數(shù)字式無線微弱磁場測量裝置設計

鄧鑫林，牛紅濤，隋良紅，李興貴，郭乃理

(1.四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065； 2.中國測試技術研究院，成都 610021；3.四川中測電子科技有限公司，成都 610052)

0 引言

當前社會下，隨著電動汽車的快速發(fā)展與推廣以及手機、電腦等電子產(chǎn)品的盛行，它們所帶來的電磁場輻射問題近年來受到了人民群眾的廣泛關注，所以民用電磁場檢測儀器成為了一種市場需求[1]。市場上大多數(shù)電磁場檢測設備是國外研制的，一般電磁場檢測設備是采用光纖作為信號傳輸?shù)拿浇?。但是由于光纖傳輸涉及的光電轉(zhuǎn)換設備比較昂貴，不適合普通大眾對電磁場檢測設備的低廉要求。另一方面，磁場測量裝置與電腦通信若采用導線連接，則電纜上的信號易受到電磁場的干擾，使得測量不準確。所以，磁場測量裝置采用藍牙無線傳輸。這樣，磁場測量裝置便可以與手機、電腦進行藍牙無線通訊，也可以跟藍牙打印機匹配后將磁場測量值打印出來[2]。

本文選用磁阻傳感器來感應被測磁場強度，具有靈敏度高、低功耗、低成本的優(yōu)點?；诟飨虍愋源抛栊拇抛鑲鞲衅髡饾u被應用在磁場強度測量、磁定位以及轉(zhuǎn)速測量、地磁場監(jiān)測等領域[3-4]。根據(jù)對電動汽車內(nèi)部磁場強度檢測需求分析，確定了磁場測量裝置的最低設計參數(shù)：磁場強度檢測范圍為±2Gs，分辨率為0.01Gs。通過本文研究，希望能夠設計出成本低廉、高靈敏度、高可靠性的智能化電磁場監(jiān)測儀器。

1 硬件設計

1.1 系統(tǒng)總體設計

圖1為裝置的系統(tǒng)總體設計框圖。磁場測量裝置采用基于ARM內(nèi)核的32位處理器STM32F103作為主控制芯片。利用單片機的定時器產(chǎn)生PWM給置位/復位電路，當置位復位電路供電電壓為5V，可以輸出時間超過2μs電流值超過500mA的電流脈沖給磁阻傳感器HMC1052的引腳SR+，引腳SR-接地[5]。這樣可以保證磁阻傳感器不受外界強磁場的干擾，始終保持較高的靈敏度。調(diào)理放大電路主要是對磁阻傳感器輸出的微弱電信號進行濾波并放大。由于磁阻傳感器采用的是電橋電路原理，輸出的是差分電壓，所以放大電路采用了AD620差分放大電路。AD7606多通道同步采集模塊負責采集多路磁阻傳感器輸出經(jīng)調(diào)理放大后的信號，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號[6-7]。STM32單片機采用可變靜態(tài)存儲控制器(FSMC)與A/D采集模塊交互信息，實現(xiàn)對數(shù)字信號的運算處理。此外，單片機通過直接存儲器訪問方式(DMA)將信息送到緩沖區(qū)，通過串行外設接口(SPI)與看門狗電路、EEPROM通訊。單片機將磁場信息送與LCD顯示，并通過HC-05藍牙模塊與上位機進行無線通訊。整個系統(tǒng)在測量時能耗要求較低，采用可充電型鋰電池供電。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

1.2 磁場測量電路設計

磁阻傳感器測量磁場的原理：由4個薄膜合金(等效于可變電阻)搭接而成的四臂差動電橋，當有外加磁場變化時，電橋四臂電阻發(fā)生變化，輸出差分電壓[8]。HMC1052雙軸磁阻傳感器是霍尼韋爾公司設計生產(chǎn)的高靈敏度、低磁滯傳感器，其靈敏度為1mV/V/Gs，磁場測量范圍為±6Gs。

如圖2所示，磁場測量電路主要由置位/復位電路、磁阻傳感器、RC濾波電路和AD620差分放大電路組成。

圖2 磁場測量電路

1.3 差分放大電路設計

當對磁阻傳感器提供5V電源時，傳感器能將任何入射在敏感軸方向上的磁場強度轉(zhuǎn)換成差分電壓輸出[9]。輸出的差分電壓經(jīng)過RC濾波后再送入AD620差分放大電路。由于傳感器輸出的電壓信號十分微弱，為了方便A/D轉(zhuǎn)換模塊對信號的采集，需要對輸出的差分電壓信號進行差分放大[10]。如圖2所示，差分放大電路選用低功耗、高性能的AD620儀表放大器實現(xiàn)，采用±5V雙電源供電，具有良好的線性放大性能，當放大倍數(shù)G=50時精度可達0.15%。AD620放大倍數(shù)由磁阻傳感器輸出電壓范圍和A/D轉(zhuǎn)換模塊采集信號范圍共同決定。

如圖2所示，AD620的引腳1和8之間連接一個RG=1 kΩ的電阻來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，則放大倍數(shù)為：

(1)

引腳7接+5 V電源，引腳4接-5 V電源，電源均通過電容接地，從而保持電源電壓穩(wěn)定。參考電壓端引腳5接模擬地。傳感器輸出的差分電壓從引腳2和引腳3輸入，放大后的電壓由引腳6輸出，并經(jīng)過RC低通濾波后送入A/D采集模塊。磁場測量電路的輸出電壓在A/D轉(zhuǎn)換模塊采樣范圍內(nèi)，從而傳感器輸出的微弱信號得到了足夠放大，并保留了一定的采樣空間。

1.4 磁阻傳感器置位/復位電路設計

置位/復位電路是專為磁阻傳感器保持高靈敏度而設計的，能夠?qū)鞲衅鞯拇艌龈袘S施加一個短時間、高強度的恢復磁場，從而使傳感器長時間工作在高靈敏度狀態(tài)下。磁阻傳感器置位/復位電路如圖3所示，利用單片機產(chǎn)生PWM信號從P1口輸入，通過高低電平來控制置位/復位電路，電路輸出接SR+，SR-接地。其工作原理如下：當P1口輸入為低電平時，三極管Q1導通、Q2截止，電源VCC通過電阻R12給電容C22充電，極性電容C19通過放電給電容C22充電，最終使電容C22的兩端電壓趨于+5 V；當P1口輸入為高電平時，三極管Q2導通、Q1截止，電容C22放電至零電壓，同時VCC給C19充電至+5 V。

HMC1052磁阻傳感器的每一個置位/復位帶標稱電阻為4.5 Ω，在置位和復位時需要的峰值電流為0.5 A，電流持續(xù)時間要超過2 μs。在置位/復位電路中，由單片機產(chǎn)生的脈沖周期為8 ms，遠大于電流所需要的持續(xù)時間。通過示波器觀察電路輸出的脈沖波形，可以看到脈沖峰值電流大于1 A，脈沖持續(xù)時間超過2 μs，故該置位/復位電路能夠有效對磁阻傳感器進行置位和復位。

圖3 磁阻傳感器置位/復位電路

1.5 AD7606多通道同步采集模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用的是AD7606芯片，它是一款16位、8通道同步采樣模擬數(shù)據(jù)采集芯片。芯片內(nèi)置了模擬輸入鉗位保護、二階抗混疊濾波器、跟蹤保持放大器、16位電荷再分配逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、靈活的數(shù)字濾波器、2.5 V基準電壓源、基準電壓緩沖以及高速串行和并行接口。AD7606采用+5 V單電源供電，可以處理±10 V和±5 V真雙極性輸入信號，同時所有通道均能以高達200 KSPS的吞吐速率采樣。由于信號調(diào)理放大電路將傳感器輸出信號放大在±5 V范圍內(nèi)，故AD7606采用±5 V輸入模式采樣。

1.6 藍牙通信模塊設計

磁阻傳感器能夠感應的最低頻率磁場是直流磁場，而感應的磁場最高頻率為5 MHz，本文所設計的磁場測量裝置主要用于檢測直流磁場與工頻磁場。需要說明的是，藍牙無線通訊使用的是2.4 GHz頻率，對磁阻傳感器檢測低頻微弱磁場幾乎沒有影響。磁場測量裝置跟PC或者手機之間選用藍牙進行無線通訊，一方面是為了避免繁瑣的電纜連接，另一方面是為了避免電纜上的傳輸信號在被測電磁場中受到干擾導致測量不準確[11]。所以將磁場測量裝置內(nèi)置藍牙模塊，可以跟電腦或者手機實現(xiàn)藍牙通訊，將磁場測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X或者手機上，實時監(jiān)測被測磁場強度。本文藍牙模塊選擇的是專為智能無線數(shù)據(jù)傳輸而打造的HC-05藍牙模塊，它具有體積小、功耗低、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點，并支持UART、USB、SPI等接口，適用于短距離無線傳輸領域，其通訊距離一般為10米[12]。

HC-05藍牙模塊的3.3 V電源管腳可以與STM32單片機共用3.3 V電源，其GND管腳接模擬地。藍牙模塊的串口數(shù)據(jù)輸出管腳TXD和串口數(shù)據(jù)輸入管腳RXD分別連接單片機的串行輸入管腳PA10和串行輸出管腳PA9。藍牙模塊上配置的控制管腳KEY連接到單片機的PA0管腳，使單片機能夠檢測到模塊的按鍵狀態(tài)。單片機的PA1管腳連接HC-05的LED管腳，用于監(jiān)測藍牙模塊的配對狀態(tài)，當輸入為高電平時說明配對成功，當輸入為低電平時說明配對失敗[13]。

2 軟件設計

磁場測量裝置的軟件設計流程圖如圖4所示。儀器開機首先進行程序初始化，為了保證ADC的采樣精度，需要對ADC進行校準。單片機利用定時器輸出PWM給置位/復位電路，來避免磁阻傳感器的靈敏度受到外界強磁場的干擾。AD采集開始，不斷將獲取的數(shù)據(jù)通過I/O口送入單片機，對數(shù)據(jù)進行誤差補償后計算出相應的磁場強度值。最后，單片機將運算得到的磁場強度值送與LCD實時顯示，并通過藍牙模塊無線傳輸給電腦或者手機。當裝置設定為連續(xù)監(jiān)測模式時，程序便不斷循環(huán)，否則測量結(jié)束。其具體實現(xiàn)方式為：

1)由STM32F103單片機產(chǎn)生PWM脈沖信號送入置位/復位電路中，電源電壓VCC提供5 V電壓，置位/復位電路便能產(chǎn)生超過1A的瞬時電流，能夠有效地置位/復位傳感軸，保證磁阻傳感器始終具有較高的靈敏度。

2)單片機I/O端口接收AD7606采集的磁場信號：磁阻傳感器感應被測磁場信號輸出微弱差分電壓經(jīng)AD620儀表放大器差分放大后輸入AD7606多通道同步采集模塊，單片機可同時讀取多路信號。

3)單片機對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行誤差補償、多個數(shù)據(jù)平均、運算等處理，最后換算成對應的磁場強度。

4)單片機將磁場強度值送與LCD顯示：送顯前，首先要判斷所測磁場強度是否超過量程，如果超過了量程，則進行錯誤顯示，單片機做復位處理。

5) 單片機將磁場數(shù)據(jù)通過藍牙模塊無線傳輸給上位機：將藍牙模塊設置為自動連接工作模式時，模塊將會自動根據(jù)事先設定的方式連接進行數(shù)據(jù)傳輸。具體步驟為：傳輸前，首先通過單片機輸出信號啟用藍牙模塊，自動進行配對連接；判斷藍牙配對成功后，將數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議進行傳輸；最后判斷數(shù)據(jù)傳輸是否成功。

6)判斷測量裝置是否為連續(xù)監(jiān)測模式：當判斷出測量裝置處于連續(xù)監(jiān)測模式時，程序不斷循環(huán)，單片機不斷將監(jiān)測得到的磁場強度數(shù)據(jù)送與LCD顯示，并傳輸給上位機；否則測量結(jié)束，測量裝置進入待機狀態(tài)。

圖4 軟件設計流程圖

3 藍牙無線通信功能

磁場測量裝置要通過藍牙模塊與電腦、手機進行無線通訊，其前提是要先進行藍牙配對。HC-05藍牙模塊的設置，可以通過發(fā)送簡單的AT指令來進行操作，比如通過發(fā)送“AT+NAME=LANYA”可以設置藍牙的名稱為“LANYA”。此外還需要設置藍牙配對密碼和通信波特率等。當數(shù)據(jù)接收端是手機時，手機上需要下載安裝一個藍牙串口助手軟件，打開軟件搜索周圍藍牙設備，找到“LANYA”輸入正確的密碼，幾秒鐘便能配對成功，然后就能接收從磁場測量裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)了。當數(shù)據(jù)接收端是電腦時，可以利用藍牙轉(zhuǎn)串口模塊實現(xiàn)通信，即先用藍牙模塊接收數(shù)據(jù)，再用串口線與電腦進行通信[14]。所以，電腦上可以使用串口助手來顯示和管理接收的數(shù)據(jù)信息。

4 磁場測量裝置標定實驗與不確定度分析

在標定實驗中，采用對亥姆霍茲線圈通電來產(chǎn)生標準磁場。如圖5所示，亥姆霍茲線圈是由一對半徑為R，匝數(shù)均為N，相互平行且同軸放置的圓形線圈同向串聯(lián)組成，這對線圈的距離為O1O2=R。這對線圈中心處的合成磁感應強度為：

(2)

其中:N為線圈匝數(shù)，I為線圈中電流大小，μ0為一個已知系數(shù)。

圖5 亥姆霍茲線圈原理圖

當對亥姆霍茲線圈通以直流電流時，這對載流線圈在軸線中心點處將產(chǎn)生較大范圍的勻強磁場，調(diào)整電流大小I可以得到不同的標準磁場強度。將磁場測量裝置放置在亥姆霍茲線圈中心點的平臺上便可進行標定實驗。測試中，記錄下亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的標準磁場強度以及當前磁場測量裝置A/D模塊采集到的電壓大小，從而建立標準磁場強度與裝置輸出電壓的關系。

HMC1052為雙軸磁阻傳感器，在實驗中只對A敏感軸作了標定，與其正交方向上的B敏感軸輸出的電壓大小幾乎為零。如圖6所示，實驗選擇的標準磁場強度范圍為0～6Gs，并在磁場強度整數(shù)點處對磁場測量裝置輸出電壓做了采樣，最后將實驗獲得的數(shù)據(jù)線性擬合?？梢缘玫?，標準磁場強度與磁場測量裝置輸出電壓之間的線性擬合式為：

B=3.955U-0.2028

(3)

其中:B為標準磁強強度，單位為Gs；U為磁場測量裝置輸出電壓，單位為V。

圖6 標準磁場強度與磁場測量裝置輸出電壓的關系

當確定被測磁場強度與輸出電壓的線性關系式后，再對標準磁場強度為6Gs時進行測量，并做不確定度分析：

1)在標準磁場強度為6Gs時，磁場測量裝置測量得到6個數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 磁場測量裝置在6 Gs時測量所得數(shù)據(jù)

2)不確定度評定：分析測量裝置的系統(tǒng)總體設計框圖可知，對磁場強度測量的不確定度影響顯著的因素主要有：磁場強度的測量重復性引起的不確定度u1；傳感器非線性引起的不確定度u2；AD620放大器在增益為50.4倍時的增益誤差引起的不確定度u3。其中，不確定度u1采用A類評定方法，不確定度u2、u3采用B類評定方法。此外，由于AD7606采集模塊是16位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，其量化誤差為μV級，可以忽略不計。

(1)磁場強度的測量重復性引起的不確定度分量：

采用A類方法評定，用貝塞爾公式計算得到單次測量的標準差：

采用平均值作為最佳估計值，故由重復性引起的不確定度分量由下式計算得到：

(2)傳感器非線性引起的不確定度分量：

故由傳感器非線性引起的不確定度為：

(3)AD620放大器在增益為50.4倍時的增益誤差引起的不確定度分量:

3)不確定度合成

因為不確定度分量u1、u2、u3相互獨立，計算磁場強度測量的合成標準不確定度為：

4)擴展不確定度的評定

取包含因子k=2，則磁場強度測量的擴展不確定度：

U(B)=k×uc(B)=0.1248Gs

依據(jù)“三分之一準則”對擴展不確定度進行修約，得擴展不確定度U(B)=0.13Gs。

5)不確定度報告

磁場強度測量的不確定度報告：

當用擴展不確定度評定磁場強度測量的不確定度時，磁場測量裝置在標準磁場強度為6Gs時的測量結(jié)果為B=(5.88±0.13)Gs。根據(jù)對磁場強度測量的不確定度分析結(jié)果可知，可以分別從硬件與軟件上對磁場測量裝置進行誤差補償，來提高其測量準確度，使其能夠滿足一般微弱磁場測量的需求。

5 結(jié)束語

設計的數(shù)字式無線微弱磁場測量裝置的磁場強度測量范圍為±6Gs，分辨率為120μGs，達到了預先制定的設計要求。磁場測量裝置在檢測微弱磁場時，采用了以下措施來抑制噪聲與干擾：磁阻傳感器采用全橋電路的原理，可以改善非線性，自動進行溫度誤差補償；測量裝置采用差分放大電路，有利于抑制共模干擾(提高電路的共模抑制比)和減小溫度漂移；為了避免通信電纜上的傳輸信號在被測電磁場中受到干擾引起測量不準確，磁場測量裝置跟PC或者手機之間采用藍牙無線通訊。本文介紹了磁場測量裝置的軟硬件設計原理，藍牙無線通訊的配置方法，通過標定實驗與不確定度分析驗證了裝置的性能。后期可以根據(jù)需要，針對手機或者電腦開發(fā)相應的藍牙無線終端數(shù)據(jù)接收和管理系統(tǒng)，在界面上實時顯示被測磁場強度的波形及數(shù)據(jù)等信息。

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