可擴(kuò)展的高精度磁場(chǎng)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

方　濤，劉勝道，趙文春

（海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

可擴(kuò)展的高精度磁場(chǎng)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

方濤，劉勝道，趙文春

（海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

當(dāng)對(duì)弱磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，對(duì)磁場(chǎng)采集系統(tǒng)的性能提出了更高的要求，設(shè)計(jì)了一種基于Σ-Δ技術(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并對(duì)測(cè)磁系統(tǒng)進(jìn)行了多通道擴(kuò)展。通過硬件和軟件優(yōu)化相結(jié)合的方式提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，硬件優(yōu)化包括抗混頻濾波和消除供電電源帶來的干擾，軟件優(yōu)化包括對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行FIR低通濾波、標(biāo)度變換和平滑濾波。實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)采集系統(tǒng)精度良好，滿足了項(xiàng)目中對(duì)于系統(tǒng)擴(kuò)展和精度的要求。

磁場(chǎng)磁場(chǎng)采集系統(tǒng)高精度多通道

0　引言

隨著處理器技術(shù)的不斷發(fā)展與更新，以嵌入式系統(tǒng)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于社會(huì)生產(chǎn)、生活以及科學(xué)研究等各個(gè)方面。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)就是將采集到的物理量（磁場(chǎng)、溫度、壓力、濕度以及位移等）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再由處理器進(jìn)行分析、存儲(chǔ)和顯示[1]。在生產(chǎn)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品和設(shè)備的參數(shù)，極大地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。同時(shí)采集系統(tǒng)也可以給科學(xué)研究提供大量的瞬態(tài)信息，已經(jīng)成為了科研的重要手段[2]。磁通門的應(yīng)用主要針對(duì)弱磁場(chǎng)，涉及到的領(lǐng)域有磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)、工程檢測(cè)、電磁參數(shù)檢測(cè)等[3]。目前，磁通門傳感器的技術(shù)日趨完善，基本上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，量程和精度都可達(dá)到生產(chǎn)與科學(xué)研究的要求。但是磁場(chǎng)采集系統(tǒng)容易受測(cè)量背景以及測(cè)量環(huán)境的影響，必須單獨(dú)研究其性能。本文的應(yīng)用背景是監(jiān)測(cè)船上靜態(tài)磁場(chǎng)，研制的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是能夠采集多個(gè)磁通門傳感器并且能夠擴(kuò)展。本文研究的是基于Σ-Δ技術(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7734的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集到的電壓信號(hào)分辨率達(dá)到微伏級(jí)，因此有必要優(yōu)化采集系統(tǒng)的精度，影響系統(tǒng)采集精度的主要因素有供電電源的紋波、外界干擾信號(hào)和相鄰傳感器的二次諧波。

1　系統(tǒng)的可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)

本文采用基于DSP的TMS320F28335芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)與顯示。設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)采集系統(tǒng)主要由傳感器模塊、信號(hào)輸入模塊、調(diào)試模塊、上位機(jī)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(hào)進(jìn)行調(diào)理和濾波，消除高頻干擾。DSP通過中斷控制A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，同時(shí)通過SPI串口接收采樣數(shù)據(jù)。最后在DSP芯片內(nèi)完成FIR低通濾波、標(biāo)度變換和數(shù)字平均值濾波，由串口將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行保存并在液晶屏幕顯示。圖1是磁場(chǎng)采集系統(tǒng)示意圖。

圖1　磁場(chǎng)采集系統(tǒng)

采用的DSP芯片與AD芯片的性能滿足高精度采集系統(tǒng)的要求，TMS320F28335是在已有的DSP平臺(tái)上增加了浮點(diǎn)運(yùn)算內(nèi)核，有先進(jìn)的仿真功能（分析和斷點(diǎn)）和硬件實(shí)時(shí)調(diào)試功能。并帶有256 KB的高速Flash存儲(chǔ)器、34 KB的SARAM以及較大容量的地址空間。內(nèi)置了3個(gè)32位CPU定時(shí)器、寬范圍的串行接口（2通道CAN模塊、3個(gè)SCI模塊、2個(gè)McBSP模塊（可配置為SPI模塊），1個(gè)SPI模塊以及一個(gè)I2C總線）、可88個(gè)獨(dú)立可編程的復(fù)用通用輸入/輸出（GPIO）引腳等[4]。A/D轉(zhuǎn)換芯片采用24位的AD7734，芯片具有4個(gè)電壓輸入范圍為±10 V的模擬輸入端口，每個(gè)端口可承受最高±16.5 V的電壓而不影響相鄰?fù)ǖ赖奶匦裕? kHz通道轉(zhuǎn)換時(shí),該芯片轉(zhuǎn)換精度能夠達(dá)到16位峰對(duì)峰精度,因而非常適用高精度、多通道的應(yīng)用場(chǎng)合，AD7734與TMS320F28335的數(shù)據(jù)傳輸是通過SPI實(shí)現(xiàn)的。

本文設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)能采集 30個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)是通過DSP的SPI控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)控制 GPIO A引腳使得每個(gè)采集通道依次工作。系統(tǒng)擴(kuò)展圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)通道擴(kuò)展

2　硬件優(yōu)化

2.1消除混頻干擾

磁通門傳感器在工作時(shí)，內(nèi)部激勵(lì)電流使激磁線圈產(chǎn)生磁化場(chǎng)，其中以二次諧波的幅值最大，二次諧波會(huì)對(duì)相鄰磁通門傳感器的測(cè)磁精度產(chǎn)生影響。因此磁通門傳感器采集到的信號(hào)中混有高頻成分，其中二次諧波的頻率約為8kHz。根據(jù)采樣定理一，如果采樣頻率fs小于被采集高頻信號(hào)頻率fc的2倍，就會(huì)產(chǎn)生高頻成分被疊加到低頻成分中，產(chǎn)生混頻現(xiàn)象，從而使低頻波形的采樣值發(fā)生失真[5]。不發(fā)生混頻的信號(hào)最高頻率為

信號(hào)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(tǒng)的混頻影響。本文采用的采樣芯片為24位的AD7734，最高能實(shí)現(xiàn)12.3 kHz的轉(zhuǎn)換速率。本文設(shè)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(shí)際應(yīng)用中，電源的品質(zhì)直接影響磁場(chǎng)測(cè)量的精度，電氣電子設(shè)備參數(shù)的標(biāo)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(dòng)[6]。本文為減少電源噪聲對(duì)系統(tǒng)精度的影響，采用紋波波動(dòng)比較小的TSRN-1系列的穩(wěn)壓源為系統(tǒng)供電，TSRN-1系列1A降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器，具有高達(dá)42 V直流的寬輸入電壓范圍，效率高達(dá)95%，內(nèi)置濾波電容器，允許完全負(fù)載操作，適用于正/負(fù)輸出電路，TSRN-1的供電原理簡(jiǎn)單，不需要外接電容電阻。同時(shí)為減少模擬部分和數(shù)字部分的混擾，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模擬與數(shù)字部分單獨(dú)供電，電源系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖3　消除混頻濾波器

圖4　電源系統(tǒng)框圖

3　軟件優(yōu)化

本文設(shè)計(jì)的基于DSP的磁場(chǎng)采集系統(tǒng)，通過芯片控制信號(hào)的采樣與轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)的傳輸，用軟件實(shí)現(xiàn)了FIR低通濾波、數(shù)據(jù)標(biāo)度變換、算術(shù)平均值濾波以及串口輸出與顯示等功能。整個(gè)磁場(chǎng)采集系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。

3.1FIR低通濾波器的設(shè)計(jì)

本文中傳感器采集到的信號(hào)除了所需要的靜磁場(chǎng)外，還有干擾磁場(chǎng)，如渦流磁場(chǎng)以及通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)。為了達(dá)到高精度的磁場(chǎng)測(cè)量要求，必須采用數(shù)字濾波器濾除采集信號(hào)中的干擾信號(hào)。FIR濾波器與 IIR濾波器相比，在線性相位和穩(wěn)定性方面，F(xiàn)IR濾波器顯得更為優(yōu)越，但當(dāng)在滿足相同的技術(shù)指標(biāo)時(shí)，IIR濾波器所需要的階數(shù)比FIR濾波器少，同時(shí)IIR濾波器計(jì)算量小，對(duì)計(jì)算工具要求也比FIR濾波器低[7]。在實(shí)際應(yīng)用中采用哪種方式，應(yīng)考慮多方面因素，本文采用FIR低通數(shù)字濾波器，窗函數(shù)w( n)選用漢明窗，其表達(dá)式為

或

低通濾波器對(duì)應(yīng)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(shù)a(r)。本文設(shè)計(jì)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(yīng)，由圖可以看出，高頻信號(hào)以50 dB的幅值大小進(jìn)行衰減，10 Hz以下的信號(hào)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(yīng)

圖7　帶通濾波器的相頻響應(yīng)

3.2采樣數(shù)據(jù)的標(biāo)度變換

A/D采集得到數(shù)字量不利于直觀地顯示磁場(chǎng)數(shù)據(jù)變化，會(huì)給數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理帶來困難，同時(shí)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)度變換也可以減少系統(tǒng)自身帶來的干擾[8]。目前標(biāo)度變換參數(shù)分為線性法和非線性法兩種，非線性法的標(biāo)度變換有公式變換法、多項(xiàng)式變換法和表格法。線性變換法比較簡(jiǎn)單，能夠減少系統(tǒng)本身帶來的移動(dòng)誤差，并且傳感器的輸出量與被測(cè)磁場(chǎng)量之間成線性關(guān)系，符合本文的研究要求。在采集系統(tǒng)中只要把公式(6)設(shè)計(jì)成專門的子程序，不同參量存放在存儲(chǔ)器中，需要對(duì)參量進(jìn)行標(biāo)度變換時(shí)，調(diào)用子程序即可。

3.3采樣數(shù)據(jù)的平滑處理

磁場(chǎng)采集系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)時(shí)，外界干擾因素時(shí)刻存在，使得到的數(shù)據(jù)有一定的偏差。本文除了運(yùn)用前面介紹的低通濾波器的方法，還應(yīng)用了算術(shù)平均值的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)行平滑濾波，使數(shù)據(jù)的二次處理結(jié)果更加精確，得到的數(shù)據(jù)與真實(shí)值更相符合。算術(shù)平均值適應(yīng)于對(duì)磁場(chǎng)、電場(chǎng)等類別信號(hào)的平滑，信號(hào)的平滑程度由采樣次數(shù)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(shù)N取8。

4　實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本文采用的傳感器量程為150 μT，系統(tǒng)的采集精度約為0.1 nT。為測(cè)得系統(tǒng)的性能，將傳感器固定在平行環(huán)上，給平行環(huán)通電，從-1000 mA 到1000 mA，每隔50 mA通一次電，系統(tǒng)得出相應(yīng)的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，所得數(shù)據(jù)再減去不通電情況下的背景數(shù)據(jù)，可得到平行環(huán)的x方向磁場(chǎng)大小。平行環(huán)電流和系統(tǒng)測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系如圖8所示。

圖8　平行環(huán)電流和系統(tǒng)測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系

從圖8中可得出，測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小與平行環(huán)的電流成正比，穩(wěn)定性良好，系統(tǒng)的采集精度達(dá)到了0.1 nT，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

5　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展的高精度磁場(chǎng)采集系統(tǒng)滿足了實(shí)際項(xiàng)目中對(duì)于系統(tǒng)擴(kuò)展和精度的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可行，穩(wěn)定性和精度良好。

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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(chǎng)采集系統(tǒng)。