可擴展的高精度磁場采集系統的設計

方　濤，劉勝道，趙文春

（海軍工程大學 電氣工程學院，武漢 430033）

可擴展的高精度磁場采集系統的設計

方濤，劉勝道，趙文春

（海軍工程大學 電氣工程學院，武漢 430033）

當對弱磁場進行測量時，對磁場采集系統的性能提出了更高的要求，設計了一種基于Σ-Δ技術模數轉換器的高精度數據采集系統，并對測磁系統進行了多通道擴展。通過硬件和軟件優化相結合的方式提高系統的測量精度，硬件優化包括抗混頻濾波和消除供電電源帶來的干擾，軟件優化包括對采樣數據進行FIR低通濾波、標度變換和平滑濾波。實驗證明，設計的磁場采集系統精度良好，滿足了項目中對于系統擴展和精度的要求。

磁場磁場采集系統高精度多通道

0　引言

隨著處理器技術的不斷發展與更新，以嵌入式系統為核心的數據采集系統已經廣泛運用于社會生產、生活以及科學研究等各個方面。數據采集系統的任務就是將采集到的物理量（磁場、溫度、壓力、濕度以及位移等）轉換為數字信號，再由處理器進行分析、存儲和顯示[1]。在生產領域，數據采集系統可以實時監測產品和設備的參數，極大地提高了產品的質量。同時采集系統也可以給科學研究提供大量的瞬態信息，已經成為了科研的重要手段[2]。磁通門的應用主要針對弱磁場，涉及到的領域有磁場監測、工程檢測、電磁參數檢測等[3]。目前，磁通門傳感器的技術日趨完善，基本上實現了數字化，量程和精度都可達到生產與科學研究的要求。但是磁場采集系統容易受測量背景以及測量環境的影響，必須單獨研究其性能。本文的應用背景是監測船上靜態磁場，研制的監測系統是能夠采集多個磁通門傳感器并且能夠擴展。本文研究的是基于Σ-Δ技術模數轉換器AD7734的高精度數據采集系統，采集到的電壓信號分辨率達到微伏級，因此有必要優化采集系統的精度，影響系統采集精度的主要因素有供電電源的紋波、外界干擾信號和相鄰傳感器的二次諧波。

1　系統的可擴展性設計

本文采用基于DSP的TMS320F28335芯片對信號進行采集、處理、存儲與顯示。設計的磁場采集系統主要由傳感器模塊、信號輸入模塊、調試模塊、上位機通信模塊、顯示模塊、控制模塊以及電源模塊組成。傳感器首先將采集到的信號進行調理和濾波，消除高頻干擾。DSP通過中斷控制A/D轉換芯片進行數據采樣，同時通過SPI串口接收采樣數據。最后在DSP芯片內完成FIR低通濾波、標度變換和數字平均值濾波，由串口將處理后的數據傳輸到上位機進行保存并在液晶屏幕顯示。圖1是磁場采集系統示意圖。

圖1　磁場采集系統

采用的DSP芯片與AD芯片的性能滿足高精度采集系統的要求，TMS320F28335是在已有的DSP平臺上增加了浮點運算內核，有先進的仿真功能（分析和斷點）和硬件實時調試功能。并帶有256 KB的高速Flash存儲器、34 KB的SARAM以及較大容量的地址空間。內置了3個32位CPU定時器、寬范圍的串行接口（2通道CAN模塊、3個SCI模塊、2個McBSP模塊（可配置為SPI模塊），1個SPI模塊以及一個I2C總線）、可88個獨立可編程的復用通用輸入/輸出（GPIO）引腳等[4]。A/D轉換芯片采用24位的AD7734，芯片具有4個電壓輸入范圍為±10 V的模擬輸入端口，每個端口可承受最高±16.5 V的電壓而不影響相鄰通道的特性，在2 kHz通道轉換時,該芯片轉換精度能夠達到16位峰對峰精度,因而非常適用高精度、多通道的應用場合，AD7734與TMS320F28335的數據傳輸是通過SPI實現的。

本文設計的采集系統能采集 30個傳感器的數據，系統是通過DSP的SPI控制數據轉換以及數據的傳輸，同時內部定時器定時控制 GPIO A引腳使得每個采集通道依次工作。系統擴展圖如圖2所示。

圖2　系統通道擴展

2　硬件優化

2.1消除混頻干擾

磁通門傳感器在工作時，內部激勵電流使激磁線圈產生磁化場，其中以二次諧波的幅值最大，二次諧波會對相鄰磁通門傳感器的測磁精度產生影響。因此磁通門傳感器采集到的信號中混有高頻成分，其中二次諧波的頻率約為8kHz。根據采樣定理一，如果采樣頻率fs小于被采集高頻信號頻率fc的2倍，就會產生高頻成分被疊加到低頻成分中，產生混頻現象，從而使低頻波形的采樣值發生失真[5]。不發生混頻的信號最高頻率為

信號中能相互混淆的頻率為

本文通過提高采樣頻率與消除混頻濾波器的方式來消除系統的混頻影響。本文采用的采樣芯片為24位的AD7734，最高能實現12.3 kHz的轉換速率。本文設置AD的采樣頻率為4 kHz，濾波器的截止頻率約為1 kHz，消除混頻濾波器的電路如圖3所示。

2.2消除電源干擾

在實際應用中，電源的品質直接影響磁場測量的精度，電氣電子設備參數的標定采用的都是直流電源，由交流整流得到的直流電電壓有一定的波動[6]。本文為減少電源噪聲對系統精度的影響，采用紋波波動比較小的TSRN-1系列的穩壓源為系統供電，TSRN-1系列1A降壓開關調節器，具有高達42 V直流的寬輸入電壓范圍，效率高達95%，內置濾波電容器，允許完全負載操作，適用于正/負輸出電路，TSRN-1的供電原理簡單，不需要外接電容電阻。同時為減少模擬部分和數字部分的混擾，本系統實現模擬與數字部分單獨供電，電源系統框圖如圖4所示。

圖3　消除混頻濾波器

圖4　電源系統框圖

3　軟件優化

本文設計的基于DSP的磁場采集系統，通過芯片控制信號的采樣與轉換以及數據的傳輸，用軟件實現了FIR低通濾波、數據標度變換、算術平均值濾波以及串口輸出與顯示等功能。整個磁場采集系統程序流程圖如圖5所示。

3.1FIR低通濾波器的設計

本文中傳感器采集到的信號除了所需要的靜磁場外，還有干擾磁場，如渦流磁場以及通電線圈產生的磁場。為了達到高精度的磁場測量要求，必須采用數字濾波器濾除采集信號中的干擾信號。FIR濾波器與 IIR濾波器相比，在線性相位和穩定性方面，FIR濾波器顯得更為優越，但當在滿足相同的技術指標時，IIR濾波器所需要的階數比FIR濾波器少，同時IIR濾波器計算量小，對計算工具要求也比FIR濾波器低[7]。在實際應用中采用哪種方式，應考慮多方面因素，本文采用FIR低通數字濾波器，窗函數w( n)選用漢明窗，其表達式為

或

低通濾波器對應的差分方程

FIR低通濾波器的階次M為40，通過Matlab求得濾波器系數a(r)。本文設計的FIR低通濾波器，采樣頻率為4000 Hz，截止頻率為10 Hz。圖6和圖7分別為FIR低通濾波器的幅頻和相頻響應，由圖可以看出，高頻信號以50 dB的幅值大小進行衰減，10 Hz以下的信號可以無衰減地通過濾波器。

圖5　程序流程圖

圖6　帶通濾波器的幅頻響應

圖7　帶通濾波器的相頻響應

3.2采樣數據的標度變換

A/D采集得到數字量不利于直觀地顯示磁場數據變化，會給數據的進一步處理帶來困難，同時對采樣數據進行標度變換也可以減少系統自身帶來的干擾[8]。目前標度變換參數分為線性法和非線性法兩種，非線性法的標度變換有公式變換法、多項式變換法和表格法。線性變換法比較簡單，能夠減少系統本身帶來的移動誤差，并且傳感器的輸出量與被測磁場量之間成線性關系，符合本文的研究要求。在采集系統中只要把公式(6)設計成專門的子程序，不同參量存放在存儲器中，需要對參量進行標度變換時，調用子程序即可。

3.3采樣數據的平滑處理

磁場采集系統在采集數據時，外界干擾因素時刻存在，使得到的數據有一定的偏差。本文除了運用前面介紹的低通濾波器的方法，還應用了算術平均值的方法對數據進行預處理，進行平滑濾波，使數據的二次處理結果更加精確，得到的數據與真實值更相符合。算術平均值適應于對磁場、電場等類別信號的平滑，信號的平滑程度由采樣次數N決定，本文為了得到較好的平滑效果以及較高的靈敏度，采樣次數N取8。

4　實驗與結果分析

本文采用的傳感器量程為150 μT，系統的采集精度約為0.1 nT。為測得系統的性能，將傳感器固定在平行環上，給平行環通電，從-1000 mA 到1000 mA，每隔50 mA通一次電，系統得出相應的磁場數據，所得數據再減去不通電情況下的背景數據，可得到平行環的x方向磁場大小。平行環電流和系統測得的磁場強度關系如圖8所示。

圖8　平行環電流和系統測得的磁場強度的關系

從圖8中可得出，測得的磁場強度大小與平行環的電流成正比，穩定性良好，系統的采集精度達到了0.1 nT，達到了設計的要求。

5　結束語

本文設計的可擴展的高精度磁場采集系統滿足了實際項目中對于系統擴展和精度的要求。實驗結果表明，該系統的設計可行，穩定性和精度良好。

[1] 李軍. 數據采集整體設計與開發[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社，2012: 20-70.

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[3] 藺俊杰. 瞬變電磁信號采集與處理技術研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業大學，2013.

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Design of the Extensible Magnetic Signal Acquisition System with High Precision

Fang Tao，Liu Shengdao，Zhao Wenchun
(College of Electrical Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

When measuring the weak magnetic field，field acquisition system is required for higher performance. A kind of high precision data acquisition system based on sigma delta technology analog to digital converter is designed and the magnetic measurement system is expanded to multi-channel system. Hardware and software optimization are combined to improve the measurement accuracy of the system. The hardware optimization includes anti mixing filtering and eliminating the interference caused by power supply，and the software optimization includes FIR low pass filtering，scaling transformation and smoothing filtering of the Sampling data. The result of the experiment shows the magnetic signal acquisition system has a good accuracy，which meets the requirements of the system expansion and the accuracy of the project.

magnetic field; magnetic signal acquisition system; high precision; multi-channel

TP274

A

1003-4862（2015）12-0054-04

2015-09-17

方濤( 1989- ) ，男，碩士研究生。研究方向：磁場采集系統。