構(gòu)建一種PNI磁傳感器的艦船磁場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)

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(zhǎng)時(shí)間放置于地球磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生磁化效應(yīng)，即鐵磁體的周?chē)臻g會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加的磁場(chǎng)。由此艦船在海洋環(huán)境中引起的磁場(chǎng)稱(chēng)為艦船磁場(chǎng)[1]。當(dāng)前，海洋中船舶磁性探測(cè)主要是利用船舶的靜磁場(chǎng)(也稱(chēng)為磁異常)，即地磁場(chǎng)對(duì)鐵磁性船舶的磁化所改變的船舶原周?chē)臻g的磁場(chǎng)分布[2]。各海洋軍事強(qiáng)國(guó)已經(jīng)發(fā)展了多種成熟的磁異常探測(cè)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(jì)了一種以PNI公司的RM3100磁傳感器作為探測(cè)元件，并通過(guò)單片機(jī)控制的艦船磁場(chǎng)測(cè)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(jì)。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(zhuān)用驅(qū)動(dòng)模塊 3D Mag IC。驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部集成施密特采樣器，能夠?qū)?個(gè)軸的磁場(chǎng)依次測(cè)量并直接輸出16位數(shù)字磁場(chǎng)信號(hào)，在結(jié)構(gòu)上避免了信號(hào)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(kāi)始測(cè)量前需要通過(guò)與微處理器通信，進(jìn)行測(cè)量模式選擇。RM3100由3個(gè)感應(yīng)線圈組成，其中2 個(gè)SEN-XY-f線圈采用正交布局，都是水平焊接，分別負(fù)責(zé)測(cè)量地磁場(chǎng)的X軸和Y軸分量；SEN-Z-f線圈豎直焊接，負(fù)責(zé)測(cè)量地磁軸Z軸分量。如圖1所示，為3個(gè)磁傳感器的布局視圖。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

艦船磁場(chǎng)測(cè)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(chǎng)的數(shù)字信號(hào)通過(guò)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(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括4個(gè)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(jì)。

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

RM3100磁傳感器由分立感應(yīng)線圈與驅(qū)動(dòng)測(cè)量芯片3D MagIC組成。電路中通過(guò)3個(gè)PNI磁感傳感器(SEN-X，SEN-Y，SEN-Z)實(shí)現(xiàn)三維磁場(chǎng)的測(cè)量。在與微控制單元通信時(shí)，本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量模式，能夠?qū)?個(gè)軸的磁場(chǎng)依次測(cè)量，響應(yīng)時(shí)間較短，達(dá)到 15～30 ms。驅(qū)動(dòng)測(cè)量芯片支持SPI和I2C兩種通訊模式，不同通訊模式對(duì)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(jì)。

單片機(jī)控制模塊為磁場(chǎng)測(cè)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(lái)的信號(hào)數(shù)據(jù)，并通過(guò)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(guò)MOSI和MISO 2個(gè)接口與磁傳感器的驅(qū)動(dòng)測(cè)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(dòng)芯片，MISO則是將數(shù)據(jù)從驅(qū)動(dòng)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(shí)鐘信號(hào)，與驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)鐘相連進(jìn)行時(shí)序的控制。

在單片機(jī)中，將串口設(shè)置在RxD和TxD 2個(gè)接口處，以此與RS232進(jìn)行串口通信[4]。將處理后的磁信號(hào)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(jì)。

串口通訊模塊采用RS232接口設(shè)計(jì)。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(shí)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(jì)。

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(guò)熱切斷電路，提供了過(guò)載和過(guò)熱保護(hù)，以防止環(huán)境溫度造成過(guò)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(cè)量試驗(yàn)

用本檢測(cè)系統(tǒng)分別對(duì)環(huán)境磁場(chǎng)和船模進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)條件包括無(wú)磁性實(shí)驗(yàn)水池、滑軌、船模和磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)。首先通過(guò)環(huán)境磁場(chǎng)的測(cè)量測(cè)試系統(tǒng)的性能指標(biāo)，再進(jìn)行船模試驗(yàn)驗(yàn)證信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值。

4.1 環(huán)境磁場(chǎng)測(cè)量

將檢測(cè)系統(tǒng)靜止放置，測(cè)量出環(huán)境磁場(chǎng)在時(shí)域的數(shù)據(jù)。這里以X軸為例，環(huán)境磁場(chǎng)如圖5所示。

對(duì)環(huán)境磁場(chǎng)進(jìn)行濾波處理，得到如圖6所示的磁場(chǎng)信號(hào)波形。

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

4.2 船模實(shí)驗(yàn)

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

測(cè)量時(shí)將船模緩慢移動(dòng)通過(guò)PNI傳感器，記錄的X軸磁場(chǎng)數(shù)據(jù)如圖8所示。通過(guò)濾波處理得到平滑的磁場(chǎng)信號(hào)時(shí)域圖，如圖9所示。

從圖8、圖9可知在初始狀態(tài)時(shí)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(guò)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)特征?？紤]到實(shí)驗(yàn)環(huán)境的磁場(chǎng)干擾，為了更清楚反映出船模磁場(chǎng)的特征，對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行了頻域分析。對(duì)信號(hào)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(chǎng)信號(hào)屬于極低頻信號(hào)，頻率范圍在0～1.00 Hz[7-8]，可知系統(tǒng)檢測(cè)到船模磁場(chǎng)信號(hào)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)水池試驗(yàn)驗(yàn)證了該檢測(cè)系統(tǒng)能夠測(cè)得艦船磁場(chǎng)信號(hào)，但是由于環(huán)境干擾，艦船磁場(chǎng)特征不明顯，需要繼續(xù)濾除環(huán)境磁場(chǎng)等影響因素進(jìn)行頻域分析。該檢測(cè)系統(tǒng)尺寸小、便攜性強(qiáng)，既可以應(yīng)用于固定式磁場(chǎng)測(cè)量上，還能設(shè)計(jì)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(chǎng)景意義。