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)重點實驗室，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)合實驗室，北京 100191)

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基于STM32的磁檢測系統(tǒng)和掃描檢測算法研究*

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)重點實驗室，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)合實驗室，北京 100191)

摘要:結(jié)合電磁檢測、傳感器技術(shù)、信號處理和單片機技術(shù)，研究開發(fā)了一種基于STM32的磁檢測系統(tǒng). 該系統(tǒng)主要包括上位機控制軟件、下位機微控制器、磁傳感器模塊和機械運動平臺等，其中上下位機間進行串口通信，完成運動參數(shù)和控制指令的設(shè)置及掃描位置信息和檢測磁場信息的存儲和實時顯示； 通過對掃描運動算法的研究，結(jié)合步進電機控制原理，實現(xiàn)了多參數(shù)可調(diào)節(jié)、點陣式、空間大區(qū)域的掃描運動； 三維霍爾磁傳感器實現(xiàn)對空間任意位置磁場矢量的檢測，同時反映磁場的大小和方向信息. 該系統(tǒng)的檢測實驗結(jié)果表明： 磁場檢測數(shù)據(jù)完整，能夠展現(xiàn)磁場的空間矢量分布和平面云圖分布； 三維掃描式檢測運行平穩(wěn)、參數(shù)設(shè)置靈活多變； 整個檢測系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)對目標區(qū)域磁場的有效、快速檢測.

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

隨著機械、電子、通信、計算機等技術(shù)的飛速發(fā)展，電磁學(xué)知識的應(yīng)用越來越多，對于磁場的研究不斷深入. 磁場量技術(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、脈沖渦流無損檢測、生物醫(yī)療檢測和電磁導(dǎo)航等應(yīng)用方向更是層出不窮[2-7]. 另外，近年來隨著手機、電腦、平板電腦等電子設(shè)備的普及，越來越多的電子設(shè)備隨時隨地的圍繞在我們周圍. 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植贾絹碓蕉嗟拇艌?，而這些磁場的存在會對我們的身體及周圍環(huán)境產(chǎn)生或大或小的影響. 無論是電磁檢測技術(shù)的多方面應(yīng)用，還是越來越錯綜復(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的磁場分布是在磁應(yīng)用方面的基本問題.

磁場測量技術(shù)起源已久，早在我國東漢時期就有著名學(xué)者王允著有《論衡》一書，書中介紹了用于磁場測量的司南，后經(jīng)演變?yōu)橹牧_盤，并被廣泛應(yīng)用于航海中[1]. 羅盤的應(yīng)用僅僅局限在對地磁場方向的感應(yīng)，只是對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測量需求的提高，對磁場的檢測信息要求更加全面、豐富. 常見的磁檢測裝置一般為單軸雙向磁強計，結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，一般能夠檢測磁場的大小和單軸上的正負方向，且僅面向某一個檢測點，但對于特殊應(yīng)用場合，如手機、電腦或平板電腦等電子設(shè)備對于身體植入心臟起搏器的患者[8]，磁場的分布區(qū)域、大小和方向的區(qū)別對其都有著顯著的影響效果.

就磁場測量系統(tǒng)的開發(fā)而言，吉林大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院的張敬波等人對基于霍爾效應(yīng)的智能磁場測量儀進行了研究，可實現(xiàn)對穩(wěn)恒場，交變場正負峰值及峰峰值和頻率，脈沖場峰值的測量[9]； 中國科學(xué)院電工研究所的陳繼中等人針對空間磁場的自動測量展開研究，他們開發(fā)的全自動磁場測量分布儀采用測量儀器和計算機相結(jié)合的方式，實現(xiàn)了自動化和數(shù)字化的磁場測量系統(tǒng)[10]； 國防科技大學(xué)的陳棣湘提出了一種利用差動方式連接的6個霍爾元件構(gòu)成三維磁場精密測量系統(tǒng). 該系統(tǒng)應(yīng)用壓頻變換器完成數(shù)據(jù)采集，并實現(xiàn)了對溫度變化的補償，整個系統(tǒng)可達到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四坐標運動機構(gòu)及數(shù)據(jù)采集單元的永磁體的表面磁場分布測量和分析系統(tǒng)，其測量結(jié)果可實時顯示和查詢[12]. 該研究成果已應(yīng)用于“磁場分布自動測量儀”的實際產(chǎn)品中.

本文介紹的基于STM32的磁檢測系統(tǒng)，以三維空間磁矢量檢測為基礎(chǔ)，結(jié)合微控制器信號處理和運動控制技術(shù)，實現(xiàn)對空間內(nèi)三維磁矢量信息的檢測，且面向較大型檢測對象時可借助三維機械運動平臺，以點陣式掃描檢測形式自動完成對設(shè)定區(qū)域的一次性連續(xù)檢測，檢測效率高、檢測信息豐富、檢測結(jié)果直觀可靠.

1硬件電路設(shè)計與搭建

1.1磁檢測系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)磁檢測系統(tǒng)設(shè)計要求，首先能夠?qū)崿F(xiàn)對空間特定區(qū)域磁場的掃描檢測，且檢測數(shù)據(jù)能夠反映磁場的大小和方向信息，其次應(yīng)盡量做到結(jié)構(gòu)簡單、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作為磁檢測探頭，采集空間某點3個維度上的磁場信息； 運動定位系統(tǒng)采用三軸龍門式機械滑臺，以57步進電機為執(zhí)行機構(gòu)，TB6560步進電機驅(qū)動器為電機驅(qū)動組件； 上位機基于VS程序開發(fā)平臺，以面向?qū)ο蟮某绦蜷_發(fā)方式，借助GUI控制界面，完成運動控制、數(shù)據(jù)傳遞、數(shù)據(jù)處理及顯示； 上下位機間實現(xiàn)RS232串口通信，通信協(xié)議簡單，操作方便.

該檢測系統(tǒng)可概括為3個主要部分，即傳感器部分、三維機械運動部分和控制部分.

1.2下位機微控制器外圍電路

STM32系列單片機是基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計的ARMCortex-M3內(nèi)核，時鐘頻率可達到72MHz，內(nèi)置32～128K的閃存，根據(jù)不同型號其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，當時鐘頻率72MHz時，閃存執(zhí)行代碼STM32功耗36mA，是32b產(chǎn)品中功耗最低的，相當于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)的開發(fā)與調(diào)試.

本文選用的STM32F103C8T6型號，資源豐富，可擴展性強，能夠?qū)崿F(xiàn)磁檢測系統(tǒng)的三維機械運動控制和三維磁場數(shù)據(jù)采集等功能. 該控制器供電電壓為2.0～3.6V，CPU工作頻率最大可達到72MHz，具有單周期的乘法指令和硬件觸發(fā)及優(yōu)先級可編程的中斷系統(tǒng). 另外，它還具有20KB的SRAM存儲器和64KB的FLASH存儲器，片內(nèi)集成了看門狗、定時器、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、性價比高等優(yōu)點[13].

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

結(jié)合磁檢測系統(tǒng)的應(yīng)用需求，調(diào)用該控制器的3路通用定時器Timer2，Timer3和Timer4，并配置相應(yīng)的輸出GIPO，以程控方式向3路步進電機驅(qū)動器輸出PWM脈沖信號，控制電機轉(zhuǎn)動； 為了實現(xiàn)對三維磁場傳感器信號的采集，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，實現(xiàn)與AD7606的SPI通信，完成磁場信號的采集； 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的阻抗匹配，保證系統(tǒng)有效、穩(wěn)定運行.

1.3機械運動平臺組件

機械運動平臺是一種集機械、光學(xué)、電子和計算機等多技術(shù)于一體的智能化儀器，它在先進制造技術(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、質(zhì)量控制和制造技術(shù)中不可或缺的測量設(shè)備[14]. 三維機械運動平臺是磁檢測系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，主要負責(zé)完成多種形式的空間運動，該機械平臺主要包括三維支架和光學(xué)平臺、運動滑軌、步進電機及其驅(qū)動器等.

三維支架和光學(xué)平臺采用3個一維機械平臺組成小型的龍門式機械結(jié)構(gòu)，其中X, Y方向上的滑臺采用履帶式傳送定位，運行平穩(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)動部分和導(dǎo)軌傳動部分，定位驅(qū)動部分由步進電機擔(dān)任，能把電能或其他形式的能量轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的運動和力； 導(dǎo)軌傳動部分則搭載傳感器，將電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的空間位移運動，實現(xiàn)空間運動或定位. 該機械平臺的相關(guān)參數(shù)指標見表1.

表1　三維機械運動平臺參數(shù)表

1.4磁傳感器模塊

常見的磁傳感器包括： 靈敏度最高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大且價格昂貴的超導(dǎo)量子干涉儀； 結(jié)構(gòu)簡單、制作方便但僅面向交變磁場測量的線圈磁傳感器； 分辨率高、魯棒性好，但體積較大、響應(yīng)頻率低的磁通門； 體積小、靈敏度高、線性好，但依賴新材料開發(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)以上磁傳感器特點分析，結(jié)合本文磁傳感器面向穩(wěn)恒、相對較大磁場檢測的需求，最終選用霍爾磁傳感器，如圖3 所示，型號為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)外界空間磁場分布，并輸出感應(yīng)電壓信號. 該電壓信號進一步經(jīng)過前端信號調(diào)理，包括低通濾波和放大，以增大輸出信號的信噪比、減小環(huán)境磁場噪音影響，最終傳遞給數(shù)據(jù)采集模塊. 鑒于該傳感器的3個通道分布輸出正負雙極性信號，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)計與開發(fā)

磁檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計與開發(fā)包括上位機操作界面和下位機控制程序兩個部分，其中上位機控制界面完成用戶控制指令和運動參數(shù)的輸入，以及采集數(shù)據(jù)和位置信息的實時顯示和存儲； 下位機控制程序主要將掃描檢測運動算法轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的運動控制和數(shù)據(jù)采集指令，直接控制步進電機驅(qū)動模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，并完成上下位機的數(shù)據(jù)通信等.

2.1上位機軟件設(shè)計與開發(fā)

上位機控制顯示界面在MicrosoftVisualStudio2010(VS2010)開發(fā)環(huán)境下完成，建立在“基于對話框”的VSMFC工程之上，主要調(diào)用VS的圖形用戶界面(GUI)編程模塊，由多個獨立的功能控件布局完成. 該上位機主要實現(xiàn)以下幾個功能： 串口通信協(xié)議設(shè)定、下位機運動參數(shù)的設(shè)定、運動形式的控制、磁場數(shù)據(jù)和位置信息的實時顯示和數(shù)據(jù)存儲等.

上下位機之間的串口通信通過調(diào)用MFCActiveX控件下的“MicrosoftCommunicationsControl,version6.0”得以實現(xiàn)，通過對串口控件事件處理程序“OnCommTest()”的編程實現(xiàn)通信協(xié)議的確定. 在整個軟件架構(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)的傳遞以及下位機數(shù)據(jù)的接收、顯示與存儲等. 該上位機控制軟件的程序設(shè)計流程如圖5 所示.

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

為了面向不同大小的檢測對象，不同目標的掃描區(qū)域，上位機程序的編寫秉承多參數(shù)可調(diào)節(jié)的原則，最大程度上實現(xiàn)檢測自動化. 針對特定的檢測對象，檢測系統(tǒng)用戶主要完成上位機的相關(guān)設(shè)置和操作，其中包括： 根據(jù)待測對象的放置位置，設(shè)置合適的單步運行速度和距離，通過單步運動控制實現(xiàn)掃描零點的設(shè)置； 根據(jù)待測對象的尺寸大小，結(jié)合掃描運動的步長和掃描點數(shù)，確定掃描終點. 圖6 給出了設(shè)計的上位機操作界面.

圖6　上位機操作界面Fig.6　The user-interface

2.2掃描檢測算法研究及下位機軟件設(shè)計與開發(fā)

傳統(tǒng)的磁場檢測常借助磁強計或磁通門計等手持式檢測儀，這種檢測方法有簡單便捷，儀器便攜、功耗低等優(yōu)勢[16]，但在面向大規(guī)模檢測樣件或者對檢測效率要求較高的場合，檢測效率低、檢測效果差. 本文在下位機微控制器控制三維機械運動平臺的基礎(chǔ)上，研究針對特定檢測區(qū)域的掃描式快速檢測算法，通過單片機控制器的快速運算和處理，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)完成對設(shè)定檢測區(qū)域的自動掃描檢測.

圖7　掃描檢測運動算法示意圖Fig.7　The algorithm diagram of scanning detection movement

點陣式掃描檢測來源于像素點對圖像的重構(gòu)，本檢測系統(tǒng)針對某一檢測區(qū)域的磁場分布情況，并希望獲得被測區(qū)域的直觀檢測圖像，符合點陣式掃描的本質(zhì). 該方法的實現(xiàn)需要適當?shù)膱D形生成算法，所謂圖形生成算法是指綜合考量檢測數(shù)據(jù)的采集流程和對采集數(shù)據(jù)的分析計算，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. 對于面掃描算法，對于圖形的精度、算法時間復(fù)雜性和空間復(fù)雜性是重要的3個方面[17]，要確保根據(jù)不同的檢測對象快速完成算法運算，實現(xiàn)運動控制.

對于點陣式掃描檢測，首先需要根據(jù)檢測對象的大小和在檢測平臺上的放置情況，確定掃描優(yōu)先級[18]，對于本系統(tǒng)而言包括X方向優(yōu)先和Y方向優(yōu)先，不同的優(yōu)先級針對不同的被檢測區(qū)域或檢測指標要求. 以X方向優(yōu)先為例，將實現(xiàn)X-Y-…-Y-X或X-Y…-X-Y的“S”形檢測運動情況，下面針對所開發(fā)的檢測系統(tǒng)做詳細說明.

檢測系統(tǒng)硬件由于機械結(jié)構(gòu)確定，本身存在系統(tǒng)零點Os，當被測區(qū)域確定后，則檢測零點Od(X1,Y1,Z1)得以確定. 接下來需要根據(jù)上位機控制軟件中的單步運動模塊，將傳感器運動至檢測零點Od處，該過程中可調(diào)節(jié)設(shè)置： 直接運動位移X1, Y1和Z1(粗略定位)，或單步運行dx, dy和dz(精確定位)，及運行速度vx, vy和vz.

確定掃描零點Od后，進一步根據(jù)被測區(qū)域的大小(L*W)確定掃描終點A或B，該過程可調(diào)節(jié)設(shè)置： 掃描間距Dx和Dy，掃描速度Vx和Vy，且滿足對應(yīng)關(guān)系

式中： 當Ny為偶數(shù)時，掃描檢測的終點為點A(X2,Y2,Z1)； 當Ny為奇數(shù)時，掃描檢測的終點為B(X1,Y2,Z1). 經(jīng)過上述遍歷式掃描檢測點后，傳感器最終將位于掃描終點A或者B處，進一步根據(jù)程序算法，運動平臺將執(zhí)行返回路徑BackA或BackB以返回掃描零點，等待下次運動指令.

當掃描優(yōu)先級確定為Y方向優(yōu)先時，其掃描檢測算法相同，只是在程序執(zhí)行上需完成另一個方向的運動邏輯轉(zhuǎn)換和相應(yīng)的運動控制.

本系統(tǒng)以STM32F103型MCU為下位機控制器，其軟件編寫要實現(xiàn)對步進電機的運動控制功能、與上位機的通訊功能、數(shù)據(jù)采集與處理功能及邏輯算法實現(xiàn)功能等. 整個程序在IAREmbeddedWorkbench開發(fā)環(huán)境下進行編譯和調(diào)試，各功能采用模塊化設(shè)計，與三維機械運動平臺聯(lián)合調(diào)試，來實現(xiàn)控制系統(tǒng)的各項功能. 圖8 給出了下位機的控制程序流程圖.

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

3實驗

為了驗證該檢測系統(tǒng)的掃描運動性能和磁場檢測能力，分別對圓柱形永磁體和蹄形磁體進行了檢測，如圖9 和圖10 所示. 該檢測系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)通過上位機控制軟件自動存儲在計算機硬盤中，存儲數(shù)據(jù)包括6個文件： 磁場(Bx, By, Bz)和與該磁場相對應(yīng)的檢測點坐標(x,y,z)，通過對掃描檢測算法和數(shù)據(jù)存儲形式的分析，將檢測結(jié)果以空間磁場矢量分布和掃描平面磁場大小云圖的形式給出.

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

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

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

4結(jié)論

本文研究了一種基于STM32的磁檢測系統(tǒng)，搭建了該系統(tǒng)軟硬件. 該系統(tǒng)能夠完成對運動空間內(nèi)的掃描檢測，各項運動參數(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空間磁場的三維信息，檢測過程中的空間位置和磁場信號可在上位機中實時顯示，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強度分布云圖.

實驗結(jié)果表明，該檢測系統(tǒng)運行穩(wěn)定、高效，檢測結(jié)果直觀、可靠，能在漏磁檢測、渦流磁場無損檢測及其他磁場檢測應(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:1671-7449(2016)04-0313-09

收稿日期：2015-11-09

作者簡介：侯化安(1988-)， 男， 碩士， 主要從事先進傳感技術(shù)、磁測量、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等研究.

中圖分類號:TL65+5； TN710-34； TM383.6

文獻標識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.04.006