毕业论文-三分量磁通门地磁场检测装置传感器设计

摘要三分量磁通门地磁场检测装置是应用磁通门传感器对地磁场进行测量的矢量检测装置。与其它类型测磁仪器相比，磁通门传感器具有分辨率高，测量弱磁场范围宽，体积小、重量轻、功耗低，经济性好，能够直接测量磁场的失量和适于在高速运动系统中使用等特点，被广泛应用于各种领域。本文分析了磁通门传感器的工作原理，详细论述了如何采用数字检波的方法进行信号处理本文还介绍了三分量地磁场检测装置硬件电路的设计和单片机程序。检测装置主要由三分量磁通门传感器、单片机最小系统、A/D数据采集电路和串口电路构成。三分量磁通门传感器检测到磁场的矢量大小，输出信号经过有源滤波器和放大器处理后得到三路幅度与磁场各分量大小成正比的正弦信号。A/D同时对三路信号进行4倍频采样，将两个周期的采样数据传送到单片机，然后单片机通过串行端口将数据发送到计算机，最后由计算机完成数据的处理和分析。关键词三分量地磁场数字检波数据采集串行端口THEDESIGNOFGEOMAGNETICFIELDDETECTIONDEVICEBASEDONTHREECOMPONENTFLUXGATESENSORSABSTRATTHETHREECOMPONENTFLUXGATEGEOAMAGNETICFIELDDETECTIONDEVICEISAKINDOFVECTORDETECTIONDEVICEWHICHCANMEASURETHEGEOAMAGNETICFIELDDIRECTLYCOMPAREDWITHOTHERINSTRUMENTSWHICHCANMEASUREGEOMAGNETICFIELD,THEFLUXGATESENSORHASTHEVIRTUEOFSMALLSIZE,LIGHTWEIGHT,LOWPOWERCONSUMPTIONANDGOODECONOMY,ISUSEDWIDELYINDIFFERENTFIELDSTHISPAPERINTRODUCESTHEWORKINGPRINCIPLEOFTHEFLUXGATESENSORANDTHEDIGITALDEMODULATIONMETHODINDETAILTHEDESIGNOFHARDWARECIRCUITOFTHETHREECOMPONENTFLUXGATEGEOMAGNETICFIELDDETECTIONDEVICEANDPROGAMMINGOFMCUAREALSOINTRODUCEDINTHISPAPERTHEDETECTIONDEVICECONSISTSOFTHREECOMPONENTFLUXGATESENSORS,MCUSYSTEM,A/DDATAACQUISITIONCIRCUITANDCOMPORTCOMMUNICATIONCIRCUITTHEMAGNETICVECTORISDETECTEDBYTHETHREECOMPONENTFLUXGATESENSORS,SIGNALSOUTPUTFROMTHESENORSAREPROCESSEDBYACTIVEFILTERSANDAMPLIFIERSTHENTHEREARETHREESINUSOIDALSIGNALS,WHOSEAMPLITUDEAREPROPORTIONALTOTHEMAGNITUDEOFGEOMAGNETICFIELDCOMPONENTTHEA/DCONVERTORPRODUCES4POINTSSAMPLINGSIGNALS,ANDTRANSMITSDATAOFTWOCYCLESTOCPU,THENCPUSENDTHEDATATOCOMPUTERVIATHECOMPORTFINALLY,THEDATAISPROCESSEDANDANALYZEDBYCOMPUTERKEYWORDSTHREECOMPONENTSGEOMAGNETICFIELDDIGITALDEMODULATIONDATAACQUISITIONCOMPORT目录摘要1ABSTRAT21绪论111研究三分量磁通门地磁场检测装置的目的和意义112各种测磁仪器213磁通门测磁仪器的研究现状52检测装置的工作原理621磁通门传感器的工作原理622检测装置的工作原理823地磁检测装置的主要功能123三分量磁通门地磁场检测装置的硬件电路设计1231前置检测电路的设计12311分频电路和信号转换电路的设计13312驱动电路的设计13313选频放大电路的设计143216位A/D转换器4倍频采样的硬件设计16321根据A/D采集电路的设计要求选择合适的A/D16322A/D采集电路的设计1733内部电源的设计184三分量磁通门地磁场检测装置的的软件设计1941STC89C54RD单片机介绍1942A/D的软件控制2043程序流程图2144示例程序2145串口发送的硬件设计235测试结果及分析2451分频器电路测试2452功率驱动电路的测试2553信号转换电路测试2554带通滤波器的测试266对三分量测量的通道差异进行校正的方案设计2861方案1通过硬件电路的调试进行校正2862方案2通过软件编程对测量结果进行校正29总结30参考文献及参考资料31致谢33英文翻译34英文翻译原文371绪论11研究三分量磁通门地磁场检测装置的目的和意义在介绍三分量磁通门地磁场检测装置之前，首先介绍一下它的研究目的和意义。检测装置主要是通过检测地磁场的大小来寻找铁磁性物质的。铁磁性物质中很重要的一类就是铁。我国是最早发现和使用铁的国家，同时铁也是世界上发现并使用最早的一种金属材料。世界铁资源丰富，据美国地质调查所和矿业局1996年1月的统计，世界铁矿石资源量超过8000亿吨，折合金属量超过2300亿吨。1995年世界铁矿石储量1500亿吨、储量基础2300亿吨，折合铁金属量分别为650亿吨、1000亿吨。我国铁金属储量7329亿吨，应在俄罗斯、澳大利亚、加拿大、巴西之后居世界第5位。截至1996年底，全国共查明铁矿产地1834处。累计探明铁矿石储量50478亿吨，按全国铁矿石平均含铁品位33计算，铁金属量为16658亿吨。扣除历年开采与损失，尚保有铁矿石储量46347亿吨，铁金属15295亿吨。根据80年代中期地质科研部门对我国铁矿资源的预测，将全国大陆划分为17个预测区，共有有望航磁异常区1084处，预测资源潜力606亿T。其中11个预测区分布在东经105线以东地区，有望航磁异常区754处，预测资源潜力为317亿T，东部地区找矿程度较高，预测资源多以隐伏矿或盲矿体分布在已知矿带的深部和周边部。东经105线以西地区，包括6个预测区，有望航磁异常330处，预测资源潜力为289亿T，西部地区找矿和研究工作程度较低或很低，尚有发现新矿区的前景。中国的铁矿资源很丰富，但铁矿石进口量却居世界第一。近年来，中国主要进口铁矿石的一些来源国不断调高铁矿石的出口价格。面对这种形势，中国自己开采铁矿的需求越来越迫切。中国铁矿资源有两个特点一是贫矿多，贫矿出储量占总储量的80；二是多元素共生的复合矿石较多。此外矿体复杂；有些贫铁矿床上部为赤铁矿，下部为磁铁矿。因此，开采铁矿不能漫无目的，我们需要有效的探测手段确保有价值的开采，所以地磁检测装置的研究是非常必要的。本文要介绍的基于三分量磁通门测磁法的地磁检测装置就是一种高效的测磁手段。磁通门测磁法问世后不久，在第二次世界大战中就被应用于探雷、探潜等方面，战后又被广泛应用于地面磁场研究、航空磁测、地震预报研究、地下矿床勘探、生物医学研究、星际间磁测等领域。几十年来，尽管测量磁场的新方法不断涌现，磁通门传感器仍以其测量灵敏度高、坚固小巧、使用灵活、工作可靠，电路功耗低、结构简单等显著优点，被普遍应用于弱磁场测量领域。目前地磁测量所使用的测磁仪器多数是进口产品，价格昂贵，维修比较困难。基于该现状，本文主要介绍一种新型地磁检测装置。该检测装置电路简单，测量数据的处理完全数字化，操作方便，成本较低，设计模块化，并且易于维修。而且，与大多数测磁仪器相比，检测装置的功耗非常低，采用12V外部电源供电，测量数据可以通过串口发送到计算机进行处理和分析，方便研究。下面先介绍一下各种测磁仪器。12各种测磁仪器测磁仪器根据采用磁敏传感器的种类分为很多种。已经被淘汰的是采用机械式磁敏传感器的机械式磁力仪；目前应用比较广泛的磁敏传感器有磁通门式磁敏传感器、质子旋进式磁敏传感器、光泵式磁敏传感器、SQUID（超导量子干涉器）磁敏传感器、光纤式磁敏传感器、半导体磁敏传感器；处于研究、试验阶段的测磁仪器有固体电子自旋共振磁力仪、原子磁力仪等。下面就以下几种测磁仪器做简单介绍机械式磁力仪（MECHANICALMAGNETOMETER）又称作磁秤，利用一个可绕固定轴自由旋转的磁棒，其偏转角的大小与外磁场强度成比例的关系来测量磁场大小。利用磁棒放置位置的不同可以分别测定垂直磁异常和水平磁异常，其相应的仪器为垂直磁秤和水平磁秤。由于是用重力矩来平衡磁力矩，所以只能测垂直（或水平）地磁场相对于一个固定点的改变值。从制造工艺上讲，要采用精度很高的设备加工机械零件和光学零件，调试过程也比较复杂。总之，无论是操作使用还是制造工艺，跟电子测磁仪器相比，都很复杂。机械式磁力仪于1991年停产，取而代之的是电子磁力仪。超导磁力仪（SUPERCONDUCTINGMAGNETOMETER,SQUID）是利用约瑟夫逊效应测量磁场的测磁仪器。测量仪器应用了超导量子干涉器。采用超导材料制成的闭合环对外磁场会产生周期效应，其磁通变化与外磁场变化成正比。超导磁力仪正是利用这个原理来测量磁场的。这种仪器的灵敏度可达105106纳特。可制成航空磁力梯度仪，也可用于地面磁场的研究及弱磁性岩石的磁性测定。常用在对测量精度要求高的地方，成本相对稍高一些。质子磁力仪（PROTONPRECESSIONMAGNETOMETER）是应用质子旋进式磁敏传感器制成的测磁仪器。氢原子核的质子是一种带有正电荷的粒子，其本身在不停地自旋，具有一定的磁性。在外磁场的作用下自旋质子将按一定方向排列，称为核子顺磁性。但其磁性甚微，只是在一些磁化率很低的逆磁性物质中才能反映出来，如某些碳氢氧化合物液体水、酒精、甘油等。在这些样品中质子受某强磁场激发而具有定方向排列，去掉外磁场，则质子在地磁场作用下将以同相位绕地磁场T旋进，其旋进频率F与地磁场T有以下关系T234872F，单位为纳特。当测定出频率F以后即可计算出总磁场强度T的数值。利用这种原理制成的仪器称为质子旋进式磁力仪，或称核子旋进式磁力仪。质子旋进磁力仪稳定性好。温度影响小、没有零点掉格、精度高，可观测弱磁异常工作时不必准确定向，适于在运动状态下观测。仪器灵敏度一般为01纳特。但这类仪器的使用要受到磁场梯度范围的限制，常用于地面、航空和海洋磁测等一些要求准确测量出绝对磁场大小的研究领域。我国生产的这类仪器有302型海空核子旋进磁力仪灵敏度可达01纳特，CHD型地面核子旋进磁力仪灵敏度可达015纳特。光泵磁力仪（OPTICALPUMPINGMAGNETOMETER）是应用光泵式磁敏传感器制成的测磁仪器。因为由光泵作用排列好的原子磁矩，在特定频率的交变电磁场的作用下，又将产生共振吸收作用，打乱原子的排列情况。发生共振吸收现象的电磁场的频率与样品所在点的外磁场强度成一比例关系，故测定这一频率就可以测出外磁场的值。常用的工作元素有；铷RB87，RB85；铯CS133；氦HE4，HE3等。光泵磁力仪按线路结构特点又可分为跟踪式及自激式两大类。这类磁力仪的特点是灵敏度高，可达0001纳特。可以测定总磁场强度的绝对值，没有零点掉格及温度影响，工作时不需准确定向，适于在运动条件下进行高精度快速连续测量，如航空磁测和海洋磁测等。磁通门磁力仪（FLUXGATEMAGNETOMETER，FGM），又称饱和式磁力仪。它是一种电子磁力仪。它利用高磁导率的坡莫合金作灵敏元件，在弱磁场中就能达到磁饱和。灵敏元件的磁芯为闭合磁路，在其两边绕以匝数相同、绕向相反的激励绕组，外侧是输出绕组。对激励绕组给以交变电压，使灵敏元件达到近于饱和，若无外磁场存在，则两边磁芯产生的磁通波形对称而反向，这时讯号绕组将没有感应电压输出。当沿元件轴向存在有外磁场，则两边磁芯在正、负半周内饱和程度不一，产生的磁通量不能互相抵消，将有感应电压脉冲输出。其幅度与外磁场大小成正比，据此即可测定外磁场的大小。可用于地面、航空或井中磁测。由上面的介绍可以看出磁通门测磁仪器有它自身的优势，是其他测磁仪器无法替代的。磁通门是第一种实际投入使用的电子式磁力仪。现在的磁通门测磁仪器做得非常小型化，携带方便，仪器使用简单，成本相对比较低，因此在一般测量中使用的较多。13磁通门测磁仪器的研究现状磁通门测磁仪器是利用磁芯在交变磁场激励下发生导磁特性变化从而调制被测磁场，通过对调制信号的检测实现对外磁场的测量。磁通门测磁法以其测量范围宽、分辨率高、频带宽及经济实用的特点，早在20世纪30年代就开始应用于地磁测量，经过后来的不断完善与发展，目前已成为国际地磁相对记录的主流设备。第一台磁通门磁力仪产生于20世纪30年代，迄今己有多种不同类型的磁通门磁力仪。因其分辨率、频率响应、动态范围和线性特性都能满足记录地磁场各分量变化的要求，具有轻便、价格低廉、安装调试简单和容易实现数字化等特点，所以世界大多数地磁台站都使用磁通门测磁仪器作为变化磁场的记录仪器，代替了传统的磁变仪。国际上比较有代表性的磁通门磁力仪有加拿大的FM20型和CANMOS型磁通门磁力仪、奥地利的CHIMAG型磁通门磁力仪、英国的FLARE磁通门磁力仪、美国的SMALL磁通门磁力仪。这些磁通门磁力仪代表了该仪器技术的先进水平，它们都具有低噪声、采样率高、温度性能良好、数字化等特点。在我国，早在20世纪80年代就开始将磁通门磁力仪应用于地磁观测的技术研究。在2002年时中国地震局地球物理研究所己经研制成功了GM1型、GM2型单向模拟记录磁通门磁力仪和GM3型三分量数字记录磁通门磁力仪。但由于仪器的长期稳定性、温度特性等还不能满足地磁台站日常观测的基本要求，所以未能得到广泛应用。因此降低仪器的温度系数、提高仪器的稳定性，降低安装的复杂程度、减小仪器的体积、提高仪器的自动化程度一直是仪器研制者持续开发与改进的目标。本文讨论的这种三分量磁通门地磁场将测装置具有的主要特点是体积小、安装简单、稳定性高，由于它可以同时测量磁场在三个方向的分量，然后进行矢量合成，所以测得的数据有很高的可靠性。2检测装置的工作原理21磁通门传感器的工作原理磁通门传感器就是利用某些高磁导率的软磁材料（如坡莫合金）作磁芯，以其一起在交流磁场作用下的次饱和特性及法拉第电磁感应原理研制成的测磁装置。其结构可以看成一个特殊的变压器，磁通门测磁法正是利用这种特殊变压器的磁芯，当交变电流流过该变压器原边线圈时，磁芯反复被交变过饱和励磁所磁化，当有外磁场存在时，励磁变得不对称，变压器的输出信号受到外磁场的调制。通过检测输出的调制信号就可以实现对外磁场的测量。磁通门探头的输出主要是激励信号的二次谐波，需要经过处理得到测量数据。根据磁通门传感器的磁芯几何形状分为闭合式和非闭合式两类圆形磁芯跑道形磁芯长方形磁芯闭合式磁芯长条形双磁芯长条形单磁芯非闭合式磁芯磁芯从这几种磁芯的性能来说，以圆形较好，跑道形次之。在磁场的分量测量中，用跑道形磁芯（如图21）较多。跑道型磁芯的长轴场边尺寸远大于短轴尺寸，因此，认为跑道型磁芯仅被延长轴方向的磁场所磁化。在实际应用中，也仅用它来测量延长轴方向的磁场分量。图21所示为跑道型磁芯的二次谐波法测磁原理。412FF2L1L2LS3图21跑道型磁芯机构示意图1灵敏元件架；2初级线圈3输出线圈；4坡莫合金环若在跑道形磁芯的彼此平行的两长边上，分别绕一组匝数相同的线圈L1、L2，同向串联作为激励线圈；在L1、L2外侧绕一公用的测量线圈LS。在激励线圈中输入正弦交变电流IIMSINT，假定L1中磁场H12HMSINT，L2中磁场H22HMSINT。传感器的输出电压如图22（D）所示，可以表示成下面的分段函数的形式0COS12088SHESMSS22211221ES是属周期性的重复脉冲，故可用富氏分解法计算ES的二次谐波分量22TEHFSSNDEMSS2IN810621HHEHSBMA（B）TH2H1HE1E2E（D）HTB1B2（C）B12图22磁通门式磁敏传感器测磁原理（A）软磁材料动态磁回滞曲线的理想化模型（B）外加磁场时，两线圈中的磁场不再对称（C）外加磁场时，两线圈中磁场出现饱和段（D）传感器在正弦波激励时的理论输出波形22检测装置的工作原理三分量磁通门地磁场检测装置主要利用法拉第电磁感应原理实现对地磁场的检测。传感器将地磁信号转化为电信号，检测装置通过检测这种电信号来判断地磁信号大小，进而判断检测地点的状况。实现这种判断主要依靠三分量磁通门传感器，它的每个传感器都采用双铁芯结构，在两根铁芯上缠绕的激励线圈反向串联（如图21所示），励磁电流通过激励线圈时，在两铁芯中产生的激励磁场方向相反，若两铁芯形状尺寸和电磁场参数完全对称，两铁芯中的磁通在测量线圈中产生的感应电势互相抵消，输出为零；当沿铁芯长轴方向施加外部磁场时，其中一个铁芯的磁场先于另一个达到饱和，造成测量线圈中的感应电势不能互相抵消，输出非对称的波形，波形的主要成分是激励信号的二次谐波。由于外磁场产生的感应电势的幅值与外磁场大小成正比，可通过测量输出信号的二次谐波分量来测量外磁场。为便于研究，将式22改写成如下形式23）（TEAHES2SIN传统的处理方法是采用模拟电路进行相敏检波，具体做法是用两路频率与ES相同的参考信号，两者相位相差90度，假设分别为和）（T2SIN，这时ES与参考信号相比有一个相移，表达为示成式24的）（T2COS形式）（TEAHESI24ES分别乘以参考信号，得到如下结果254COS2/12COS2/INTTTTEAH26INSIN/IN/TTTS（对式25和式26表示的信号进行积分处理（实质上就是对信号进行低通滤波）之后得到以下结果2720COS2/12SIN1EAHTDTERS28SIN2/12COS120EAHTDTEXS29XRAHE传统的方法要通过硬件电路实现模拟信号的乘法运算和积分运算，这对乘法器和积分电路的精度等参数要求很高，而且要求参考信号的幅度稳定，两参考信号的相位差必须保证是90度。这种处理方法数字化程度低,信号处理过程中易受干扰，所以设计采用数字检波的方法。下面详细论述如何采用数字检波的方法得到测量数据首先，我们不用正弦波作参考信号，换作与正弦波参考信号相位相同的方波和1S22100112KK211S22/3/我们对信号进行4倍频采样，采样点设为，。在1SE23S4E这里，我们假设为初始采样点的相位。那么，原信号可以表示为212）（TEAHES2SIN2131214COS2ES215IN3AHE216CS4ES现用式210和式211表示的方波对上述信号进行调制，得到的采样信号表示如下其一，2171SES采样信号为218COSINSI432ESESAHE其二，2192采样信号为220COSINSI4321ESESAHE对这两种信号分别进行采样求和后取平均值（与模拟信号的积分类似），得到以下结果COSSIN2/14/14/1432130ISSSIEEI221COSSIN2/14/14/1432130ISSSIQ222对采样信号进行求和去均值运算，相当于对原信号进行以下处理223DTITII30S/E4/1224TITQI30S/式中为采样周期，即。/2经过上述分析，我们可以通过下面的计算得到最终的结果22522QIIAHE23地磁检测装置的主要功能三分量磁通门地磁场检测装置主要是通过检测地磁场在三个互相垂直的方向上的分量来测量地磁场总场强度的。三分量磁通门式磁敏传感器能检测到地磁场的各个分量被调制后的信号，经选频放大电路得到幅值与分量大小成正比的二次谐波，用16位A/D对这些信号进行4倍频采样，通过外部中断的方式将采样数据分别送入单片机，单片机在读够两个周期的采样数据（共三组，每组16个字节即8个16位数据）后，经MAX232进行电平转换通过串口发送的方式将数据送到计算机，有计算机完成最终的数据处理和分析。3三分量磁通门地磁场检测装置的硬件电路设计31前置检测电路的设计前置检测电路的原理方框图如下212传感器驱动电路16位A/D四倍频采样振荡分频器29信号转换选频放大器图31前置检测电路原理框图分频电路采用20MHZ晶振，分频输出用212倍分频作为驱动电路的输入信号，经功率放大用作传感器激励信号；29倍分频经信号转换电路整形，用作A/D转换的时钟信号。下面具体介绍一下各部分电路311分频电路和信号转换电路的设计磁通门传感器需要5KHZ激励信号，需要有振荡电路为其提供频率源。石英晶振振荡器产生的信号频率为20MHZ，需要进行4000倍（约2124096倍）分频。同时，A/D进行4倍频采样，需要40KHZ的时钟信号，并且要求占空比接近100（详见AD7656工作时序），所以分频器的29倍分频输出需要接信号转换电路。分频器采用14位二进制计数分频器74HC4060，电路原理图如图32。图中13脚为29倍分频输出，1NF电容和16K电阻形成微分电路，和与非门整形电路构成信号转换电路，为A/D转换电路提供启动信号。74HC4060O122O133RTC10O37MR12RS11O45O54O66O714O813O915O111CTC920MHZ2M30PF30PF1NF16K56K74HC00（A（图32分频电路及信号转换电路312驱动电路的设计分频器输出带载能力较弱，不能直接用作激励因此需要驱动电路进行功率放大。理想的激励信号应该是频率为5KHZ、幅度为3V的正弦波，要求正弦波的幅度非常稳定，所以实际激励信号采用5KHZ的方波，幅度为3V。分频器的输出幅度约为6V，经56K缓冲电阻减压，功放电路输出幅度约为4V，需要进行变压处理，电路设计如图33图中的隔离线圈是手工绕制成的，其中，初级线圈的计算匝数为FBAVNI4/29匝（式中IV为线圈两端交流电压的幅度，取4V；F为信号频率，取488103HZ；B为磁环磁通量，一般取03WB，A为磁环截面积，取241052M），实际绕了50匝，次级为40匝。V19VV29V8050855016K16K100NF100NF100NF47UF图33驱动电路313选频放大电路的设计测量需要传感器输出的二次谐波成分，因此，传感器的输出信号不能直接进行放大、采样，必须经过带通滤波器滤出二次谐波，放大后在进行采样处理。滤波器的设计采用压控电压源型二阶带通滤波器，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低，而且电路结构简单。滤波器要求的设计参数为中心频率为10KHZ，Q值为10，对中心频率的放大倍数为30倍。实际电路形式如图34所示。传感器的输出信号经滤波处理后其幅度不足以进行采样，故加一级放大。LM2581NF16K9V9VXBP1INOUTXFG11NF33K16K56K3KLM25816K100K9V9V16K图34选频放大电路仿真结果如下图所示图35带通滤波器伯德图仿真结果从上图可以看到，滤波器设计合理，而且仿真结果接近设计目标，实际仿真参数如下中心频率为9573KHZ，Q值为94，中心频率出放大倍数为28548DB（2675倍），对二次谐波（实际频率为976KHZ）的放大倍数为27645DB（2415倍），符合设计要求。3216位A/D转换器4倍频采样的硬件设计321根据A/D采集电路的设计要求选择合适的A/D由于课题设计要求A/D实现对二次谐波的四倍频采样，所以，所选A/D的转换速率必须在40KHZ以上；分辨率课题要求16位以上；由于采样频率必须精确为四倍频，因此A/D采样率应该可变；由于是对交流信号采样，故A/D应能进行正负采样；课题要实现三分量测量，有三路信号输入，要求同时对三路信号采样，故要求A/D能实现三路以上同时采样。根据以上要求，最终选择逐次逼近型16位A/D数据采集电路AD7656。AD7656的最高采样频率可达到250KHZ，属于逐次逼近型，采样频率可变，通过转换使能脚输入启动信号，控制六个通道同时进行数据转换，这里我们只用其中三个通道。各通道的转换结果在每次转换结束后可通过16位并行数据线依次传送到单片机。图36是AD7656的工作时序图图36AD7656的时序图322A/D采集电路的设计图37AD7656内部结构框图从AD7656的内部结构图和时序图可以看出，AD7656既可以用硬件电路控制，也可以通过软件编程来操作，使用起来方便灵活。使用软件操作时，数据的传输可以以字节的形式，即进行8位数据的并行传输（详见AD7656资料翻译中的管脚说明），此时的工作时序如图38所示。考虑到数据传输的效率，我们需要16位数据并行传输，采用硬件电路控制即可,数据的读取采用硬件中断的方法。具体的电路形式如图39所示。在图中，为保证电路看起来清楚、方便，电路中所有AD7656的电源引脚都没有连接。在此加以说明AVCC和DVCC均接5V电源，AGND和DGND分别接数字地和模拟地（实际电路对模拟和数字接地并没有加以区分），VSS接9V电源，VDD接9V电源，其余管脚做悬空处理。图38AD7656采用字节传送方式的工作时序图39AD采集电路另外，图中单片机型号为STC89C54RD，内部集成了MAX810专用复位电路，所以RESET管教直接接地。单片机采用外部时钟源，时钟由40MHZ有源晶振提供。AD7656的BUSY脚在转换时为高电平，当转换结束后转为低电平，可用作中断信号。33内部电源的设计整体电路采用12V外部电源供电，因前置电路需要9V电源，而A/D和单片机电路需要5V电源，所以电源电路需要用到三端稳压管7809、7909和7805，具体电路如图310所示图310内部电源电路4三分量磁通门地磁场检测装置的的软件设计41STC89C54RD单片机介绍设计采用STC89C54RD单片机，该单片机具有以下显著特点超强抗干扰1、高抗静电（ESD保护）；2、轻松过4KV快速脉冲干扰EFT测试）；3、宽电压，不怕电源抖动；4、宽温度范围,4085；5、I/O口经过特殊处理；6、单片机内部的电源供电系统经过特殊处理；7、单片机内部的时钟电路经过特殊处理；8、单片机内部的复位电路经过特殊处理；9、单片机内部的看门狗电路经过特殊处理。1个时钟/机器周期，可用低频晶振，大幅降低EMI（电磁干扰，英文ELECTROMAGNETICINTERFERENCE的简称）1、禁止ALE输出；2、如选6时钟/机器周期，外部时钟频率可降一半；3、单片机时钟振荡器增益可设为1/2GAIN。超低功耗1、掉电模式典型功耗01A；2、空闲模式典型功耗13MA；3、正常工作模式典型功耗27MA7MA；4、掉电模式可由外部中断唤醒，适用于电池供电系统，如水表、气表、便携设备等。可在线编程,无需编程器,可远程升级；内部集成MAX810专用复位电路，原复位电路可以不用，RESET脚直接短到地。42A/D的软件控制AD7656软件控制的引脚连接（如图39所示）如下CSP27RDP26RESETP25DB07P0007DB815P1017BUSYINT0根据图36所示AD7656的工作时序，转换结束后A/D向CPU发送中断请求，CPU响应后送片选信号给A/D进行读数据操作，每次读一个通道，执行三次读数操作后一次中断完成。43程序流程图程序流程图如图41所示。开机后经过1S延时启动A/D转换器工作，等待A/D转换。A/D在转换结束后向单片机发送中断请求，单片机相应响应中断，通过16位并口从A/D读数。当单片机执行8次中断（读到两周器的转换数据）后，关中断，同时让A/D停止转换，单片机工作在查询方式，通过串口将所有数据发送到计算机，由计算机进行数据的处理。NYYN初始化开始转换结束进入中断中断8次串口发送结束图41程序流程图44示例程序系统在开机后需要一个1S的延时来启动AD，下面以延时程序为例给出一段示例程序INCLUDE“STARTUPH“/包含头文件等DEFINEUINT8UNSIGNEDCHAR/关键字的简化及AD的控制连接VOIDDELAY1MSUNSIGNEDINTK/函数及变量声明MAINRS1/将AD7656复位DELAY1MS1000RS0/开机1S延时后，启动ADWHILE1VOIDDELAY1MSUNSIGNEDINTKUNSIGNEDINTI,JFORI0IKI/多少个1MSFORJ0J240J/延时约为1MS45串口发送的硬件设计串口通信用到的主要芯片是MAX232，它的低功耗关断模式适合电池供电系统。外接电路简单，很适合应用于面积有限的印刷电路板。它有双路电荷泵DCDC电压转换器，RS232驱动器、RS232接收器，以及接收器与发送器使能控制输入。MAX232内部有两个电荷泵，将5V转换为10V空载，为RS232驱动器提供工作电压，第一个转换器利用电容C1将5V输入加倍，得到V输出端C3上的10V，第二个转换器利用电容C2将10V转换为V输出端C4上的10V。可以从10V（V）和10V（V）输出端获取少量的电源功率，为外部电路供电。串口连接电路如图42所示图42串口连接电路如图13，当外部中断执行8次（A/D采样两个周期）后，关外部中断，这时CPU内部存储器中存放有3个字符数组，每个数组中有16个字节的字符数据，CPU工作在查询方式下，通过串口将数据发送到计算机。5测试结果及分析51分频器电路测试用DF4321（20MHZ）型示波器测试，20MHZ晶振振荡产生波形如下图所示（扫描时间为02S）图51晶振振荡波形图52212倍分频输出波形对晶振频率212倍分频得到5KHZ（扫描时间为100S）激励信号如图52，其幅度约为5V（电压档位在2V档）。52功率驱动电路的测试功率放大后经变压器输出波形，如图53所示，电压档位在1V档，其幅度为25V。图中扫描时间为100S。图53驱动电路输出信号53信号转换电路测试将分频器的29倍分频输出进行微分得到信号如图54所示（扫描时间为10S，电压档位在2V档）。对该信号进行整形后得到A/D转换器的启动信号，如图55所示，频率约40KHZ扫描时间10S，电压档位在2V档。图54微分后的波形图55整形后的信号54带通滤波器的测试在其中一个传感器的输出如图56所示，峰峰值的最大值约为90MV（电压档位在20MV档），频率约为10KHZ（图中扫描时间的档位在50S档）。图56传感器输出波形图57滤波器输出将传感器输出接到滤波器，在滤波器的输出端得到二次谐波，波形如图57所示，频率约为10KHZ（扫描时间的档位在50S档），峰峰值约180MV（电压档位在50MV）。6对三分量测量的通道差异进行校正的方案设计三分量磁通门地磁场检测装置在设计制作中的难点是进行三分量测量时，对各分量进行前置处理的各个通道，其增益不可能完全一致，这会导致测量误差，影响测量结果的准确性和可靠性。下面对此问题提出两种解决方案61方案1通过硬件电路的调试进行校正硬件校正的原理是三分量信号的通道增益差异是在前置电路传感器输出和信号处理过程中产生的，也就是说各通道的选频放大环节的差异和传感器之间的差异是产生这种差异的主要原因，这些都可以通过调节放大器的放大倍数来纠正。具体的调节方法，将图34所示的选频放大电路的后级放大电路改成图61所示增益可调的放大器。在校正时，将三分量磁通门传感器固定好之后，用其中一个传感器分别对用三个通道进行测试，通过调节图中的变阻器来调节通道增益，使各通道的测量结果相符合。图61增益可微调的后级放大利用调节放大器增益的方法进行校正，这种方案的特点是调试方便，但需要对原来设计的硬件电路做修改。62方案2通过软件编程对测量结果进行校正采用硬件电路调试的方法，是对测量信号进行幅度的校正，从而达到准确测量的目的。实际上，我们可以用编程的方法引入校正系数直接对测量结果进行校正。下面详细介绍一下软件校正的具体方法首先为方便叙述，我们对传感器和各信号通道进行标记，将三分量传感器固定好之后，将三个传感器分别标记为A、B、C，同样将三个信号通道分别标记为X、Y、Z。接下来进行三次测量第一次，用X通道测量传感器A输出，Y通道测量传感器B输出，Z通道测量传感器C输出，记录测量数据、AX、；第二次，用X通道测量传感器B输出，Y通道测量传感器BYCZC输出，Z通道测量传感器A输出，记录测量数据、；BXCYAZ第三次，用X通道测量传感器C输出，Y通道测量传感器A输出，Z通道测量传感器B输出，记录测量数据、。进行以下计算CXAYBZ613/13/13/1/313131ZYXRZZZYYYXXCBACBA计算出了和，就可以得到各通道的校正系数ZR62/ZRJZYYXRX计算机在完成数据处理后，只要对相应的通道数据乘以校正系数就可以得到准确可靠的测量数据。总结设计的检测装置能够检测到地磁场三个分量的磁场信号，信号经前置电路滤波放大后得到测量需要的二次谐波，AD7656对该二次谐波进行四倍频采样，每次采样的16位数据在中断工作方式下16位并行传输到单片机，当单片机接收到两个周期的数据后，关中断，单片机工作在查询方式将读到的数据经串口电路发送到计算机。设计中用到了高精度模数转换技术和单片机的中断服务及串口通信。16位模数转换器采用SAR型A/D转换器AD7656，采用5V和9V电源供电，输出数据为16位二进制数。单片机采用广东宏晶公司生产的STC89C54RD单片机，用KEILC51编程软件应用C语言编程。设计主要利用单片机的外部中断和串口通信。设计给出了计算机数据处理的具体方法，测量数据可以发送到计算机进行处理和分析。参考文献及参考资料1王君，凌振宝传感器原理及检测技术M（55页至64页）吉林大学出版社200392何桥，段清明，邱春玲单片机原理及应用中国铁道出版社200593戴佳，戴卫恒51单片机C语言应用程序设计实例精讲电子工业出版社200644刘希芳，王君地学传感器原理及应用地质出版社199385李念强，张焕春，禹艾芹数字相敏检波器的设计与实现电测与仪表200156党瑞荣，杨灏，高国旺，石浩亮基于NIOS系统的数字相敏检波系统设计测井与射孔200717路长厚，刘文信，艾兴数字相敏检波技术及其应用制造技术与机床199778洪小丽，黄登红精密电感测微仪中的数字相敏检波技术研究测量与设备200759杨健弟李娇蔓杨国华宋安定一种数字高分辨率感应测井仪测井技术2007810刘升虎，邢亚敏，胡启数字相敏检波在随钻电阻率测井仪中的应用国外测井技术2007811张述杰，韩华超，张芝贤，刘东波利用数字相敏检波器消除电容式传感器漏电产生的测量误差仪表技术与传感器2007812朱虹，林君，吴忠杰，王智宏，占细雄近红外光谱仪中的数字锁相技术研究仪器仪表学报20061013宋浩然，赵铁龙AD7656的原理及在继电保护产品中的应用电子技术应用2007414刘越，刘富，逸松参考信号频率自调整的数字相敏检波器算法的研究1998415刘宏祥AD7656在测量中的应用200771614位二进制分频/计数器资料74HC4060PDFWWW21ICCOM2009317TTL电平转换电路资料MAX232PDFWWW21ICCOM200931816位高速模数转换器资料AD7656PDFWWW21ICCOM2009319单片机资料STC89C54RDPDFWWWMCUMEMORYCOM宏晶公司深圳20095致谢这篇论文是在段清明老师的悉心指导下完成的。论文从开题、内容研究到最后的审阅定稿都凝聚了段老师大量的心血。借此机会，我衷心地感谢段老师对我的指导。段老师学术不仅学识渊博，治学严谨，而且有着执着的敬业精神和诲人不倦的育人态度，这些值得我们尊敬，更加值得我们学习。在段老师的指导下，我不止在学习得到了很大进步，学到了更多的专业知识，更为值得的是在精神上获得了一次洗礼。在此，谨向段老师致以崇高的谢意。由衷地感谢仪器科学与电气工程学院的全体老师，感谢你们在学习和生活上给予我的帮助和指导。你们在教学和科研中忘我的工作精神感染了我，循循善诱的悉心教导，陪伴我走过了四年的大学生活，同时你们也将是我今后工作中学习的榜样。感谢尚新磊学长和吴海燕学姐对我的帮助和建议，他们在紧张忙碌的学习研究过程中仍不厌其烦的给我提供技术上的支持。感谢650505班的所有同学在过去四年的学习生活中对我的帮助与支持，感谢你们给我创造了一个轻松、愉悦的学习环境。尤其是王煜琦和宗发保同学，感谢两位多次为我提供帮助。此刻，请允许我向多年来教诲和支持我的父母及兄长表达我的感谢，我的成长过程凝聚着你们对我的无私的爱和殷切的期望。最后向文中引用到的学术论著及研究成果的作者们，向众多学者前辈致以诚挚的感谢，也感谢将为本文审稿的所有老师，您的宝贵意见将使我受益匪浅。英文翻译性能片内集成6通道模数转换真正的双极性模拟输入10V，5V输入电压范围可用引脚/软件选择高吞吐率可达到250KSPS电源45V至55V可选低功耗5V电源下，250KSPS160MW宽输入带宽50KHZ输入时，SNR为85DB片内提供25V基准电压和基准缓冲器支持并行和串行接口高速串行接口兼容SPI、QSPI、WIRE、DSP待机模式下最大电流5A采用ICOMS加工工艺64脚LQFP封装应用电力线检测系统仪表和控制系统多轴定位系统简单描述AD7656片内集成了6通道、16位、高速、低功耗、逐次逼近型ADC。正常工作在45V55V电源，吞吐速率可达250KSPS。片内包含低噪声、高带宽采样保持器，可处理输入频率高达8MHZ。转换处理和数据采集由CONVST信号和内部时钟控制。三位CONVST允许三对ADC同时独立采样。AD7656具有高速的并行和串行接口，允许其与微处理器和数字信号处理器进行接口。当使用串行接口模式时，AD7656具有的菊花链特性允许多个ADC和一个串行接口连接。AD7656可提供10V、5V的双极性模拟信号输入范围。片内集成了25V基准电压源，也可外接基准电压。若外接基准电压为3V，则模数转换器的最大允许输入电压范围为12V，相应地，VDD和VSS电源引脚要求分别接12V和12V。引脚说明REFCAPA,REFCAPB,REFCAPC参考电压引脚，这几个引脚应该通过10F和100NF去耦电容接地，来减小ADC通道参考缓冲器的衰减。V1V6模拟输入16引脚，他们是模拟前端输入，对应的通道输入电压范围取决于RANGE引脚的设置。AGND模拟接地端，所有模拟输入信号和外部参考信号电压都应是对应于该地的电压。所有AGND都应该连接到系统和AGND同电位的点。AGND和DGND应该理想地处于同电位，而且电位偏差不能超过03V。DVCC数字电源，通常为5V。DVCC和AVCC应理想地处于同电位水平，而且电位偏差不超过03V。通过10F和100NF去耦电容接DGND。CONVSTA,B,C转换使能逻辑输入，每对ADC有其对应的CONVST，用来启动每对或2个、4个、6个ADC同步采样。/CS片选信号，逻辑低电平时使能。/RD读信号，逻辑低电平时使能。BUSY忙信号输出，开始转换时为高电平，转换结束前一直为高电平。SER/PAR串行/并行选择输入，逻辑低电平时选择并行输出。DB0/SELA并行数据0位/串行选择A路输出。DB1/SELB并行数据1位/串行选择B路输出。DB2/SELC并行数据2位/串行选择C路输出。DB3/DCINC并行数据3位/C路是菊花链式。DB4/DCINB并行数据4位/B路是菊花链式。DB5/DCINA并行数据5位/A路是菊花链式。DB6/SCLK并行数据6位/串行时钟。DB7/HBEN/DCEN并行数据7位/高位使能/菊花链式使能。DB8/DOUTA并行数据8位/串行数据输出A。DB9/DOUTB并行数据9位/串行数据输出B。DB10/DOUTC并行数据10位/串行数据输出C。DB11/DGND并行数据11位/数字地。DB1213,DB15并行数据12、13、15位。DB14/REFBUFEN/DIS并行数据14位/参考缓冲使能（低电平时）/非使能高电平时。RESET复位脚，开机启动时需要大于100NS的复位电平。/STBY待机模式选择引脚，低电平时进入待机模式。W/B字/字节选择输入。低电平时数据以字方式输出和读入。英文翻译原文FEATURES6INDEPENDENTADCSTRUEBIPOLARANALOGINPUTSPIN/SOFTWARESELECTABLERANGES10V,5VFASTTHROUGHPUTRATE250KSPSSPECIFIEDFORVCCOF45VTO55VLOWPOWER160MWAT250KSPSWITH5VSUPPLIESWIDEINPUTBANDWIDTH85DBSNRAT50KHZINPUTFREQUENCYONCHIPREFERENCEANDREFERENCEBUFFERSPARALLELANDSERIALINTERFACEHIGHSPEEDSERIALINTERFACESPI/QSPI/WIRE/DSPCOMPATIBLESTANDBYMODE5AMAXICMOSTMPROCESSTECHNOLOGY64LQFPPACKAGEAPPLICATIONSPOWERLINEMONITORINGSYSTEMSINSTRUMENTATIONANDCONTROLSYSTEMSMULTIAXISPOSITIONINGSYSTEMSGENERALDESCRIPTIONTHEAD7656CONTAINSIX16BIT,FAST,LOWPOWER,SUCCESSIVEAPPROXIMATIONADCSALLINTHEONEPACKAGETHEAD7656COREOPERATESFROMASINGLE45VTO55VPOWERSUPPLYANDFEATURESTHROUGHPUTRATESUPTO250KSPSTHEPARTSCONTAINLOWNOISE,WIDEBANDWIDTHTRACKANDHOLDAMPLIFIERSTHATCANHANDLEINPUTFREQUENCIESUPTO8MHZTHECONVERSIONPROCESSANDDATAACQUISITIONARECONTROLLEDUSINGCONVSTSIGNALSANDANINTERNALOSCILLATORTHREECONVSTPINSALLOWINDEPENDENTSIMULTANEOUSSAMPLINGOFTHETHREEADCPAIRSTHEAD7656HAVEBOTHAHIGHSPEEDPARALLELANDSERIALINTERFACEALLOWINGT