基于磁通門傳感器的數據采集和修正

高 煉， 曹大平

(武漢大學 物理科學與技術學院，湖北 武漢 430072)

基于磁通門傳感器的數據采集和修正

高 煉， 曹大平

(武漢大學 物理科學與技術學院，湖北 武漢 430072)

以磁通門傳感器的低功耗、高精度采集與大容量存儲技術為需求目標，在優化方案的基礎上，設計了采集數據、記錄時間、存儲數據并擬合修正的電路系統，重點對電路系統的構成和數據修正的方法進行研究與改進。在實際地磁環境下對樣機進行測試，結果表明：整套裝置的功耗降低至mW級別，地磁場測量值和準確值的偏差在20 nT以內，存儲量達到了2 GB，實現了預期目標。

數據修正； 低功耗； 大容量； 磁通門傳感器

0 引 言

磁場測量技術,尤其是弱磁測量，經過多年的發展，已經成為一門獨立的科學，廣泛地運用在航空航天、國防軍事、醫療、工業、考古等領域[1，2]。

探測磁場的方法有很多，包括磁力法、電磁感應法、電磁效應法、超導效應法、磁通門法等[3]，其中，基于磁通門法的磁場測量具有經濟、可靠、靈敏度高、功耗低等優點，且磁探頭可以實現小型化，特別適合弱磁場的測量，兼顧了測量精度和測量成本。然而目前的磁通門傳感器測量系統功耗與體積均較大[4]，其數據存儲主要依靠于PC聯機的方式進行存儲，無法適應于野外無人值守條件下的低功耗、小體積及大容量的信息存儲。

本文設計了基于Mag649三軸磁通門傳感器的數據采集、時間記錄、數據存儲和磁場修正的電路，研究對磁通門傳感器的輸出進行模/數轉換,實現大容量Micro SD卡存儲并進行磁場數據擬合及算法修正，通過串口發送數據幀給基于C#的上位機，由位機界面繪制磁場修正前后的曲線。

1 電路設計

硬件電路的原理圖如圖1所示。

1.1 微控制器

本文選用TI公司的MSP430F5437作為控制器[5]，發送命令控制AD7791，選擇采樣通道和工作模式，等待A/D轉換完成，讀取其轉換結果；AD7791每完成一次A/D轉換，從DS3231讀取1次當前時間；通過UART串口將傳感器輸出的三路電壓以數據幀形式發送給上位機；調用嵌入式FatFs文件系統，將數據幀和每次記錄的時間寫入Micro SD卡中，實現數據保存功能。

1.2 磁通門傳感器和AD7791

3軸磁通門傳感器Mag649可以將空間的磁場信號按比例系數k轉換為+X,-X,+Y,-Y,+Z,-Z3路全差分電壓信號并輸出。AD7791是ADI公司的24位Σ-Δ型全差分低頻/模數轉換芯片，通過SPI總線與單片機連接，在3.3 V電壓下，AD7791工作電流僅為160 μA左右。系統用3個AD7791芯片接收Mag649磁通門傳感器的3路電壓輸出信號，在MSP430的控制下實現同步模/數轉換，根據轉換公式最終計算得出傳感器探測空間每個軸向的磁場分量。

1.3 時鐘模塊

采用DS3231時鐘芯片記錄每一次A/D轉換的準確時間，正常情況下它的精度為±2 min/年。DS3231通過I2C總線和單片機連接，首先初始化，向年、月、日、時、分、秒寄存器寫入當前時間，然后在AD7791采集轉換的循環中讀取時間。

1.4 存儲模塊

為了保存采集到的數據以及記錄的時間，系統采用Micro SD卡來保存數據和時間，Micro SD卡方便高效，讀寫速度快，通過SPI總線與單片機連接。程序運行時，單片機調用FatFs嵌入式文件系統，在Micro SD中建立文本文件，將AD7791采集的數據幀和DS3231記錄的時間以ASCII碼字符的形式存儲在Micro SD卡中，實現結果保存的功能。

2 程序設計

本系統下位機軟件部分采用TI公司的集成開發環境CCS,上位機采用微軟公司的VS2010集成開發環境,整個系統的軟件流程如圖2所示。

圖2 系統軟件流程圖

2.1 AD7791的讀寫

AD7791內部集成有通信寄存器、狀態寄存器、模式寄存器、濾波寄存器和數據寄存器，MSP430單片機對其發送命令和數據都是在通信寄存器的基礎上完成的。寫的過程為：首先單片機同時選中3路A/D，通過SPI總線發送0x10,告訴通信寄存器下一步是寫模式寄存器并選擇差分通道，然后發送0x82，選擇單次轉換模式，電壓增益為1；讀的過程為：依次片選每1路AD，檢測AD的DOUT引腳，為低電平時，表示轉換已經完成，此時單片機向AD發送0x38，告訴通信寄存器下1步是讀數據寄存器，然后分3次讀取轉換后的24位數字電壓，讀取完成后，DOUT引腳自動置1。

2.2 DS3231的讀寫

MSP430和DS3231之間以I2C協議通信，單片機作為主機，DS3231作為從機。寫的過程是：首先檢測I2C總線是否空閑，在空閑狀態下，主機產生1個起始信號，隨后向從機發送從機地址，選擇寫模式，從機識別到正確地址后，向主機返回1個應答信號ACK，主機收到應答信號后再發送從機寄存器地址，DS3231收到并做出應答，然后主機再將當前寄存器的預設值發送給從機，從機應答；讀的過程是：在空閑狀態下，主機產生起始信號并發送從機地址，先選擇寫模式，從機應答后，主機再發送DS 3231秒寄存器地址0x00，從機應答后，主機啟動I2C接收，在總線空閑的狀態下再次產生起始信號并發送從機地址，選擇讀模式，主機依次讀取從機每個寄存器的值并應答。

2.3 Micro SD的寫入

移植FatFs文件系統到MSP430的過程中，只需要修改ffconf.h和diskio.h這兩個文件。其中ffconf.h存放文件系統所有的配置項，diskio.h存放底層驅動和接口函數。寫入過程是：調用f_mount(0,&fatfs)函數，掛載文件系統；調用f_open(&fil,fileName,FA_OPEN_ALWAYS|FA_READ|FA_WRITE)函數，打開文件；調用f_lseek(&fil,fil.fsize)函數，使得讀寫指針從文件開始處向后偏移至文件尾；調用f_write(&fil,text,size)函數，寫入文檔內容；調用f_write(&fil,space,3)函數，目的是寫入3個空格做隔離字符；最后，調用f_close(&fil)函數，關閉文件，完成1次文檔內容的寫入。

2.4 串口發送

MAX3471是半雙工收發器，不能同時收發，發送數據幀前，先將DE引腳置1，選擇發送模式。發送過程是：設置UART波特率為9600，將3路電壓值封裝成ASCII碼數據幀，每發送1個字符前，先檢測UART模塊的發送中斷標志位UCTXIFG，待其置位時，向發送緩沖寄存器UCA1TXBUF寫入1個字符，完成1次發送。

2.5 上位機程序

文中MSP430(下位機)通過UART串口將AD7791轉換后得到的數據幀發送給PC端，PC端作為上位機。上位機采用基于Visual Studio 的C# Windows窗體應用程序開發。上位機Form1窗體通過SerialPort串口控件接收下位機發送的數據幀，按照格式解析出3路電壓值并乘以轉換系數k得到3路磁場分量，存入對應的泛型集合。上位機調用磁場修正的算法程序，得出修正后的磁場值，傳入Form2窗體。Form2窗體通過pictureBox_Paint事件按照定時器控件timer2設定的定時時間繪制修正前后的磁場曲線，當定時器控件timer1定時時間到，刷新并重繪。

3 數據處理

為校驗磁傳感器和整套測量電路的精度，在珞珈山磁學實驗室(只有地磁場)上電運行程序。由于不可能遍歷所有方向，在試驗中選取18個具有代表性的點，讓它們代表所有的球空間分布，這18個點分別為X，Y，Z方向的最大值和最小值，XOY平面內與X，Y軸45°角的4個方向，以及XOZ，YOZ平面各4個方向。一共采集18組數據，MSP430調用嵌入式文件系統FatFs在Micro SD卡中建立兩個文本文件，分別用來存儲電壓數據幀和時間。

MSP430在向Micro SD卡寫入數據的同時，通過串口將3路電壓數據幀以字符串形式發送給上位機，上位機接收數據并解析出電壓值，乘以轉化系數 得到磁場值。由于磁通門傳感器在3維空間的X，Y，Z方向上不是完全理想正交，根據理想磁通門傳感器測量環境磁場強度與姿態無關的特點，當3軸磁傳感器繞同一個軸轉動時，可以認為所測磁場總的模量不變[6,7]。基于這個特點提出里修正模型

y=W1(x1-x10)2+W2(x2-x20)2+W3(x3-x30)2+

W4(x1-x10)(x2-x20)+W5(x2-x20)(x3-x30)+

W6(x3-x30)(x1-x10)

(1)

代入18個方向的數據后，得到線性方程組AW=Y，其中，A是一個18×6階矩陣，Y是一個常數列向量。考慮到該方程組系數矩陣可能是病態的，用一般的高斯消元法會帶來較大的誤差，所以采用奇異值分解法。奇異值分解法的核心是對線性系數矩陣A進行奇異值分解，分解為3個矩陣乘積的形式：A=UA*V，其中，中間矩陣A*是一個對角矩陣，主對角線是系數矩陣A的奇異值按降序排列，末尾用0填充。經過奇異值分解后便于求出系數矩陣的廣義逆矩陣A+，再用廣義逆矩陣A+乘以常數矩陣Y得到線性方程組的解W=A+×Y。求解過程是：首先將3個零點視為常數，用奇異值分解法求解代入18組數據后得到的線性方程組AW=Y，解出6個W，此時每個W是零點x10，x20，x30的函數。然后根據最小二乘法的原理，代入18組數據后的差值平方和

W3(x3N-x30)2+W4(x1N-x10)(x2N-x20)+

W5(x2N-x20)(x3N-x30)+W6(x3N-x30)(x1N-

x10)-y]2

(2)

這是一個求解函數極值的問題，用單純形法(即單形調優法)求解fmin,此時fmin僅是零點x10，x20，x30的函數。單純形法求解的過程是：首先在原點附近選定一個初始單純形，由于是3維空間，所以初始單純形為四面體，每個點的坐標為(xi,yi,zi)，以xi，yi，zi替代方程中的x10,x20,x30，代入各點的坐標，依次求得四面體各點的函數值并比較，舍去最大的頂點，然后按照一定的放縮原則尋找一個新的頂點，構成新的單純形，繼續求各點函數值并比較，在精度允許的范圍內，直到找到函數值最小的頂點，該頂點的坐標就是所求的x10，x20，x30。

4 實驗結果

上位機調用該算法的C語言程序，計算得到上述9個參數W1，W2，W3，W4，W5，W6，x10，x20，x30，根據這些參數得到修正矩陣U為

U=

圖3 實驗結果

修正前磁場平均值為49 516.045 6nT，修正后磁場平均值為49 534.988 8nT，地磁場理論值為：49 535nT。

5 結 論

野外地磁環境的測試結果表明：經過校準修正后磁場的測量值與其平均值偏差在±20nT以內，修正后磁場的平均值與地磁場實際值基本一致，實現了高精度的要求；系統功耗低至mW級別，實現了低功耗的要求；存儲容量達到了2GB，實現了大容量存儲數據的目標；能夠在野外無人值守的情況下進行數據采集和數據存儲，通過上位機繪制磁場曲線使得能夠實時監測野外磁場的動態變化，研究內容對磁場探測技術的進一步提升具有重要意義。

[1] Ripka P.Advances in fluxgate sensors[J].Sensors and Actuators A:Physical,2003,106(1-3):8-14．

[2] 呂 輝，劉詩斌.微型磁通門傳感器的低功耗結構設計[J].傳感器與微系統,2015,34(3):81-83.

[3] 楊 陽,胡 超,陳冬梅,等.弱磁場測量方法的研究[J].傳感技術學報，2009(3):8-12.

[4] Ripka P,Hurley W G．Excitation efficiency of fluxgate sensor-s[J].Sensors and Actuators A:Physical,2006,129(1/2):75-79．

[5] 劉紅樂,馬福昌.高精度低功耗的無線數字水位傳感器智能變送器[J].儀表技術與傳感器,2013(6):13-16.

[6] 郭志友,孫慧卿.磁傳感器的非線性誤差修正技術[J].傳感器技術,2004,23(5):54-58.

[7] 周國華，肖昌漢，閆 輝,等.三分量磁通門傳感器軸定向問題研究[J].傳感器與微系統,2007,26(9):49-52.

Data acquisition and correction based on flux-gate sensor

GAO Lian, CAO Da-ping

(School of Physics and Technology,Wuhan University,Wuhan 430072,China)

In order to achieve low power consumption,high precision and large capacity storage technology of flux-gate sensor.On the basis of optimization scheme, circuit system of collecting data,recording time,storing data and fitting and correction is designed,focusing on composition of circuit system and data correction methods is studied and improved.The prototype is tested in actual geomagnetic environment,the results show that power consumption of the whole set of device is reduced to level of milliwatts,moreover,the deviation of Earth's magnetic field measurements and accurate value is less than 20 nT,and the storage capacity up to 2 GB,the expected goal is reached.

data correction; low power consumption; large capacity; flux-gate sensor

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0128—03

2016—06—21

TP 274

A

1000—9787(2017)04—0128—03

高 煉(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式應用。

曹大平(1961-)，男，通訊作者，教授，博士生導師，從事磁傳感器及信號處理技術研究工作，E—mail：dapingcao@whu.edu.cn。