基于CS5532的數(shù)字化弱磁場傳感器的研究

重慶大學(xué)電氣工程學(xué)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(xué)電氣工程學(xué)院 李昭昱

【摘要】弱磁場是我們生活及科學(xué)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(dá)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(jìn)行了介紹，并利用亥姆赫茲線圈對其性能進(jìn)行標(biāo)定與測試。實驗結(jié)果表明，該模塊測量準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)，那些不利于測量或成本較高的方法將會得到改進(jìn)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(dāng)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(dāng)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(jìn)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(dāng)磁敏電阻感知到磁場變化時，橋臂將不平衡，導(dǎo)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(jìn)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(dāng)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(jìn)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(jìn)制比率，當(dāng)FRS＝0時等于3840/ OWR,當(dāng)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(dāng)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(jìn)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(zhǔn)等。該adc進(jìn)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(biāo)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(jìn)行標(biāo)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(biāo)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(jìn)行測試及標(biāo)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(dǎo)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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