于勇吉，林春生

(海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院，湖北 武漢 430031)

0 引言

現(xiàn)代艦船主要由鋼鐵材料制成，而當(dāng)鐵磁性物體長時間放置于地球磁場中會產(chǎn)生磁化效應(yīng)，即鐵磁體的周圍空間會產(chǎn)生一個附加的磁場。由此艦船在海洋環(huán)境中引起的磁場稱為艦船磁場[1]。當(dāng)前，海洋中船舶磁性探測主要是利用船舶的靜磁場(也稱為磁異常)，即地磁場對鐵磁性船舶的磁化所改變的船舶原周圍空間的磁場分布[2]。各海洋軍事強(qiáng)國已經(jīng)發(fā)展了多種成熟的磁異常探測裝備，如機(jī)載式、浮標(biāo)式和海底固定式等[3]。本文在此背景下，設(shè)計了一種以PNI公司的RM3100磁傳感器作為探測元件，并通過單片機(jī)控制的艦船磁場測量系統(tǒng)。

1 PNI磁傳感器

磁傳感器為PNI公司生產(chǎn)的RM3100型三軸磁感應(yīng)式磁強(qiáng)計。PNI磁感傳感器具有低功耗、抗噪性能好、高分辨率(最小分辨率可以達(dá)到13 Nt)、溫漂小和尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，并且配備有集成度較高的專用驅(qū)動模塊 3D Mag IC。驅(qū)動模塊內(nèi)部集成施密特采樣器，能夠?qū)?個軸的磁場依次測量并直接輸出16位數(shù)字磁場信號，在結(jié)構(gòu)上避免了信號放大調(diào)理與A/D轉(zhuǎn)換電路。

RM3100磁傳感器具有靈活可選擇的工作模式，不同工作模式下具有不同的性能指標(biāo)。在RM3100磁傳感器開始測量前需要通過與微處理器通信，進(jìn)行測量模式選擇。RM3100由3個感應(yīng)線圈組成，其中2 個SEN-XY-f線圈采用正交布局，都是水平焊接，分別負(fù)責(zé)測量地磁場的X軸和Y軸分量；SEN-Z-f線圈豎直焊接，負(fù)責(zé)測量地磁軸Z軸分量。如圖1所示，為3個磁傳感器的布局視圖。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

艦船磁場測量系統(tǒng)主要由磁傳感器、單片機(jī)控制模塊、串口通訊模塊和電源模塊組成。系統(tǒng)組成原理框圖如圖2所示。

圖2中，RM3100磁傳感器輸出磁場的數(shù)字信號通過單片機(jī)控制，將采集結(jié)果經(jīng)串口通訊模塊傳給上位機(jī)接收顯示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括4個部分：磁傳感器模塊電路、單片機(jī)控制模塊電路、串口通訊模塊電路和電源模塊電路。

1) 磁傳感器模塊電路設(shè)計。

磁傳感器模塊的主要功能是進(jìn)行艦船磁場的測量，并把三軸傳感器采集到的模擬磁場信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸出。

RM3100磁傳感器由分立感應(yīng)線圈與驅(qū)動測量芯片3D MagIC組成。電路中通過3個PNI磁感傳感器(SEN-X，SEN-Y，SEN-Z)實(shí)現(xiàn)三維磁場的測量。在與微控制單元通信時，本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)測量模式，能夠?qū)?個軸的磁場依次測量，響應(yīng)時間較短，達(dá)到 15～30 ms。驅(qū)動測量芯片支持SPI和I2C兩種通訊模式，不同通訊模式對應(yīng)不同的通訊電路。本文選擇SPI通訊方式，如圖3所示，為選擇SPI通訊模式下的磁傳感器模塊電路。

2)單片機(jī)控制模塊電路設(shè)計。

單片機(jī)控制模塊為磁場測量系統(tǒng)的控制核心。本系統(tǒng)采用STC15系列單片機(jī)作為中央控制單元，其主要功能為處理磁傳感器傳輸來的信號數(shù)據(jù)，并通過串口232與上位機(jī)進(jìn)行通信。

單片機(jī)作為控制單元，通過MOSI和MISO 2個接口與磁傳感器的驅(qū)動測量芯片3D MagIC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。MOSI接口數(shù)據(jù)由主設(shè)備(單片機(jī))傳入驅(qū)動芯片，MISO則是將數(shù)據(jù)從驅(qū)動芯片傳出單片機(jī)中，由此形成控制的交互方式。SCLK接口為傳輸SPI同步串行接口的時鐘信號，與驅(qū)動芯片時鐘相連進(jìn)行時序的控制。

在單片機(jī)中，將串口設(shè)置在RxD和TxD 2個接口處，以此與RS232進(jìn)行串口通信[4]。將處理后的磁信號數(shù)據(jù)經(jīng)RS232傳遞給上位機(jī)。圖4為單片機(jī)控制模塊的原理電路。

單片機(jī)控制模塊中設(shè)置復(fù)位電路用于單片機(jī)的重置使用，使運(yùn)行的程序恢復(fù)初始狀態(tài)[5]。

3)串口通訊模塊電路設(shè)計。

串口通訊模塊采用RS232接口設(shè)計。該模塊電路采用Max3223芯片以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制單元和RS232接口直接的電平轉(zhuǎn)化。

連接時Max3223芯片的ROUT1端和TIN1端分別和單片機(jī)的RxD端和TxD端相接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。芯片的TOUT1端和RIN1、RS232接口相連接。

4)電源分配模塊電路設(shè)計。

電源分配模塊為磁傳感器模塊，單片機(jī)控制模塊和串口通訊模塊提供電源。本系統(tǒng)采用+3.3 V的工作電壓，由線性穩(wěn)壓器AMS1117-3.3提供。AMS1117片內(nèi)過熱切斷電路，提供了過載和過熱保護(hù)，以防止環(huán)境溫度造成過高的結(jié)溫，損壞芯片[6]。為了確保AMS1117的穩(wěn)定性，輸入輸出都需要連接濾波電容。

4 水池測量試驗

用本檢測系統(tǒng)分別對環(huán)境磁場和船模進(jìn)行測量。實(shí)驗條件包括無磁性實(shí)驗水池、滑軌、船模和磁場測量系統(tǒng)。首先通過環(huán)境磁場的測量測試系統(tǒng)的性能指標(biāo)，再進(jìn)行船模試驗驗證信號檢測系統(tǒng)的實(shí)用價值。

4.1 環(huán)境磁場測量

將檢測系統(tǒng)靜止放置，測量出環(huán)境磁場在時域的數(shù)據(jù)。這里以X軸為例，環(huán)境磁場如圖5所示。

對環(huán)境磁場進(jìn)行濾波處理，得到如圖6所示的磁場信號波形。

從圖6可知本信號檢測系統(tǒng)可以達(dá)到10～20 nT范圍的檢測精度。為進(jìn)一步驗證系統(tǒng)的實(shí)用性，進(jìn)行了船模通過試驗。

4.2 船模實(shí)驗

用船模進(jìn)行了水池試驗測量艦船磁場信號。試驗中將船模沿著傳感器X軸方向移動，傳感器放置于距船模1.5 m處。船模如圖7所示。

測量時將船模緩慢移動通過PNI傳感器，記錄的X軸磁場數(shù)據(jù)如圖8所示。通過濾波處理得到平滑的磁場信號時域圖，如圖9所示。

從圖8、圖9可知在初始狀態(tài)時由于系統(tǒng)不穩(wěn)定產(chǎn)生較大噪聲干擾，3 s之后得到船模通過磁場數(shù)據(jù)特征?？紤]到實(shí)驗環(huán)境的磁場干擾，為了更清楚反映出船模磁場的特征，對信號數(shù)據(jù)進(jìn)行了頻域分析。對信號頻譜進(jìn)行濾波處理得到船模的頻譜特征圖，如圖10所示。

從圖10中可以看出頻譜的基頻成分主要分布在1 Hz以下，而其他頻段頻譜特征不明顯。根據(jù)艦船磁場信號屬于極低頻信號，頻率范圍在0～1.00 Hz[7-8]，可知系統(tǒng)檢測到船模磁場信號。

5 結(jié)束語

通過水池試驗驗證了該檢測系統(tǒng)能夠測得艦船磁場信號，但是由于環(huán)境干擾，艦船磁場特征不明顯，需要繼續(xù)濾除環(huán)境磁場等影響因素進(jìn)行頻域分析。該檢測系統(tǒng)尺寸小、便攜性強(qiáng)，既可以應(yīng)用于固定式磁場測量上，還能設(shè)計為水中兵器的引信源，可擴(kuò)展性較強(qiáng)，具有豐富的應(yīng)用場景意義。