（电路与系统专业论文）基于单片机的数字磁通门传感器.pdf

摘要 磁通门是一利t 用于测量微弱磁场( 如地磁场) 的传感器。它的测量范围宽， 并能测量磁场分量，可应用于许多领域。传统磁通门传感器主要采用模拟电路进 行信号处理。它在测量外部磁场时受温度的影响比较大。本文在分析传统磁通门 传感器的基础上研究了一种新的数字磁通门传感器。 这种传感器采用单片机c 8 0 5 1 f 0 6 4 作为处理器。单片机c 8 0 5 1 f 0 6 4 性能优异， 具有高速、稳定的特点。采用堆片机c 8 0 5 1 f 0 6 4 的1 6 位a d 转换器对传统磁通门 传感器输出信号进行采样，采样后的数字信号在单片机内通过程序来完成相敏整 流、低通滤波等功能，得到最终的反映被测磁场大小的直流电压输出量，然后通 过串口把输出量送给计算机。串口采用r s 2 3 2 标准接口。这样就实现了将环境磁 场强度信号转变为输出的数字信号。文中介绍了具体的软硬件设计，进行了电路 板和，i 器件的焊接、程序的调试。最终设计了实验的方法，使用该传感器对地球 磁场水平分量进行了测量。得到了比较满意的结果。如果想要进一步减小误著的 话，可以采用闭环电路。 文q 1 的实验结果表明采用单片机来设计数字磁通门传感器是可行的。它减化 了硬件r 乜l 路的丌销，大大改善了传统磁通门传感器的温度性能，提高了输出信号 的稳定性。由于译片机价格低廉，同使用f p g a ，d s p 的数字磁通门传感器相比较， 降低了成本。 关键字传感器磁通门单片机 a b s t r a c t f l u x g a t es e n s o ri su s e dt om e a s u r ew e a km a g n e t i ci n t e n s i t ys u c ha st h ee a r t h s m a g n e t i cf i e l d t r a d i t i o n a lf l u x g a t ea d o p t sa n a l o gc i r c u i tt op r o c e s si t so u t p u ts i g n a l i t s t e m p e r a t u r es t a b i l i t yi sn o ts og o o da st h ea n a l o gc i r c u i tw i l lb ei n f l u e n c e db yt h e t e m p e r a t u r ec h a n g e t h i sp a p e rs t u d i e san e w k i n do ff l u x g a t es e n s o rt h a tu s e sd i g i t a l m e t h o dt op r o c e s st h eo u t p u ts i g n a l d i f f e r e n tw i t ht h ef p g ao rd s pm e t h o d s ，t h i ss e n s o ru s e sam i c r o c o n t r o l l e r c 8 0 5 1 f 0 6 4t op e r f o r mt h ep r o c e s s t h eo u t p u ts i g n a lo ff l u x g a t ei ss a m p l e db ya d o fm i c r o c o n t r o l l e r t h e nt h es i g n a li sp h a s e s e n s i t i v er e c t i f i e da n df i l t e r e d a tl a s t ， t h ed i g i t a lo u t p u ti st r a n s m i t t e dt oc o m p u t e rb ys e r i a lp o r tr s 2 3 2 t h eo u t p u to f f l u x g a t ei sc h a n g e dt od i g i t a ls i g n a lt h a ti si np r o p o r t i o nt ov a l u eo fm e a s u r e dm a g n e t i c f i l e d t h ep a p e rd i s c u s s e st h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ee x p e r i m e n ti s d o n eb ym e a s u r i n gh o r i z o n t a lm a g n e t i cf i l e do ft h ee a r t hu s i n gt h es e n s o rm e n t i o n e d a b o v e t h er e s u l ti ss a t i s f i e da n dw i l lb ep e r f e c tu s i n gc l o s e dl o o ps t r u c t u r e t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w si ti sf e a s i b l et ou s et h em i c r o c o n t r o l l e rf o rd i g i t a l f l u x g a t e i t st e m p e r a t u r es t a b i l i t yi s b e t t e rt h a nt h ea n a l o gc i r c u i tf l u x g a t ea n di ti s c h e a p e rt h a nf p g a o rd s pm e t h o d s k e y w o r d s 】s e n s o rf l u x g a t em i c r o - c o n t r o l l e r i i 西北i + 业大学硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论 在直流和交流缓变弱磁场检测领域中，磁通门传感器山于具有宽的线性测量 范围、高分辨牢和商灵敏度，因而得到了广泛的应用。近年来，随着 m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) 年n 集成电路工艺的迅速发展，推动了磁通 门传感器由传统的结构型向固态化的转变。半导体固态传感器由于其体积小、重 量轻、性能优异、成本低廉等优点，因此在国防和民用领域得到了广泛的应用。 目前，为适应地磁测量、空间探测、卫星姿控等测探领域的需要，微型磁通门传 感器已引起了人们的普遍关注。 1 1 磁通门发展史 磁通门是一种用于测量微弱磁场( 如地磁场) 的传感器。1 9 3 5 年，德国人 发明了磁通门传感器。长期以来，磁通门一直是一种类似于变压器式的结构( 由 铁心、线圈和线圈骨架组成，这种结构阻碍了传感器体积重量的减小。近年来在 微型磁通门领域的理论和技术有了新的发展。1 9 9 0 年瑞士的t h o m a ss e i t z 研制 出了第一块微型磁通门传感器。该传感器的铁心是溅射到硅片上的软磁材料。通 过光刻成型，尺寸只有2 4 r 时。它的测量线圈是在对铁心进行绝缘处理后利用 单层会属铝线做成的平面螺旋线圈。它的激励线圈则是利用厚膜技术制作在一块 陶瓷基片卜的。尽管它还存在需要二次装配的问题。但它在磁通门技术的发展中 具有划时代的意义。1 9 9 4 年日本的s k a w a h il o 等人研制出了微型螺线管磁通门。 从】9 9 6 年丌始微型磁通门成为磁传感器研究的一个热点，出现了各种各样的微 型磁通门，不但有做在硅片上的，而且还有做在印刷电路板上的。2 0 0 2 年出现 了二维平呖微型磁通传感器。 传统磁通门传感器主要采用模拟信号处理。随着数字信号处理器的飞速发 展，使磁通门传感器进入了新的发展时代。由于数字信号的处理更加地准确和灵 活，数字磁通门应运而生。数字磁通门就是对磁通门传感器输出信号采样然后进 l 两北i 一业人学硕+ 学位论文第一章绪 论 行数字信号处理。这洋就可以取代原来的模拟电路。 1 2 传统磁通门传感器测量原理及存在的问题 磁通门的理想输出信号是只禽有偶次谐波的交流信号。通常需要把它变换成 与被测磁场成线性关系的直流电压信号。一般的方法是从二次谐波中提取信息。 由于一些因素的影响，实际输出的信号并不只是偶次谐波，也含有奇次谐波。因 此，必须采用一系列处理方法来实现对磁场的测量。 i i 幽i l 传统磁通fj 传感器原理 传统磁通f j 传感器的丌坏测量电路如图卜l 所示，它包括选频放大和相敏 整流两个部分。选频放大电路的主要作用是对有用信号放大的i 司时抑制激励频率 的奇次谐波。通过相敏整流后，信号的直流分量与被测磁场成线性关系。这两部 分主要采用模拟电路实现。它在测量外部磁场时具有一定的不足，例如模拟电路 受温度的影响比较大，误差较大，易发生偏移等。在丌环方式下由于铁心磁导 率随温度的变化很大，磁通门的灵敏度变化也很大。为了解决浚问题，可以考虑 用信号处理器对磁通门输出的模拟信号先进行采样，然后对数字化了的信号进行 系列的处理。这种做法有可能改进整个磁通门传感器的性能。 1 3 本论文主要完成的工作 困外在数字磁通门传感器方面也有很多的研究，j p iif _ h e n r i k s e n 采用数字 信号处理器d s p ”1 ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 进行信号处理，ua u s t e r t 采用可编程逻 辑门阵列f p g a ”1 ( f i e l dp r o g r a m m i n g g a t e a r r a y ) 进行信号处理，都取得了很好的效 果。本文研究采f _ f j | 单片机对磁通门传感器输出信号进行处理。以最大限度降低成 一电 电 一量 小l j 洲 输 一囹 | | 廿一 骨一牡 阿北i ：业人学硕十学位论文第一章绪论 本，改进传感器的温度性能。 i i 瑁一腿 图1 2 数字磁通门原理 图卜2 是本设计的结构图，主要有单片机硬件电路的设计和软件编程。其中 硬件电路的设计主要包括以卜几个部分： ( 1 ) 输入电路的设计 实际磁通门输出信号的比较小，不一定满足单片机采样的要求。因此，必须 对信号进行放大和中心电平的调整。 ( 2 ) 输出电路的设计 处理后的信号采用串口传递给计算机，文中采用标准的r s 2 3 2 接口。 ( 3 ) 单片机外围电路的设计 为了使单片机【卜常的工作，外围电路的设计也很重要，主要有复位电路、振 荡电路等。 软件编程主要实现两人功能：a d 采样和采样信5 的处理。其中a d 采样是通 过对单片机的特殊寄存器写入数据来完成的，信号处理则是通过编写程序来实现 传统磁通门传感器的相敏整流和低通滤波的功能。 具体各个部分的实现如下： ( 1 ) a d 转换 为了提高采样精度，必须尽可能的提高采样点数，c 8 0 5 1 f 0 6 x 的a d 最人采 样频率为1 , l s p s 。这远远大于我所需要的采样频率。最终根据实际要求确定每个 周期的采集点数。 ( 2 ) 采样信弓处理 实际采样得到的信号并不是理想状态f 的，它带何一定的干扰信号，含有奇 次谐波分量，尤其以基波信号最为明显。此处必须将它们去除。这墼需要确定一 种算法来去除奇次谐波。 去除奇次谐波后，还必须把信号变换成于被测磁场成线性关系的数字信号， j 能有效的反映被测磁场的大小，即_ ：爻现低通滤波的功能。 【j u 北l 业大学硕十学位论文第一章绪 论 具体的方法是：在基准方波的前半个周期对输出信号x ( n ) 进行同相放大， 在基波的后半个周期对x ( n ) 进行反相放大，然后进行低通滤波。在数字信号处 理中，可以用卷积的方法来实现这功能。 假设磁通门输出信号经过相敏整流后为s ( n ) ，最终得到得直流电压信号为 y ( 1 ) ，低通滤波器为h ( n ) 。相应的y ( n ) 就是所要求的数字量： y q ) 一5 ( 月) s ( 月) ( 1 一1 ) 木次试验主要是完成全部相关硬件电路，即电路板的设计，加工。进行算法 研究相应模块的软件编程。最后进行系统的调试，仿真，使输出的信号能够近 似反映波测磁场的大小。最终得到分辨率不低于1 2 位的数字置输出信号。 1 4 本文的结构 拿文共分六章，围绕1 _ 3 节巾指出的叫个部分进行研究。 第一章介绍磁通门传感器的发展史，讨论了传统磁通门传感器的测量原理以 及存侥的问题。综合分析新技术的发展及利用新技术解决这些问题的方法，从而 引出本文要研究的问题。 笫二章首先对几种磁场测量传感器进行了分析比较，得出磁通门传感器最适 合进行地球磁场的洲量。然后讨论了传统磁通门传感器的原理和结构、磁通门输 出信号的处理方法。 第三章介绍了中l 机c 8 0 5 1 f 0 6 4 的性能，设计了硬件电路并且采用软件 p r o i e l 进行实现。 第四章进行了采集程序，数字输出信号处理程序以及串r 程序的编写及调 试。介绍了荜片机c 8 0 5 1 f 0 6 4 的开发环境，软件的使用。 第工章设计了实验的方法并进行了试验结果的分析。 第六章总结全文，指出本文的创新点和结论并提出需要进一步研究的问题。 4 两- i l t 业大学硕十学位论文 第章触测量技术及磁通i j 基本原理 第二章磁测量技术及磁通门传感器 本章首先对几种磁场测量传感器进行了分析比较，得出磁通门传感器最适合 进行地球磁场的测量。然后讨论了传统磁通门传感器的原理、结构以及磁通门输 出信号的处理方法。 2 1 磁测量技术概述 磁测量技术的发展和应用，一直是人们甚为关注的问题。由丁近代物理和尖 端技术的突飞猛进，几乎任何技术领域都离不开磁测量。 在工业生产领域，许多电器电机产品的生产都离不开磁测量，如电视机，计 算机等的磁干扰测试，电机i 隙产生的均匀或非均匀磁场分布探测等；同样也可 以以磁量为媒介对转速，频率，位移，角度，角速度，电压，电流，温度等参量 进行【剐接测量；其它如钢丝绳无损探伤，磁法测井，磁性参数测量，地下铁磁物 质和管道探测等也大量应用了磁测量；磁测量技术在国防和军事上也有十分广泛 的应用，如磁性扫雷，磁探针，船舶消磁，导弹磁导等。近年来生物医学领域中 大量应用了磁测技术，比如对于长期处于恶劣环境条件下的工作人员( 如矿i l l 工 人) ，由于长年累月吸进粒尘，在肺部会逐渐形成一层磁性尘埃再加上人体中导 电物质中的离子电流等因素，人体会产生微弱磁场，经磁化后形成一剩磁场，研 究其频谱，会对病理的诊断产生意想不到的效果。 由于地球磁场比较微弱，必须使用弱磁传感器。近儿十年来，由于物理学， 电子学以及计算机科学技术的迅速发展，同时由于电子技术半导体技术以及新材 料的发展和出现，为弱磁传感技术的发展提供了条件，而各种物理效j , 2 5 h 定律在 弱磁测晕中的大量应用，促使产生了数十种测量方法和仪器。下面是一些具有代 表性的弱磁信号测量仪器以及它们的主要应用。 ( 1 ) 无定i 耐磁强计”1 这种仪器利用被测磁场中的磁化物体( 磁针) 与被测磁场之间相互作用的机 械力( 或力矩) 柬测量弱磁信号，这种方法i u 以测量均匀，非均匀和变化的磁场。 西北一l b j k 人学硕十学位论文 第一章磁测量技术及磁通fj 基本原理 应用电子负反馈和数字技术之后，其磁系相当于一指零装置，灵敏度只与反馈线 圈常数，磁系和线圈的相对位置以及线圈中的电流有关，这样就可以提高仪器的 稳定性和线形度。分辨力可达1 0 1 t ，但由于调整复杂，对测试环境条件要求苛 刻，只能在固定场所进行测量。从而限制了它的使用范围。 ( 2 ) 光泵磁强计( o pl ic a l l yp u m p e dm a g n e t o m e t e r ) “1 光泵磁强计是利用塞曼效应( z e e m a ne f f e c t ) ，对弱磁进行绝对测量的一种 精密仪器。图2 1 所示的是一种光泵磁强计的框图。 铷灯 干涉滤光片h 0 l ”r 。 吸收室光电池 图2 1 光泵强磁计原理框图 图中，铷灯放射d 谱线( 红外) ，经干涉滤光片，d 谱线的图偏振光通过 铷吸收室到达光电池，调节高频线圈的频率f ，使达到光电池的光再次减少时， 此频率与待测磁场强度m 成正比。这种方法可以测量小于1 0 “t 的弱磁信号，分 辨力可达1 0 1 t 。灵敏度高，无需严格定向，可测磁场分量是它的特点。但这种 仪器由光学系统和气室构成的探头体积大，同时还存在着由漂移等造成的不稳定 性等问题，需要用严格的方法保证其稳定性。 ( 3 ) 感应线圈磁强计”1 它是以法拉第电磁感应定律为基础的弱磁测量仪器，图2 2 是一种旋线圈磁 强计，它利用锁相环将电机转速锁定在基准频率f ，上，当由于外加磁场使电机转 速变化时，环路产生误差电压，迫使电机恢复到原来的速度，从而使感生电动势 精确的正比于被测的磁场强度，但这种技术受到电机转速稳定性的影响。 幅北l ! 业犬学硕一l 学位论文 第章磁洲鼙技术及磁通f j 基本原理 幽2 - - 2 感应线圈磁强计原理框图 图中：f 。电机旋转角速度6 0 。的频率 f 基准信号的频率： f 。一一反馈信号的频率； ( 4 ) 磁通门强磁计( f 1 u x g a t em a g n e t o m e l e t ) 磁通门现象是一种普遍存在的电磁感应现象，它是利用高导磁材料在传感器 线圈系统中的磁饱和特性而测量磁场的仪器，是应用最广泛的弱磁测量仪器之 一。这种仪器结构简单、体积小、重量轻、功耗低、抗震性好、测量范围宽、灵 敏度高、分辨力高、稳定性好，适用于测量恒定磁场或缓慢变化的磁场，在后续 处理电路稍加改变后也可测量变化磁场。 磁通门强磁计主要由两部分构成，一部分是探头，一部分是测量电路，其中 探头的形状，材料，激磁方式等会影响整个仪器的灵敏度和分辨力。材料的选择 范围很广，最常用的是铁氧体和坡莫合金但也有用非品态合金等新型材料的报 道。探头铁心的形状也有很多种( 如圆环型，跑道型，圆柱型等) ，它们各有优 缺点，激磁方式主要有三角波激磁、正弦波激磁和方波激磁。 2 2 传统磁通门传感器 磁通门传感器是根据磁饱和原理制成的。它的输出既可以是电压也可以是电 流，还可以是时【、u j 差。磁通门传感器没有迟滞误差。它的测量范圈可以从o t ( 特 拉斯) 至l o 。2 t ，并能测量磁场分量。特别适用于在高速运动的系统中做测量，可 应用于地质探矿、工业探伤、车辆控制、搜查武器以及飞机、p 星、船舭和车辆 导航等许多领域。高分辨率磁通门甚至叮用于人体生物磁场的测量。存诸多类型 的磁场测量装置中( 如超导量子磁强计、霍尔元件、磁阻器件等) ，磁通门是综 西北i ：业火学硕七学位论文 篇一：章磁测鼙技术及磁通fj 摹本原理 合性能最好的一种”3 。 虽然磁通门还存在着处理电路相对较复杂、体积较大和功耗相对较大的问 题，但随着微系统、微型磁通门和低功耗磁通f j 的研究，这些问题都呵以得到解 决。 根据几种传感器优缺点的比较结果，我认为磁通门传感器是最适合用于地球 磁场测量的。因此，本文采用磁通门传感器来测量地球磁场的水平分量。 2 2 1 磁通门传感器的理论基础和单铁心磁通门 磁通门探头是种稍加改造的变压器式器件，但其变压器效应只是作为对被 测磁场进行调制的手段。它的物理模型是在一根铁心上缠绕长度为i ，匝数为 n 。的初级线圈和长度为i 。，匝数为m 的次级线圈，铁心由软磁材料制作，设其横 截面积为s ，磁导率为u ，载流激磁线圈在铁心上建立的激磁场强度为h 。，环境 磁场强度为。给初级线圈通以角频率为。的j 下弦激励电流i 。激磁磁场强 度为 h ，= h ，s i ng o t 武中：h 。为激磁磁场强度幅值。 ( 2 1 ) 当h 。远小于铁心材利的磁饱和磁场强度h 。且环境磁场h 。又远小rh 。时，可 以认为铁心材料的磁导率u 是常数。图2 3 ( a ) 就是一个理想变压器。次级的 感应电压等于穿过次级线圈的磁通链对时间t 的导数的负值，即： 心= 一导( ：础，s ) = 一c o n ：。s c o s t ( 2 2 ) “f 如果增大h 。，使它大f 铁心的饱和磁场强度h 。则该变压器就_ 作在b h 曲 线( 如图23 ( c ) 所示) 的非线性区，因而铁心的磁导率u 不再是常数，变压器 就变成了单铁心磁通门。此时，把初级线圈称为激励线圈，次级线圈称为测量线 圈。 由于磁导率u 没有正负之分，随着激励磁场强度h 。的变化，n 的变化如图 2 3 ( d ) 所示。从图2 3 中可知。p 是一个周期信号，它的周期是h 。的一半，所 以其重复频率为2u 。u 还是一个偶信号，把它展成傅立叶级数只含有直流分量 r 西北i ：业大学硕： 学位论文第一二章磁测量技术及磁通fj 基本原理 u 。和余弦分量u 。，即： = d + ，c o s 2 i 6 0 t ，= i 以= 吨s 象汩o = 以s f 一曲d h 。+ h 。瓦d = 一：s ( 几十喜c 。s z r “ 删。c 。s 甜一( 喜：，掣, s i n 2 i o j t i h i n 耐 凶为 卜叫i 一 ( a ) ( c ) ( b ) 幽2 3 单铁心磁通fjj ：作原理 c 。s t c o s 2 ，删= ；【c 。s ( 2 l 扮+ c 。s ( 2 ( d ) 1 ) c o t ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 所以式( 2 4 ) 中只含有激励磁场强度m 的奇次谐波分量。也就是洗，单铁心 磁通们在被测磁场h ，= 0 时的输出电压只含有激励电流的奇次谐波。 当被测磁场h 。不为零时，铁心中的磁场强度为h 。十h 。，忽略i i 。对磁导率的影 响( 困h ， h 。) ，则测量线圈的电压为： 曲- e l i 。业大学硕十学位沦文第二章磁测量技术及磁通j 基本原理 “。= 一：s 【一鲁鼍+ h 。) + ( t o ，+ 日，) 知。 = - n 2 s 【( 一d + 芦l c o s 2 i o d t ) o j h 。c o s _ o t 一( 办出，s i n 2 i t o t ) h ，s i n o ) t 】+ j i f ，】 + n 2 s h ，( 2 i 甜p 。s i n 2 m t ) ( 2 一7 ) 与式( 2 - 4 ) 相比，式( 2 - 7 ) 中多了一项( 最后一项) ，该项中只含有激励 电流的偶次谐波，且幅值是被测磁场h ，的函数。采用选频电路，从u 。中选出偶 次谐波项( 一股是选二次谐波) ，就得到了表示被测磁场h 。的交流电压信号。这 就是单铁心磁通门的工作原理。 从以上工作原理可以看出，铁心磁导率随激磁磁场强度而变，感应电势中 就会出现随环境磁场强度而变化的偶次谐波增量，利用这种物理现象可测得环境 磁场，铁心磁导率刖的变化对环境磁场好像是一道“门”，通过这道门，相应的 磁通量即被调制，并产生感生电势。因此，这种器件被称为磁通门探头。它能将 环境磁场调制成偶次谐波感应电势，这种现象称为磁通门现象，由环境磁场而产 生的那部分感应电势成为磁通门信号。铁心探头必须工作在饱和状态，才能获得 较大的信号。利用这一点可以测出环境磁场在铁心轴向分量的大小。当测试现场 周围没有强的外界电磁场干扰时，可以认为环境磁场即为当地地球磁场的水平分 量。 2 2 2 双铁心探头及其工作原理 上述物理模型是一利r 单铁心磁通门探头。与变压器效应相比，其感应线圈输 出的磁通门信号e ( h 。) 非常微弱。所以，不可以直接利用单铁心磁通门探头感应 线圈输出信号测量环境磁场，而必须先剔除变压器效应感应电势。这就需要选择 法电路，磁通门法电路有两种选择法则：一种是频谱选择法；一种是谐波选择法。 谐波选择法已有两种：一种是偶次谐波法；另一种是二次谐波法。单铁心探 头输出的信号混在噪声巾，采用偶次谐波法，一般使用差值检波电路，使所有奇 断北 ：业大学硕士学位论文 第二二章磁测量技术及磁通fj 基本原理 次谐波噪声自行抵消，而检测出所有偶次谐波信号，但其动，静念特性都很差。 所以，一般采用二次谐波法，二次谐波法的基本叫：节是带通滤波器和相敏整流器。 为了实现精确测量，必须设法消除磁通门探头变压器效应的感应电势，其力 法是设计差分输出探头。只有使两个单铁心探头平行，他们的激励线圈反相串联， 感应线圈同相串联，爿能使变压器效应感应电动势相抵消，而磁通门信号叠加。 这样，就成为一个双铁心磁通门探头( 如图2 4 所示) 。 图2 4 双铁心磁通门 假设两根铁心及其线圈的形状尺寸和电磁参数完全对称，铁心的饱和磁场强 度为h s ；铁心未饱s nh , $ 的磁导率为uo ；h o 为被测磁场强度，即环境磁场强度在 铁心轴向的分量：h 。c o s w t 为激磁磁场强度。可用图解的方法求解上述理想条件 下的感应线圈输出信号u 。 磁 感 应 强0 度b t 磁场强度h a m ( a ) 双铁心磁通门 磁化曲线 磁 感 鬈。 度b t ( c ) 初级( 实线) 、次级 ( 虚线) 线罔中的磁感应强 度 阿北i ：业人学硕i 二学位论文 第+ 章磁洲鳢技术及磁通门基本原理 o u l r a d 磁场强度h a m 。1 ( b ) 初级( 实线) 、 次级( 虚线) 线髑中的磁场 图2 5 磁通门t 作原理 n 2 s “h 。w 2 0 s w t 甜= “1d - “2 = n 2 - 跏h 。，c o s w t o 将( 1 5 ) 展开成傅立叶级数徊 i 为偶数 电雎 u v 0 u t r a d ( d ) 初级( 实线) 、 次级( 虚线) 线圈 中的感应电压 t o t r a d ( e ) 投铁心磁通门的输 l j 电 乐 0 i ”，a 2 ，订3s w ，“4 ) 如5 w t ( 1 6 ，“7 w t 墨日8 ) ( 2 - - 8 ) t k ：廿 ( 2 9 ) 由式2 - 9 可见，磁通门的输出信号u 是只含有偶次谐波的交流信号而且与被 测磁场和激励磁场的幅值成非线性关系。必须把它变换成于被测磁场成线性关系 的直流电压信号，才能有效的反映被测磁场的大小。 2 2 3 磁通门传感器的构成 一般来说磁通门传感器由高导磁铁心及励磁线圈和检测线圈构成，但如果按 照传感器的定义则是：由高导磁铁心及励磁线圈和检测线圈构成的只能是磁通门 i2 oc p o l 卜 l “ k + 0c k“ 0 l 卜 l 一 一f f、1 甜阿 品 2 一厅 。m耐 = n “ 刚 西北1 业人学硕十学位论文第二章磁测量技术及磁通门基本原理 传感器的探头。除探头外用于励磁和检测探头信号的电路也应该是磁通门传感器 的组成部分，它们共同构成磁通门传感器( 如图2 - 6 所示) ，因为没有这些电路， 探头本身是无法完成探测信号并转换信号的任务的。励磁电路和检测电路统称为 磁通门传感器的接口电路。 图2 6 磁通门传感器构成示意图 2 2 4 磁通门探头的结构 磁通门探头的结构直接影响传感器的体积、重量和功耗，结构还影响生产、 加工的复杂程度，因而也影晌传感器的成本。磁通门的结构很多，一般可分为三 类：开磁路结构、闭磁路结构和垂直激励结构。 ( 1 ) 开磁路结构【1 1 图2 7 就是种j l ：磁路磁通门的示意图。根据测量线圈的绕制位置。开磁路 磁通门可分为小测量线圈结构( 如图2 7 ( a ) 所示) 和大测量线圈结构( 如图2 7 ( b ) 所示) 丌磁路磁通门有以下特点： 1 ) 这种磁通门的铁心直径比长度小得多。铁心在形状l 的这种方向性使其 横向效应非常小，有利于测量磁场分量； 2 ) 铁圈绕制与铁心匹配较容易； 3 ) 由于两根铁心磁路不闭合，磁通门的功耗相对较大； 4 ) 图2 7 的两种结构相比，大测量线圈噪声小，但灵敏度低。 两北i 业人学硕士学位论文 第二章磁测量技术及磁通门基本原理 ( a ) 图2 7 丌磁路磁通门的结构 ( b ) ( 2 ) 闭磁路结构 闭磁路磁通门相当于把开磁路磁通门两个铁心的两端相接组成闭合磁路。闭 磁路磁通门的结构按铁心的形状分为三种：圆环型、跑道型( 椭圆形) 和矩形( 口 型) ，如图2 8 所示。每种结构都育大测量线圈和小测量线圈之分。闭磁路磁通 门具有如下特点： + 刁 “ 一 ( c ) ：矩形小测量线圈 ( d ) ：跑道形小测量线圈 图28 闭碱路磁通fj 的结构 1 ) 因激励电流产生的磁场相互叠加，使传感器的功耗相对较小 2 ) 传感器的噪声小； 3 ) 传感器的零点漂移小； 1 4 西北工业人学硕士学位论文 第一章磁测餐技术及磁通f1 基本原理 ( 3 ) 垂直激励结构 垂直激励结构一般只有一个铁心，但它也可以抑制输出中的奇次谐波。磁通 门的激励磁场垂直于被测磁场，测量线圈与激励磁场垂直，使磁通门的输出几乎 不存在激励电流的奇次谐波。测量线圈感受到只是被变化的磁导率u 调制了的 被测磁场。这种磁通门的结构如图2 - 9 所示。 一 一 j、 ifl、 + i ：| 。 、il y liil p djiii p l 一 ib y liip 一 ( b ) ：管形铁心 图2 9 垂直激励磁通门 2 3 磁通门信号处理 磁通门探头和许多检测非电量物理参数的传感器一样，不能直接提供j 被测 物理量单一因素相对应的，直接进行显示，采集或控制的模拟电量。因而需要配 备转换电路。 每一种专用传感器的转换电路，都具有特殊的结构和性能指标。它们所要实 现的转换功能非常明确，就是将探头输出中的与被测磁场在其轴向分量有关信号 检测出来，再转换成系统所要求的某种模拟电量。 2 3 1 磁通门信号处理方法 由2 2 2 节可看出，磁通门的输出是含有各次谐波的交流信号。需要把它变 换成与被测磁场成线性天系的直流电压信号( 称为传感器输出信号) 。本节讨论 磁通门输出信号的处理方法。 磁通门转换电路的作用是将图2 5 ( e ) 所示的信号u 。转换成直流电i _ j 三信号。主 要进行相敏整流。取一个与激励电源二次谐波同频率的方波u 、为整准信号。相敏 整流在基准信号的前半个周期对u 、进行同相放人，在基准信号的后半个周期对u 。 1s 两北】业火学硕一l ：学位论文第章磁测造技术及磁通fj 基本原理 进行反相放大，如图2 一l o ( a ) 所示。经相敏整流后，得到的信号u 。如图2 一i o ( b ) 所示。 ：一二 眦限眦 i 川。；川7 ? 一一 u 。的直流分量为 幽2 一1 0 相敏整流原理 1 z 。= 三n ：& z ( ，+ e 2 ) h 。 玎 nnnnn 。 曩l 7 ala3a 5 a7 ( b ) ( 21 0 ) ( 2 1 1 ) 式中：，铅为次级线圈的匝数：s 为铁心截面积? 为铁心在不饱和段的磁导 率j “为激励电流的角频率i 册和战分别是相敏整流的同相和反相放大倍数 由式( 2 1 1 ) 可看出，“。与被测磁场的大小成线性关系。 2 3 2 信号处理电路 传统的模拟信号处理电路包括选频放大电路和相敏整流电路。选频放人电路 选出传感器输出的2 次谐波并放大，相敏整流电路将放大后的2 次谐波转换成直 流电压信号。 选频放大电路如图21 1 所示”1 ，这是一个普通的多环反馈型_ 二阶带通滤波 器。其特点是电路简单可靠。 曲北工业大学硕：l 学位论文 第一章磁测颦技术及磁通门摹本原理 图2 - 1 1 选频放大电路 相敏整流电路是实现式2 一l o 的功能。为了消除直流分量的影响，相敏整 流电路的同相放大倍数和反相放大倍数必须相等，即e = 。有一种简单可靠的 相敏整流电路如图2 1 2 所示。当模拟丌关向上连接时，进行反相放大：当模拟 开关向下连接时，进行同相放大。 r 1 r 3 准 一 剀2 - 1 2 相敏整流电路 要使同相与反相放大倍数相等，必有 里：l+堕(2-12) r ，r 所以 见：垡坠：r r ，( 2 一l3 ) 。 尺+ 尺 13 也就是说，当阻值满足条件r ：等于r 和r ，的并联值时，图2 一1 2 所示的相敏 整流电路能够消除直流分量的影响。 上述的模拟电路受温度影响比较大，变化较大时必须进行温度补偿。如果采 用数字电路，用a d x , j 磁通门输出信号进行采样，然后采用算法对采样信号进行 处理，就可以解决这一问题。 两北i 、i k 人学硕士学位论文第二章磁测鞋技术及磁通j 基本原理 2 4 小结 本章首先对几种磁场测量传感器进行了分析比较，得出磁通门传感器最适合 进行地球磁场的测量。然后讨论了传统磁通门传感器的原理和结构、磁通门输出 信号的处理方法。通过分析可看出影响传统磁通门传感器测量精度的主要因素是 传感器的零点和灵敏度。般情况下，零点和灵敏度会随着温度的变化而变化。 为了解决这一问题，后面章节将讨论如何设计数字磁通门传感器。 对磁通门输出信号处理的关键是选频放大和相敏整流。合理设计电路可以抑 制和消除无用信号( 奇次谐波和直流分量) 的影响。本章详细介绍了传统磁通门 传感器输出信号选频放大和相敏整流的原理以及实现电路。数字磁通门传感器输 出信号的处理同传统磁通门传感器的信号处理原理基本是相同的，但实现方法却 有很大的差别。关于数字磁通门传感器输出信号处理的原理及实现方法将在第四 章进行介绍。 幽一匕： 业_ 人学硕十学位论文 第三章硬件电路的设计 第三章硬件电路的设计 c 8 0 5 1 f k x 系列单片机是关因c y g n a i 公司推出的一种与5 1 系列单片机内核兼 容的译片机。本章介绍了单片机c 8 0 5 1 f 0 6 4 的性能，设计了硬件电路并且采用软 件p r o t e l 避行实现。 硬件电路的设计工作主要包括：芯片的选择，单片机外围电路的设计、输入 电路的设计、输出电路的设计、d a 的设计、串【_ | 的设计、供电电源的设计等。 3 1 单片机电路设计 3 1 1 单片机的选择 整个测量电路硬件方面的实现主要考虑采用c 8 0 5 i f 0 6 4 单片机，这个单片机 是集成存一块芯片上的混合信号系统级单片机，带有5 9 个数字i 0 管脚，2 个 集成的1 6 位1 m s 船的a d ，具体的些特性如下： ( 1 ) c 8 0 5 1 f 0 6 x 系列器件采用s i l i c o nl a b 的专利c i p 5 1 微控制器内核。 c i p 一5 1 与m c s 一5 l t m 指令集完全兼容，可以使用标准8 0 3 x 8 0 5 x 的汇编器和编译器 进行软件f ：发。c i p5 l 内核具有标准8 0 5 2 的所有外设部件，包括5 个1 6 能的计数 器定时器、两个全双i u a r t 、2 5 6 字节内部r a m 、1 2 8 字节特殊功能寄存器( s f r ) 地址空间及4 个8 位宽的i o 端口。c i p 一5 1 采用流水线结构，与标准的8 0 5 l 结构相 比指令执行速度有很大的提高。在标准8 0 5 i 中，除m u l , ： f i d i v 以外所有指令都需要 1 2 或2 4 个系统时钟周期，最大系统时钟频率为1 2 - 2 4 m 1 i z 。而对丁c i p5 1 内核，7 0 的指令的执行时间为1 或2 个系统时钟周期，只有4 条指令的执行时问大于4 个系 统时钟周期。c i p 一5 1i ：作在最人系统时钟频牢2 5 m 1 i z 时，其峰值性能达至1 1 2 5 m 1 p s 。 ( 2 ) c i p - 5 l 有标准的8 0 5 l 程序和数据地址配置。它包括2 5 6 字节的数据r a m ， 其中高1 2 8 字节为双映剿。用间接寻址访问通用r a m 的高1 2 8 字 ，川直接寻址访 问1 2 8 宁节的s 地址空i i 口j 。c i p _ 5 i 的s f r 地址空l | j 可包龠多达2 5 6 个s f r 页。通过 越北- 业人学硕 ：学位论文 第三章硬件电路的设计 ，旧 畎，c i p 一5 1 m c u 可以控制大量用于控制和配置片内外设所需要的s f r 。数掘 i f ，v 的低1 2 8 字节可用直接或间接寻址方式访问。前3 2 个字节为4 个通用寄存器区， 豫下柬的1 6 字节既可以按字节寻址也可以按位寻址。c 8 0 5 i f 0 6 x 巾的c i p 一5 1 还另 有位外部数据存储器地址空删的4 k b 的r a m 块和一+ 个可用于访问外部数据存储 器门镛部存储器接口( 叫i f ) 。这个片内的4 k b r a m 块可以在整个6 4 k 夕 - 部数据存 储：； ： 地址窄间中被寻址( 以4 k 为边界重叠) 。外部数据存储器地址空问可以只映 射幸l 片内存储器、只映射到片外存储器、或两者的组合( 4 k b 以f 的地址指向片 内，4 k b 以卜的地址指向e m i f ) 。e m i f 可以被配置为地址数据线复周方式或非复 用可式。m c u 的程序存储器包含6 4 k b ( c 8 0 5 1 f 0 6 0 l 2 3 4 5 ) 或3 2 k b ( c 9 0 5 l f 0 6 6 7 ) 的f l a s t l 。该存储器以5 1 2 字节为一个扇区，可以在系统编程， 且彳i ：弱特别的外部编程电压。对于c 8 0 5 1 f 0 6 0 1 2 3 4 5 ，从0 x f c o o 到0 x f f f f 的 1 0 2 1 字节被保留。还有一个位于地址o x l 0 0 0 0 一o x l 0 0 7 f 的1 2 8 字节临时存储器 扇区，该扇区可被固件用于非易失性数据存储。 ( ： ) c 8 0 5 1 f 0 6 x 系y f j m c u 对c i p 一5 1 内核和外设有几项关键性的改进，提高了 整体性能，更易于在最终应用中使用。扩展的中断系统向c i p 一5 1 提供2 2 个中断源， 允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。个巾断驱动的系统需要较少的m c u t ：颅踟而有更高的执行效率。在设计一个多仟务实时系统时，这些增加的中断 源是扎常有用的。 m c u 可有多达7 个复位源：一个片内v d d 监视器、一个看fj 狗定时器、一个时 钟丢失检测器、个由比较器0 提供的电压检铡器、一个软件强制复位、c n v s t r o 输入引脚及r s t t j i 脚。r s t 9 1 脚是双向的，町接受外部复位或将内部产生的上电 复位信号输出到r s t 引脚。除了v d d 监视器和复位输入引脚以外，每个复位源都 l u l 以山用户用软件禁i 卜：使用m o n e n 引脚使能禁止v d d 监视器。在一次上 缸复 位之后的m c u 初始化期i u j ，呵以用软件将w d t 永久性使能。 u 内部有个独立运行的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟。如果 需要，u 弦l ，源可以在运行时切换到外部振荡器，外部振荡器可以使用晶体、陶瓷 谐振器、电容、r c 或外部时钟源产生系统时剀，。时钟切换功能在低功耗系统中 是犯常有用| ! ；( j ，它允可l ：u 从一个低频率( 节 乜) 外部晶体源运行，当需要时再 剧期性地切换到高速内部振荡器( 1 1 j 。达2 5 m i t z ) 。 ( ) c 8 0 5 1f 0 6 x 系列器件具有片内“a g 边界扫描和调试电f # ，通过鲫却。 t a g 接口_ i _ 他用安装在最终应用系统中的产品器件就可以进行非侵入式、全速的在系 统竭试。改、兀a g 接口完全符合i e e e1 1 4 9 1 规范，为牛产和测试提供完全的边界 扫描助能。s jli c 0 1 2l a b 的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、 2 0 西北工业大学硕士学位论文第三章硬件电路的设计 观察点、堆栈指示器和单步执行。不需要额外的目标r a m 、程序存储器、定时器 或通信通道。在调试时所有的模拟和数字外设都正常工作。当m c u 单步执行或遇 到断点而停止运行时，所有的外设( a d c 和s m b u s 除外) 都停止运行，以保持同步。 开发套件c 8 0 5 1 f 0 6 0 d k 具有开发应用代码所需要的全部硬件和软件，并可对 c 8 0 5 1 f 0 6 xm c u 进行在线系统调试。开发套件包含基于w i n d o w s ( 9 5 或更新版本) 的丌发环境、连接j t a g h 的串行适配器和通信所需要的电缆及墙装电源”l 。 对于丌发和调试嵌入式应用来说，s ili c o nl a b s 调试环境比标准m c u 仿真器 要优越得多。标准的m c u 仿真器要使用在板仿真芯片和目标电缆，还需要在应用 扳上有m c u 的插座。s i li c o nl a b 的调试环境既便于使用又能保证精确模拟外设的 性能。 3 1 2g 8 0 5 1 f 0 6 4 单片机的设计 采用c 8 0 5 1 f 0 6 4 单片机进行本次设计，通过学习参考资料明确了它的外 j i ；l 电 路的连接方法。许多管脚都要接滤波电容以使电路稳定，例如： v r e f ，v b g a p i ，v r e f l ，v r e f o 。还有一些管脚是电源或地线，都要依据说明连 好。 由丁内部时钟不够稳定，尤其是小能满足串口通信的需要，我在设计中加上 了外部的品振电路。晶振