shí)的應(yīng)用越來(lái)越多，對(duì)于磁場(chǎng)的研究不斷深入. 磁場(chǎng)量技術(shù)更是被廣泛應(yīng)用于地球物理、空間技術(shù)、軍事工程、工業(yè)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、考古學(xué)等諸多領(lǐng)域[1]，諸如管道缺陷檢測(cè)、脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)、生物醫(yī)療檢測(cè)和電磁導(dǎo)航等應(yīng)用方向更是層出不窮[2-7]. 另外，近年來(lái)隨著手機(jī)、電腦、平板電腦等電子設(shè)備的普及，越來(lái)越多的電子設(shè)備隨時(shí)隨地的圍繞在我們周?chē)? 這些電子設(shè)備本身都包含了或多或少電磁模塊，因此在我們?nèi)松碇車(chē)植贾絹?lái)越多的磁場(chǎng)，而這些磁場(chǎng)的存在會(huì)對(duì)我們的身體及周?chē)h(huán)境產(chǎn)生或大或小的影響. 無(wú)論是電磁檢測(cè)技術(shù)的多方面應(yīng)用，還是越來(lái)越錯(cuò)綜復(fù)雜的電磁環(huán)境都引起了人們的廣泛關(guān)注，如何直觀地反映看不見(jiàn)的磁場(chǎng)分布是在磁應(yīng)用方面的基本問(wèn)題.

磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)起源已久，早在我國(guó)東漢時(shí)期就有著名學(xué)者王允著有《論衡》一書(shū)，書(shū)中介紹了用于磁場(chǎng)測(cè)量的司南，后經(jīng)演變?yōu)橹牧_盤(pán)，并被廣泛應(yīng)用于航海中[1]. 羅盤(pán)的應(yīng)用僅僅局限在對(duì)地磁場(chǎng)方向的感應(yīng)，只是對(duì)地磁方向的直觀展現(xiàn)，隨著多種多樣磁傳感器的研制成功和磁場(chǎng)測(cè)量需求的提高，對(duì)磁場(chǎng)的檢測(cè)信息要求更加全面、豐富. 常見(jiàn)的磁檢測(cè)裝置一般為單軸雙向磁強(qiáng)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，一般能夠檢測(cè)磁場(chǎng)的大小和單軸上的正負(fù)方向，且僅面向某一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，但對(duì)于特殊應(yīng)用場(chǎng)合，如手機(jī)、電腦或平板電腦等電子設(shè)備對(duì)于身體植入心臟起搏器的患者[8]，磁場(chǎng)的分布區(qū)域、大小和方向的區(qū)別對(duì)其都有著顯著的影響效果.

就磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)而言，吉林大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院的張敬波等人對(duì)基于霍爾效應(yīng)的智能磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x進(jìn)行了研究，可實(shí)現(xiàn)對(duì)穩(wěn)恒場(chǎng)，交變場(chǎng)正負(fù)峰值及峰峰值和頻率，脈沖場(chǎng)峰值的測(cè)量[9]； 中國(guó)科學(xué)院電工研究所的陳繼中等人針對(duì)空間磁場(chǎng)的自動(dòng)測(cè)量展開(kāi)研究，他們開(kāi)發(fā)的全自動(dòng)磁場(chǎng)測(cè)量分布儀采用測(cè)量?jī)x器和計(jì)算機(jī)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和數(shù)字化的磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)[10]； 國(guó)防科技大學(xué)的陳棣湘提出了一種利用差動(dòng)方式連接的6個(gè)霍爾元件構(gòu)成三維磁場(chǎng)精密測(cè)量系統(tǒng). 該系統(tǒng)應(yīng)用壓頻變換器完成數(shù)據(jù)采集，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度變化的補(bǔ)償，整個(gè)系統(tǒng)可達(dá)到0.5%的精度[11]； 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王曉明等人提出了基于LabWindows/CVI軟件和xyzθ四坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及數(shù)據(jù)采集單元的永磁體的表面磁場(chǎng)分布測(cè)量和分析系統(tǒng)，其測(cè)量結(jié)果可實(shí)時(shí)顯示和查詢(xún)[12]. 該研究成果已應(yīng)用于“磁場(chǎng)分布自動(dòng)測(cè)量?jī)x”的實(shí)際產(chǎn)品中.

本文介紹的基于STM32的磁檢測(cè)系統(tǒng)，以三維空間磁矢量檢測(cè)為基礎(chǔ)，結(jié)合微控制器信號(hào)處理和運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間內(nèi)三維磁矢量信息的檢測(cè)，且面向較大型檢測(cè)對(duì)象時(shí)可借助三維機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，以點(diǎn)陣式掃描檢測(cè)形式自動(dòng)完成對(duì)設(shè)定區(qū)域的一次性連續(xù)檢測(cè)，檢測(cè)效率高、檢測(cè)信息豐富、檢測(cè)結(jié)果直觀可靠.

1硬件電路設(shè)計(jì)與搭建

1.1磁檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)磁檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，首先能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)空間特定區(qū)域磁場(chǎng)的掃描檢測(cè)，且檢測(cè)數(shù)據(jù)能夠反映磁場(chǎng)的大小和方向信息，其次應(yīng)盡量做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低且系統(tǒng)可用性高、操作便捷.

圖1　系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖Fig.1　Theblock diagram of the system structure

基于以上考慮，本系統(tǒng)選用STM32F103C8T6型微控制器做為下位機(jī)控制芯片，完成程序執(zhí)行和數(shù)據(jù)處理； 以三維霍爾磁傳感器CH-HALL作為磁檢測(cè)探頭，采集空間某點(diǎn)3個(gè)維度上的磁場(chǎng)信息； 運(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)采用三軸龍門(mén)式機(jī)械滑臺(tái)，以57步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為電機(jī)驅(qū)動(dòng)組件； 上位機(jī)基于VS程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以面向?qū)ο蟮某绦蜷_(kāi)發(fā)方式，借助GUI控制界面，完成運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)傳遞、數(shù)據(jù)處理及顯示； 上下位機(jī)間實(shí)現(xiàn)RS232串口通信，通信協(xié)議簡(jiǎn)單，操作方便.

該檢測(cè)系統(tǒng)可概括為3個(gè)主要部分，即傳感器部分、三維機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分和控制部分.

1.2下位機(jī)微控制器外圍電路

STM32系列單片機(jī)是基于專(zhuān)為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的ARMCortex-M3內(nèi)核，時(shí)鐘頻率可達(dá)到72MHz，內(nèi)置32～128K的閃存，根據(jù)不同型號(hào)其SRAM的最大容量和外設(shè)接口的組合有所區(qū)別. 該系統(tǒng)單片機(jī)，當(dāng)時(shí)鐘頻率72MHz時(shí)，閃存執(zhí)行代碼STM32功耗36mA，是32b產(chǎn)品中功耗最低的，相當(dāng)于0.5mA/MHz. 另外，該系列MCU拓展性好，控制精度高，有串口和J-Link調(diào)試接口，便于系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與調(diào)試.

本文選用的STM32F103C8T6型號(hào)，資源豐富，可擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)磁檢測(cè)系統(tǒng)的三維機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制和三維磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集等功能. 該控制器供電電壓為2.0～3.6V，CPU工作頻率最大可達(dá)到72MHz，具有單周期的乘法指令和硬件觸發(fā)及優(yōu)先級(jí)可編程的中斷系統(tǒng). 另外，它還具有20KB的SRAM存儲(chǔ)器和64KB的FLASH存儲(chǔ)器，片內(nèi)集成了看門(mén)狗、定時(shí)器、GPIO口、DMA控制器、ADC、UART/USART、SPI接口和I2C接口等豐富的外設(shè)，具有成本低、速度快、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)[13].

圖2　下位機(jī)控制器資源配置Fig.2　Theconfigured resources of the MCU

結(jié)合磁檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用需求，調(diào)用該控制器的3路通用定時(shí)器Timer2，Timer3和Timer4，并配置相應(yīng)的輸出GIPO，以程控方式向3路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出PWM脈沖信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)； 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)三維磁場(chǎng)傳感器信號(hào)的采集，選配AD7606數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片，調(diào)用STM32的PCI接口，并配置相應(yīng)的GPIO管腳，實(shí)現(xiàn)與AD7606的SPI通信，完成磁場(chǎng)信號(hào)的采集； 另外，調(diào)用控制器的USART串口通信功能，搭建串口電路，與上位機(jī)間以RS232串口通信方式完成數(shù)據(jù)交換. 各電路模塊間考慮信號(hào)的阻抗匹配，保證系統(tǒng)有效、穩(wěn)定運(yùn)行.

1.3機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組件

機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是一種集機(jī)械、光學(xué)、電子和計(jì)算機(jī)等多技術(shù)于一體的智能化儀器，它在先進(jìn)制造技術(shù)和科學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用，是現(xiàn)代工業(yè)檢測(cè)、質(zhì)量控制和制造技術(shù)中不可或缺的測(cè)量設(shè)備[14]. 三維機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是磁檢測(cè)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要負(fù)責(zé)完成多種形式的空間運(yùn)動(dòng)，該機(jī)械平臺(tái)主要包括三維支架和光學(xué)平臺(tái)、運(yùn)動(dòng)滑軌、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器等.

三維支架和光學(xué)平臺(tái)采用3個(gè)一維機(jī)械平臺(tái)組成小型的龍門(mén)式機(jī)械結(jié)構(gòu)，其中X, Y方向上的滑臺(tái)采用履帶式傳送定位，運(yùn)行平穩(wěn)可靠；Z方向上則采用滾珠式傳送定位，定位精度高. 它們主要包括定位驅(qū)動(dòng)部分和導(dǎo)軌傳動(dòng)部分，定位驅(qū)動(dòng)部分由步進(jìn)電機(jī)擔(dān)任，能把電能或其他形式的能量轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)和力； 導(dǎo)軌傳動(dòng)部分則搭載傳感器，將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的空間位移運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)空間運(yùn)動(dòng)或定位. 該機(jī)械平臺(tái)的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1　三維機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)參數(shù)表

1.4磁傳感器模塊

常見(jiàn)的磁傳感器包括： 靈敏度最高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大且價(jià)格昂貴的超導(dǎo)量子干涉儀； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便但僅面向交變磁場(chǎng)測(cè)量的線圈磁傳感器； 分辨率高、魯棒性好，但體積較大、響應(yīng)頻率低的磁通門(mén)； 體積小、靈敏度高、線性好，但依賴(lài)新材料開(kāi)發(fā)的巨磁電阻傳感器； 應(yīng)用范圍廣，但靈敏度有待提高的霍爾磁傳感器[15]. 根據(jù)以上磁傳感器特點(diǎn)分析，結(jié)合本文磁傳感器面向穩(wěn)恒、相對(duì)較大磁場(chǎng)檢測(cè)的需求，最終選用霍爾磁傳感器，如圖3 所示，型號(hào)為CH-HALL3AHD802F，該傳感器為三軸磁傳感器，頻響范圍為DC-30kHz.

圖3　三維霍爾磁傳感器CH-HALL 3AHD802FFig.3　The magnetic sensor: CH-HALL 3AHD802F

依據(jù)霍爾效應(yīng)原理，該傳感器感應(yīng)外界空間磁場(chǎng)分布，并輸出感應(yīng)電壓信號(hào). 該電壓信號(hào)進(jìn)一步經(jīng)過(guò)前端信號(hào)調(diào)理，包括低通濾波和放大，以增大輸出信號(hào)的信噪比、減小環(huán)境磁場(chǎng)噪音影響，最終傳遞給數(shù)據(jù)采集模塊. 鑒于該傳感器的3個(gè)通道分布輸出正負(fù)雙極性信號(hào)，本文選用16b雙極性、同步采樣芯片AD7606-F4作為數(shù)據(jù)采集芯片，如圖4 所示. 以此為基礎(chǔ)搭建信號(hào)采集電路. 該電路模塊工作電壓5V，數(shù)據(jù)采集精度為16b，輸入電壓范圍為±5V.

圖4　AD7606-F4數(shù)據(jù)采集電路Fig.4　The data acquisition circuit of AD7606-F4

2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

磁檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)包括上位機(jī)操作界面和下位機(jī)控制程序兩個(gè)部分，其中上位機(jī)控制界面完成用戶(hù)控制指令和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的輸入，以及采集數(shù)據(jù)和位置信息的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)； 下位機(jī)控制程序主要將掃描檢測(cè)運(yùn)動(dòng)算法轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集指令，直接控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，并完成上下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信等.

2.1上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

上位機(jī)控制顯示界面在MicrosoftVisualStudio2010(VS2010)開(kāi)發(fā)環(huán)境下完成，建立在“基于對(duì)話框”的VSMFC工程之上，主要調(diào)用VS的圖形用戶(hù)界面(GUI)編程模塊，由多個(gè)獨(dú)立的功能控件布局完成. 該上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能： 串口通信協(xié)議設(shè)定、下位機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)定、運(yùn)動(dòng)形式的控制、磁場(chǎng)數(shù)據(jù)和位置信息的實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等.

上下位機(jī)之間的串口通信通過(guò)調(diào)用MFCActiveX控件下的“MicrosoftCommunicationsControl,version6.0”得以實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)串口控件事件處理程序“OnCommTest()”的編程實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的確定. 在整個(gè)軟件架構(gòu)中需要考慮到： 串口通信協(xié)議的配置、全局變量的定義、GUI前端數(shù)據(jù)的傳遞以及下位機(jī)數(shù)據(jù)的接收、顯示與存儲(chǔ)等. 該上位機(jī)控制軟件的程序設(shè)計(jì)流程如圖5 所示.

圖5　上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)程序流程圖Fig.5　Theflow chart of the user-interface software

為了面向不同大小的檢測(cè)對(duì)象，不同目標(biāo)的掃描區(qū)域，上位機(jī)程序的編寫(xiě)秉承多參數(shù)可調(diào)節(jié)的原則，最大程度上實(shí)現(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化. 針對(duì)特定的檢測(cè)對(duì)象，檢測(cè)系統(tǒng)用戶(hù)主要完成上位機(jī)的相關(guān)設(shè)置和操作，其中包括： 根據(jù)待測(cè)對(duì)象的放置位置，設(shè)置合適的單步運(yùn)行速度和距離，通過(guò)單步運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)掃描零點(diǎn)的設(shè)置； 根據(jù)待測(cè)對(duì)象的尺寸大小，結(jié)合掃描運(yùn)動(dòng)的步長(zhǎng)和掃描點(diǎn)數(shù)，確定掃描終點(diǎn). 圖6 給出了設(shè)計(jì)的上位機(jī)操作界面.

圖6　上位機(jī)操作界面Fig.6　The user-interface

2.2掃描檢測(cè)算法研究及下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

傳統(tǒng)的磁場(chǎng)檢測(cè)常借助磁強(qiáng)計(jì)或磁通門(mén)計(jì)等手持式檢測(cè)儀，這種檢測(cè)方法有簡(jiǎn)單便捷，儀器便攜、功耗低等優(yōu)勢(shì)[16]，但在面向大規(guī)模檢測(cè)樣件或者對(duì)檢測(cè)效率要求較高的場(chǎng)合，檢測(cè)效率低、檢測(cè)效果差. 本文在下位機(jī)微控制器控制三維機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，研究針對(duì)特定檢測(cè)區(qū)域的掃描式快速檢測(cè)算法，通過(guò)單片機(jī)控制器的快速運(yùn)算和處理，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成對(duì)設(shè)定檢測(cè)區(qū)域的自動(dòng)掃描檢測(cè).

圖7　掃描檢測(cè)運(yùn)動(dòng)算法示意圖Fig.7　The algorithm diagram of scanning detection movement

點(diǎn)陣式掃描檢測(cè)來(lái)源于像素點(diǎn)對(duì)圖像的重構(gòu)，本檢測(cè)系統(tǒng)針對(duì)某一檢測(cè)區(qū)域的磁場(chǎng)分布情況，并希望獲得被測(cè)區(qū)域的直觀檢測(cè)圖像，符合點(diǎn)陣式掃描的本質(zhì). 該方法的實(shí)現(xiàn)需要適當(dāng)?shù)膱D形生成算法，所謂圖形生成算法是指綜合考量檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集流程和對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，最終以某種形式盡可能地輸出最接近理想的線、面或體圖形. 對(duì)于面掃描算法，對(duì)于圖形的精度、算法時(shí)間復(fù)雜性和空間復(fù)雜性是重要的3個(gè)方面[17]，要確保根據(jù)不同的檢測(cè)對(duì)象快速完成算法運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制.

對(duì)于點(diǎn)陣式掃描檢測(cè)，首先需要根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的大小和在檢測(cè)平臺(tái)上的放置情況，確定掃描優(yōu)先級(jí)[18]，對(duì)于本系統(tǒng)而言包括X方向優(yōu)先和Y方向優(yōu)先，不同的優(yōu)先級(jí)針對(duì)不同的被檢測(cè)區(qū)域或檢測(cè)指標(biāo)要求. 以X方向優(yōu)先為例，將實(shí)現(xiàn)X-Y-…-Y-X或X-Y…-X-Y的“S”形檢測(cè)運(yùn)動(dòng)情況，下面針對(duì)所開(kāi)發(fā)的檢測(cè)系統(tǒng)做詳細(xì)說(shuō)明.

檢測(cè)系統(tǒng)硬件由于機(jī)械結(jié)構(gòu)確定，本身存在系統(tǒng)零點(diǎn)Os，當(dāng)被測(cè)區(qū)域確定后，則檢測(cè)零點(diǎn)Od(X1,Y1,Z1)得以確定. 接下來(lái)需要根據(jù)上位機(jī)控制軟件中的單步運(yùn)動(dòng)模塊，將傳感器運(yùn)動(dòng)至檢測(cè)零點(diǎn)Od處，該過(guò)程中可調(diào)節(jié)設(shè)置： 直接運(yùn)動(dòng)位移X1, Y1和Z1(粗略定位)，或單步運(yùn)行dx, dy和dz(精確定位)，及運(yùn)行速度vx, vy和vz.

確定掃描零點(diǎn)Od后，進(jìn)一步根據(jù)被測(cè)區(qū)域的大小(L*W)確定掃描終點(diǎn)A或B，該過(guò)程可調(diào)節(jié)設(shè)置： 掃描間距Dx和Dy，掃描速度Vx和Vy，且滿(mǎn)足對(duì)應(yīng)關(guān)系

式中： 當(dāng)Ny為偶數(shù)時(shí)，掃描檢測(cè)的終點(diǎn)為點(diǎn)A(X2,Y2,Z1)； 當(dāng)Ny為奇數(shù)時(shí)，掃描檢測(cè)的終點(diǎn)為B(X1,Y2,Z1). 經(jīng)過(guò)上述遍歷式掃描檢測(cè)點(diǎn)后，傳感器最終將位于掃描終點(diǎn)A或者B處，進(jìn)一步根據(jù)程序算法，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)將執(zhí)行返回路徑BackA或BackB以返回掃描零點(diǎn)，等待下次運(yùn)動(dòng)指令.

當(dāng)掃描優(yōu)先級(jí)確定為Y方向優(yōu)先時(shí)，其掃描檢測(cè)算法相同，只是在程序執(zhí)行上需完成另一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)邏輯轉(zhuǎn)換和相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制.

本系統(tǒng)以STM32F103型MCU為下位機(jī)控制器，其軟件編寫(xiě)要實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制功能、與上位機(jī)的通訊功能、數(shù)據(jù)采集與處理功能及邏輯算法實(shí)現(xiàn)功能等. 整個(gè)程序在IAREmbeddedWorkbench開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編譯和調(diào)試，各功能采用模塊化設(shè)計(jì)，與三維機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)聯(lián)合調(diào)試，來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能. 圖8 給出了下位機(jī)的控制程序流程圖.

圖8　下位機(jī)控制程序流程圖Fig.8　Theflow chart of the MCU

3實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證該檢測(cè)系統(tǒng)的掃描運(yùn)動(dòng)性能和磁場(chǎng)檢測(cè)能力，分別對(duì)圓柱形永磁體和蹄形磁體進(jìn)行了檢測(cè)，如圖9 和圖10 所示. 該檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)上位機(jī)控制軟件自動(dòng)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)中，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包括6個(gè)文件： 磁場(chǎng)(Bx, By, Bz)和與該磁場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)(x,y,z)，通過(guò)對(duì)掃描檢測(cè)算法和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式的分析，將檢測(cè)結(jié)果以空間磁場(chǎng)矢量分布和掃描平面磁場(chǎng)大小云圖的形式給出.

通過(guò)檢測(cè)結(jié)果可知，無(wú)論尺寸較小的圓柱形磁體，還是較大的蹄形磁體，矢量分布圖與實(shí)際磁場(chǎng)分布情況相一致，且可以從任意剖面上展示磁場(chǎng)的大小或方向情況. 與此同時(shí)，掃描平面磁場(chǎng)大小云圖則可以更加直觀地給出某一個(gè)平面上磁場(chǎng)的大小分布情況，云圖顏色的區(qū)別給出平面內(nèi)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱分布.

圖9　圓柱形永磁體及表磁檢測(cè)結(jié)果Fig.9　The detecting results of cylindrical permanent magnet

圖10　蹄形永磁體及表磁檢測(cè)結(jié)果Fig.10　The detectingresults of horseshoe magnet

4結(jié)論

本文研究了一種基于STM32的磁檢測(cè)系統(tǒng)，搭建了該系統(tǒng)軟硬件. 該系統(tǒng)能夠完成對(duì)運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)的掃描檢測(cè)，各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)均可在一定范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，三維霍爾磁傳感器檢測(cè)空間磁場(chǎng)的三維信息，檢測(cè)過(guò)程中的空間位置和磁場(chǎng)信號(hào)可在上位機(jī)中實(shí)時(shí)顯示，后期數(shù)據(jù)處理能夠給出直觀的空間磁矢量分布圖和平面磁場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、高效，檢測(cè)結(jié)果直觀、可靠，能在漏磁檢測(cè)、渦流磁場(chǎng)無(wú)損檢測(cè)及其他磁場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用方面起到重要作用.

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MagneticDetectionSystemBasedonMCUSTM32andtheScanningDetectionAlgorithmResearch

HOUHuaan1,YIZhong2,WANGSansheng3

(1.SchoolofInstrumentationScienceandOpto-electronicsEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191,China;2.ScienceandTechnologyonReliabilityandEnvironmentalEngineeringLaboratory,BeijingInstituteofSpacecraftEnvironmentEngineering,Beijing100094,China;3.SpacecraftMagnetism&SuperconductingTechnologyJointLaboratory,BeihangUniversity,Beijing100191,China)

Abstract:Combined with technologies of electromagnetic detecting, sensor, signal processing and micro-controller, a magnetic detection system was designed based on MCU STM32, including PC control-software, micro-controller, magnetic sensors and a 3D mechanical movement platform. By using a RS232 communication interface, the system can receive the commands from users by the PC control-software, and transmit the magnetic field/coordinates signals back. A scanning detection algorithm was researched to realize multi-parameters adjustable, efficient and dot-by-dot scanning movement based on the principle of stepper-motor controlling. A 3D hall magnetometer can detect the size as well as the direction of the magnetic field. It has been demonstrated by the experimental results that the system runs stably, reliably and efficiently, while the detection results can correctly reflect the magnetic information.

Key words:STM32; electro-magnetic detection; scanning algorithm; magnetic-vector distribution; magnetic cloud

文章編號(hào):1671-7449(2016)04-0313-09

收稿日期：2015-11-09

作者簡(jiǎn)介：侯化安(1988-)， 男， 碩士， 主要從事先進(jìn)傳感技術(shù)、磁測(cè)量、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等研究.

中圖分類(lèi)號(hào):TL65+5； TN710-34； TM383.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.04.006