The Design of Digital Magnetometer Based On Magnetic Resistance Sensor*

SUN Lisen，YUE Fengying，LIYonghong，WANG Enhuai

(College of Information and Communication Engineering，North University of China，Shanxi030051，China)

The Design of Digital Magnetometer Based On Magnetic Resistance Sensor*

SUN Lisen，YUE Fengying，LIYonghong*，WANG Enhuai

(College of Information and Communication Engineering，North University of China，Shanxi030051，China)

In order to obtain real－time accurate magnetic parameters using Honeywell HMC1001 uniaxialmagnetic resistance sensor and HMC1002 biaxialmagnetic resistance sensor，aminiaturization digitalmagnetometer was designed based on AD7734 and C8051F410.By using constant current source circuitand setting circuit the disorder of sensors and the impact of drift can be effectively solved.This paper expounds the system hardware design and software flow.Digitalmagnetometer was tested，overall accuracy is better than 5‰，the test results verify the feasibility of the design.

measurement;magnetoresistive sensor;constant current source circuit;setting circuit

隨著電子學和地球物理學以及計算機技術等科學的快速發展，地磁探測技術得到了越來越廣泛的應用［1－4］。目前，國內外的地磁測量系統趨向于小型化和數字化，被廣泛的應用于對彈體飛行姿態的測量中［5－8］。但存在精度不高、受溫度影響大、分辨率低、成本大等問題。故提出了一種新的設計方法，本系統選用AD7734模數轉換器、C8051F410單片機和Honeywell公司的HMC1001型與HMC1002型磁阻傳感器［9］進行設計，采用恒流源供電，以實現綜合測量精度優于0.5%的性能要求。

1 系統測量原理

地磁場是一個平均磁感應強度約為50 000 nT～60 000 nT的弱磁場，地磁強度隨地域的變換而不同。對于磁阻傳感器，不外加磁場時，磁阻的電流密度矢量一般呈直線狀，當磁場垂直加在磁阻表面時，由于霍爾效應，電流密度矢量與電場方向偏離了一定角度(霍爾角)，電流經過的路程改變，電阻值變化。Honeywell磁阻傳感器內部是由4個磁阻組成的惠斯通電橋。在電橋上施加一個偏置磁場，使得兩個同向放置的電阻的磁化方向朝著電流方向轉動，引起電阻阻值增加。同理，另外兩個反向放置的電阻阻值減小。當有供電電流在電阻中流過時，電橋的輸出電壓會隨磁場的變化而變化，由此可實時地獲取磁場強度。

2 系統硬件電路設計

該系統由Honeywell公司生產的H1001型和H1002型磁阻傳感器、置位電路、信號調理電路、AD轉換電路、電源電路、微控制器和串行通信電路組成。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

2.1 信號調理電路設計

系統采用Honeywell公司的HMCl001單軸磁阻傳感器和HMCl002雙軸磁阻傳感器采集地磁數據。磁阻傳感器HMC1001與HMC1002經過放大電路輸出3路模擬信號，但磁阻傳感器的輸出大約為30 mV，輸出的模擬量為毫伏級，信號較小，采用OPA184儀表放大器對模擬信號進行放大。在實際地應用中，HMC1001和HMC1002磁阻傳感器會受到強磁場的干擾影響，導致輸出信號地衰變，傳感器元件的磁阻內部會分成若干方向隨機的磁區域，從而導致靈敏度衰減。置位電路快速有效地解決了這一問題。置位脈沖電流的峰值電流高于最低要求電流，該脈沖電流通過置位電路帶產生一個強磁場，該磁場可以重新使磁區域對準到一個方向上，從而將磁阻傳感器迅速地恢復到高靈敏度狀態。置位電路電壓采用+20 V供電。選用MAX662芯片和ZTX605型三極管設計置位電路，信號調理電路如圖2所示。2.2微控制器與AD轉換電路設計

圖2 信號調理電路

選用C8051F410單片機對整個系統進行控制，采用AD7734進行模數轉換，該芯片具有最高24 bit無失碼性能，實現最高12.3 kHz的轉換速率。該芯片模擬前端具有4個單端輸入通道，采用5 V單模擬電源供電時，可接受最高10 V的單極性或真雙極性輸入范圍。

單片機與AD7734通過標準SPI接口進行通信，設計采用4線制的主、從方式，單片機為主、AD7734為從，單片機經過SPICLK管腳向AD7734提供SPI的時鐘信號，SPIMOSI為單片機輸出端，SPIMISO為單片機接收端。AD7734的RDY管腳與單片機的P0.3管腳相連，當AD7734完成模數轉換以后，的RDY管腳會變為低電平，通知單片機可以通過DOUT管腳讀取數據。圖3是AD7734與C8051F410的SPI串行通信接口原理圖。

圖3 AD7734與C8051F410接口示意圖

2.3 電源電路設計

本設計用P溝道增強型場效應管設計的恒流源作為傳感器的電源激勵。從而減小電源自身的工作噪聲對器件的干擾，減小磁阻傳感器自身的溫度漂移。選用通用運放μA741和集成三端可調穩壓器TL431設計恒流源電路，恒流源電路原理圖如圖4所示。

電流經過采樣電阻轉換為采樣電壓。采樣電壓經運放U5反向放大后作為反饋電壓Vf送入運放的同相端，與基準電壓Vr進行比較，對柵極電壓進行調整，從而對輸出電流進行調整，使整個閉環反饋系統處于動態平衡中，以達到穩定輸出電流的目的。利用運放的虛短虛斷及相關的公式，可以推導出Vr與Id的關系:

圖4 恒流源電路

Id分別表示由于基準電壓、電阻R1，R2，R的不穩定對恒流源產生的影響。由于采樣電阻值很小，反饋網絡電阻值很大，因此影響輸出電流穩定度的主要因素是電壓基準源的穩定度和采樣電阻的溫度系數。

可見輸出電流只和電阻R，R1，R2，Vr有關，與場效應管的參數無關。只要選擇合適的電阻和基準源，就能實現恒流。本設計基準電壓采用集成三端可調穩壓器TL431，溫度系數為30×104/℃，輸出阻抗為0.2Ω，低噪聲、工作電流1 mA至100 mA。采樣電阻采用高精度金屬殼散熱式電阻，它具有體積小、精度高、功率大等優點，阻值為0.4Ω。由于采樣電阻的阻值與標稱值有一定的誤差，因此在反饋電阻上串聯一個高精度的可調電阻用來對反饋電壓進行微調，使輸出電流保持在預定值。

3 軟件設計

數字式磁強計上電后首先進行初始化，包括對微控制器的初始化和對AD7734的初始化，本系統采用單片機內部振蕩器，系統時鐘頻率為24.5 MHz，選擇AD7734的通道CH0、CH1、CH2進行模數轉換，使能電壓輸入范圍為0～5 V，寄存器數據位為24 bit，工作模式為連續工作模式。然后向磁阻傳感器發送持續2μs大小為4 A～6 A的置位脈沖，單片機的計時器開始計時，同時進行對磁場強度進行數據采集，5 s后再次向磁阻傳感器發送置位脈沖，計時器清零從新計時。采集后的地磁數據經過單片機處理后，由RS422串口輸出。數字式磁強計的測量流程如圖5所示。

圖5 軟件主流程圖

4 實驗分析與結論

實驗中通過精度達萬分之三的高斯計對系統進行測試，將磁強計置于線圈的勻強磁場區域，調節磁線圈的供電電壓，使磁場在－1 000 mGauss到1 000 mGauss的范圍變化，每次按照100 mGauss的變化量進行遞增或遞減，在3個靈敏軸方向分別進行測量，記錄下數字磁強計的模擬輸出部分的電壓輸出量和磁強計顯示的真實磁場強度值。磁強計部分實驗數據如表1所示。

表1 數字式磁強計部分實驗數據

通過MATLAB對數據進行線性擬合，計算出該磁強計的靈敏度為2.496 mV/mGauss，零點為－1.619 mV。磁場強度與輸出電壓經過線性擬合后的數值關系為:V=0.002 496×Mag－0.161 9。其中V為磁強計的輸出電壓，單位為伏特，Mag為磁場強度，單位為Gauss。圖6為線性擬合結果和擬合誤差圖。表2是系統的各項指標。

圖6 線性擬合結果和擬合誤差

表2 設計指標與設計結果對照表

造成系統誤差的主要原因為正交誤差、靈敏度誤差和零位誤差，通過建立非正交的空間模型，采用了擬Newton迭代法對空間模型求解，使數字式磁強計的制造誤差得到較好的校正［10－12］。實驗結果表明該數字式磁強計設計方案可行，響應速度快、數據采集方便，可應用于導航、野外定向、氣象探測等各個領域。

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［5］張海峰，劉曉為，王喜蓮，等.磁電阻效應的原理及其應用［J］.哈爾濱工業大學學報，2008(3):362－366.

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［12］李玎，卜雄洙.基于非正交磁傳感器組合的旋轉彈體姿態測量［J］.兵工學報，2010，31(10):1316－1321.

孫笠森(1987－)，男，碩士生，主要研究方向為動態測試與智能儀器;

岳鳳英(1977－)，女，碩士生導師，主要研究方向為測試計量技術及儀器、傳感器與微機電技術(MEMS)、慣性導航;

李永紅(1967－)，男，碩士生導師，教授，國家人事部、科技部、教育部、財政部、發改委、自然基金委、中國科協等七部委聯合確定的“新世紀百千萬人才工程國家級人選”(2004年)。國務院特殊津貼專家(2000年)。1997年在華北工學院獲測試計理技術及儀器專業工學碩士。目前為中北大學(原華北工學院)測試計理技術及儀器專業在職博士。2001年1月～12月在瑞士Neuchatel大學微技術學院傳感器、執行器與微系統實驗室作訪問學者，重點進行MOEMS器件－光波導及MEMS傳感器的設計及加工工藝研究。現在為中北大學電子工程系教授，兼任山西科泰微技術有限公司技術總監，3923602liyonghong@nuc.edu.cn。

基于磁阻傳感器的數字式磁強計的設計*

孫笠森，岳鳳英，李永紅*，王恩懷

(中北大學信息與通信工程學院，太原030051)

為了實時準確地獲取地磁參數，利用Honeywell的HMCl001單軸磁阻傳感器和HMCl002雙軸磁阻傳感器設計了一種基于AD7734和C8051F410的小型化的數字式磁強計，采用恒流源電路和置位電路有效地解決了傳感器失調和漂移的影響。闡述了系統硬件設計、軟件流程。對數字式磁強計進行了測試，綜合精度高于5‰，試驗結果驗證了該設計方案的可行性。

測試計量;磁阻傳感器;恒流源電路;置位電路

TN949.6

A

1004－1699(2014)01－0048－05

山西省青年基金項目(2012021013－6)

2013－09－01修改日期:2013－12－09

C:5130

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.01.009