基于磁阻傳感器的旋轉彈轉速測量系統(tǒng)設計

蘇樹清，李錦明，李錫廣

（中北大學電子測試技術國防科技重點實驗室，山西太原 030051）

0 引言

旋轉彈是一種重要的陸軍火力壓制手段，其旋轉體制能有效減小由于氣動外形的不對稱、質量偏心等引起的落點誤差［1，2］。旋轉彈依靠旋轉來保持飛行過程中的穩(wěn)定，也依靠旋轉來保持它射向的高精度。因此，旋轉彈飛行過程中轉速的獲取對其性能分析就顯得尤為重要。地球和近地空間存在的磁場，稱為地磁場。地磁場是一個具有方向性的弱磁場。地球磁場比較穩(wěn)定，彈體在飛行過程中始終處于地磁場中，可利用地磁傳感器采集彈丸在地磁場的信號。由于彈丸在飛行的過程中，不宜進行實時分析，所以，將采回的數(shù)據(jù)先進行保存，等彈丸擊中立靶后，取出電路板，將保存的數(shù)據(jù)調出分析、處理，就可以計算出旋轉彈飛行過程中的轉速?；诖耍疚奶岢鲆环N主要由HMC1043三軸磁阻傳感器、PIC24FV32KA301單片機和串行閃存AT25FS040構成的旋轉彈轉速測量系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)主要由三軸磁阻傳感器、信號調理電路、A/D轉換、FLASH存儲器、微控制器和上位機組成。系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖Fig 1 Block diagram of overall design of system

三軸磁阻傳感器把傳感軸方向的入射磁場強度轉換為差動電壓輸出，這些電壓信號經(jīng)信號調理電路處理后傳輸?shù)絾纹瑱C的模擬輸入端，通過單片機內置的A/D轉換器進行模數(shù)轉換，轉換后的數(shù)字量傳輸?shù)紽LASH存儲器中進行存儲，方便系統(tǒng)隨時從FLASH中調取數(shù)據(jù)進行分析、處理。

1．1 HMC1043磁阻傳感器及其置位/復位電路

霍尼韋爾HMC1043型傳感器是一種小型三軸表面安裝的傳感器序列系統(tǒng)，適用于低磁場磁性傳感，采用霍尼韋爾各向異性磁阻（AMR）技術。這種傳感器是極靈敏的低磁場、固態(tài)磁傳感器，可用來測量地球磁場的方向和從數(shù)十μGs到6 Gs的強度等級。

HMC1043傳感器內部有3個惠斯通電橋，如圖2所示。當置于變化的外加磁場中時，由鎳鐵合金制成的電橋電阻阻值將會發(fā)生變化，從而在電橋的測量端輸出一個差分的電壓值。通過測量這個差分電壓就能得出磁場在該電橋電阻方向上的相對值的變化［3］。

圖2 HMC1043傳感器內部惠斯通電橋示意圖Fig 2 Schematic diagram of internal Wheatstone bridge of HMC1043 sensor

當磁阻傳感器暴露于超過10×10－4T的干擾磁場中時，傳感器內部磁疇的極化方向被打亂，傳感器的輸出特性隨之改變，靈敏度降低。為了消除這種影響并使輸出信號達到最佳，利用置位和復位脈沖電流，使內部磁疇的極化方向統(tǒng)一，以抵消干擾磁場。

本系統(tǒng)設計的置位/復位電路如圖3所示。由單片機提供一個SET/RESET（置位/復位）控制脈沖，通過開關管IRF7509作用，經(jīng)一電容連接到磁阻傳感器的SR+端。

圖3 置位/復位電路Fig 3 Set/reset circuit

1．2 電源模塊設計

由于PIC24FV32KA301單片機需要+3．3 V的供電電壓，因此，通過LDO穩(wěn)壓芯片將電壓由+5 V降至+3．3 V，其電路原理圖如圖4所示。LDO穩(wěn)壓芯片選用TI公司的TPS73733，其輸出電壓為+3．3 V，輸出電壓精度可以達到±0．5%，電源抑制比（PSSR）更是高達58 dB，滿足使用要求。

1．3 信號調理電路設計

1．3．1 放大電路設計

圖4 3．3 V電源電路原理圖Fig 4 Principle diagram of 3．3 V power circuit

由于HMC1043磁阻傳感器輸出的電壓信號比較微弱，須先進行放大。由于傳感器選取放大器需要考慮的因素有:開環(huán)增益、帶寬、精度、功耗、溫漂范圍、噪聲容限等。比較幾種儀表放大器的參數(shù)，選用了TI公司的高精度的儀表放大器INA128。它具有以下特點:1）使用簡單:只需要一個電阻就可以方便地調節(jié)放大倍數(shù)，放大范圍大;2）差動放大:可以消除背景噪聲，適合精度要求較高的場合［4］。

放大器原理圖如圖5所示，將傳感器的輸出OUT+，OUT－分別與運放的VIN－，VIN+相連。放大倍數(shù)G由引腳1和8之間的電阻RG決定

放大后的輸出為

圖5 放大電路原理圖Fig 5 Principle diagram of amplifier circuit

IN128的參考電壓基準直接影響著后續(xù)電路的精度，因此文中設計了其參考電壓電路。如圖6所示，選用微功耗、高精度的LDO基準電壓源ADR127為IN128提供+2．5 V參考電壓。

圖6 參考電壓電路Fig 6 Reference voltage circuit

1．3．2 濾波電路設計

圖7 低通濾波電路原理圖Fig 7 Principle diagram of low-pass filtering circuit

1．4 數(shù)據(jù)存儲電路設計

傳感器采回的數(shù)據(jù)須先進行保存，方便做后續(xù)數(shù)據(jù)處理。本設計中選用ATMEL公司的AT25FS040作為存儲器。AT25FS040是4Mbits的串行閃存，具有先進的寫保護機制，支持速度高達50MHz的SPI總線的存取操作。數(shù)據(jù)保存長達20 a，每個扇區(qū)可擦寫/編程100000次。

PIC24FV32KA301與AT25FS040的硬件接口如圖8所示。其中，PIC單片機的SPI專用引腳SCK，SDI，SDO分別與閃存對應的引腳相連，存儲器的片選CS可與MCU的任意I/O腳相連，作為存儲器的片選信號。AT25FS040的HOLD直接接高電平，即不允許在CS有效的情況下暫停SPI通信。

圖8 AT25FS040硬件接口圖Fig 8 Schematic diagram of hardware AT25FS040 interface

2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計主要是完成的功能是在一定時間內以固定的采樣周期進行數(shù)據(jù)的采集。具體流程如圖9所示。

在開始采集數(shù)據(jù)之前須先進行開始計數(shù)操作，然后才能以系統(tǒng)設定的采樣周期進行數(shù)據(jù)的采集，直到接收到停止采集信號為止，記錄下此時計數(shù)寄存器中計數(shù)數(shù)值，即可知道采集時間。

3 測試結果與分析

3．1 置位/復位電路測試

由單片機發(fā)出一置位/復位脈沖，在傳感器電阻帶上測出置位/復位信號如圖10所示，可以看出:脈沖能達到600 mA以上，滿足要求。

3．2 系統(tǒng)性能測試

圖9 數(shù)據(jù)采集程序流程圖Fig 9 Flow chart of data acquisition program

圖10 置位/復位信號圖Fig 10 Set/reset signal diagram

實驗設備采用三維無磁性轉臺，三維無磁性轉臺主體結構由木質和鋁質材料制作而成，可以有效避免擾亂轉臺周圍地磁場分布，為磁阻傳感器采集地磁信號提供了一個較穩(wěn)定的周邊磁場環(huán)境［5］?？赏ㄟ^調節(jié)轉臺旋鈕來調節(jié)變頻電機的電源輸入頻率以設定滾轉軸的轉速，模擬彈體的高速旋轉運動。本實驗所采用的三維無磁性轉臺最高轉速為20 r/s。

由HMC1043磁阻傳感器的工作原理可知，傳感器輸出的差分電壓的波形是呈周期性變化的正弦波，正弦波的周期就是彈丸旋轉一周的時間，計算出一定時間內正弦波峰或波谷值點的個數(shù)就可以計算出旋轉彈飛行過程中的轉速。測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同轉速測試記錄Tab 1 Test records of different rotating speed

由表1可知，實測轉速與實際轉速有偏差，并且在一定范圍內，誤差大致隨著轉速的提高而減小。這是因為不能保證采集到的所有數(shù)據(jù)在每個采樣周期內都完整，計數(shù)開始和結束時間附近所采集到的數(shù)據(jù)可能只是一周期數(shù)據(jù)的一部分，并且采集到的數(shù)據(jù)可能還未到峰值點，這樣系統(tǒng)就會忽略這些數(shù)據(jù)，從而影響精度。實驗表明，本文中提出的旋轉彈轉速測量系統(tǒng)可以用于測量旋轉彈的轉速。

4 結束語

該系統(tǒng)以PIC24FV32KA301單片機為控制核心，采用HMC1043三軸磁阻傳感器進行地磁信號的采集，利用單片機內置的A/D轉換器對數(shù)據(jù)進行轉換，之后送入串行閃存進行保存，系統(tǒng)可隨時從串行閃存中調取數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C進行顯示、分析和處理。測試結果表明:所設計的轉速測量系統(tǒng)，能比較準確地獲得彈丸轉速，達到了預期的效果。

［1］ 蘇 中，付國棟．滾轉彈的姿態(tài)解算研究［J］．北京信息科技大學學報，2009，24（2）:9 －13．

［2］ 李興城，牛宏宇．基于磁阻傳感器的旋轉彈姿態(tài)測量算法研究［J］．計算機仿真，2012，29（5）:51 －54．

［3］ 朱榮華，林新華，孔德義，等．三維磁阻式電子羅盤的研制［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2010，29（12）:102 －104．

［4］ 劉曉娜．地磁傳感器及其在姿態(tài)角中的應用［D］．太原:中北大學，2008．

［5］ 楊 青．高速旋轉彈轉速/速度參數(shù)測試技術研究［D］．太原:中北大學，2010．