構建一種PNI磁傳感器的艦船磁場信號檢測系統

于勇吉，林春生

(海軍工程大學 兵器工程學院，湖北 武漢 430031)

0 引言

現代艦船主要由鋼鐵材料制成，而當鐵磁性物體長時間放置于地球磁場中會產生磁化效應，即鐵磁體的周圍空間會產生一個附加的磁場。由此艦船在海洋環境中引起的磁場稱為艦船磁場[1]。當前，海洋中船舶磁性探測主要是利用船舶的靜磁場(也稱為磁異常)，即地磁場對鐵磁性船舶的磁化所改變的船舶原周圍空間的磁場分布[2]。各海洋軍事強國已經發展了多種成熟的磁異常探測裝備，如機載式、浮標式和海底固定式等[3]。本文在此背景下，設計了一種以PNI公司的RM3100磁傳感器作為探測元件，并通過單片機控制的艦船磁場測量系統。

1 PNI磁傳感器

磁傳感器為PNI公司生產的RM3100型三軸磁感應式磁強計。PNI磁感傳感器具有低功耗、抗噪性能好、高分辨率(最小分辨率可以達到13 Nt)、溫漂小和尺寸小等優點，并且配備有集成度較高的專用驅動模塊 3D Mag IC。驅動模塊內部集成施密特采樣器，能夠對3個軸的磁場依次測量并直接輸出16位數字磁場信號，在結構上避免了信號放大調理與A/D轉換電路。

RM3100磁傳感器具有靈活可選擇的工作模式，不同工作模式下具有不同的性能指標。在RM3100磁傳感器開始測量前需要通過與微處理器通信，進行測量模式選擇。RM3100由3個感應線圈組成，其中2 個SEN-XY-f線圈采用正交布局，都是水平焊接，分別負責測量地磁場的X軸和Y軸分量；SEN-Z-f線圈豎直焊接，負責測量地磁軸Z軸分量。如圖1所示，為3個磁傳感器的布局視圖。

2 系統組成及工作原理

艦船磁場測量系統主要由磁傳感器、單片機控制模塊、串口通訊模塊和電源模塊組成。系統組成原理框圖如圖2所示。

圖2中，RM3100磁傳感器輸出磁場的數字信號通過單片機控制，將采集結果經串口通訊模塊傳給上位機接收顯示。

3 系統硬件設計

系統的硬件設計包括4個部分：磁傳感器模塊電路、單片機控制模塊電路、串口通訊模塊電路和電源模塊電路。

1) 磁傳感器模塊電路設計。

磁傳感器模塊的主要功能是進行艦船磁場的測量，并把三軸傳感器采集到的模擬磁場信號轉化為數字信號輸出。

RM3100磁傳感器由分立感應線圈與驅動測量芯片3D MagIC組成。電路中通過3個PNI磁感傳感器(SEN-X，SEN-Y，SEN-Z)實現三維磁場的測量。在與微控制單元通信時，本系統采用標準測量模式，能夠對3個軸的磁場依次測量，響應時間較短，達到 15～30 ms。驅動測量芯片支持SPI和I2C兩種通訊模式，不同通訊模式對應不同的通訊電路。本文選擇SPI通訊方式，如圖3所示，為選擇SPI通訊模式下的磁傳感器模塊電路。

2)單片機控制模塊電路設計。

單片機控制模塊為磁場測量系統的控制核心。本系統采用STC15系列單片機作為中央控制單元，其主要功能為處理磁傳感器傳輸來的信號數據，并通過串口232與上位機進行通信。

單片機作為控制單元，通過MOSI和MISO 2個接口與磁傳感器的驅動測量芯片3D MagIC進行數據通信。MOSI接口數據由主設備(單片機)傳入驅動芯片，MISO則是將數據從驅動芯片傳出單片機中，由此形成控制的交互方式。SCLK接口為傳輸SPI同步串行接口的時鐘信號，與驅動芯片時鐘相連進行時序的控制。

在單片機中，將串口設置在RxD和TxD 2個接口處，以此與RS232進行串口通信[4]。將處理后的磁信號數據經RS232傳遞給上位機。圖4為單片機控制模塊的原理電路。

單片機控制模塊中設置復位電路用于單片機的重置使用，使運行的程序恢復初始狀態[5]。

3)串口通訊模塊電路設計。

串口通訊模塊采用RS232接口設計。該模塊電路采用Max3223芯片以實現單片機控制單元和RS232接口直接的電平轉化。

連接時Max3223芯片的ROUT1端和TIN1端分別和單片機的RxD端和TxD端相接，實現數據交互。芯片的TOUT1端和RIN1、RS232接口相連接。

4)電源分配模塊電路設計。

電源分配模塊為磁傳感器模塊，單片機控制模塊和串口通訊模塊提供電源。本系統采用+3.3 V的工作電壓，由線性穩壓器AMS1117-3.3提供。AMS1117片內過熱切斷電路，提供了過載和過熱保護，以防止環境溫度造成過高的結溫，損壞芯片[6]。為了確保AMS1117的穩定性，輸入輸出都需要連接濾波電容。

4 水池測量試驗

用本檢測系統分別對環境磁場和船模進行測量。實驗條件包括無磁性實驗水池、滑軌、船模和磁場測量系統。首先通過環境磁場的測量測試系統的性能指標，再進行船模試驗驗證信號檢測系統的實用價值。

4.1 環境磁場測量

將檢測系統靜止放置，測量出環境磁場在時域的數據。這里以X軸為例，環境磁場如圖5所示。

對環境磁場進行濾波處理，得到如圖6所示的磁場信號波形。

從圖6可知本信號檢測系統可以達到10～20 nT范圍的檢測精度。為進一步驗證系統的實用性，進行了船模通過試驗。

4.2 船模實驗

用船模進行了水池試驗測量艦船磁場信號。試驗中將船模沿著傳感器X軸方向移動，傳感器放置于距船模1.5 m處。船模如圖7所示。

測量時將船模緩慢移動通過PNI傳感器，記錄的X軸磁場數據如圖8所示。通過濾波處理得到平滑的磁場信號時域圖，如圖9所示。

從圖8、圖9可知在初始狀態時由于系統不穩定產生較大噪聲干擾，3 s之后得到船模通過磁場數據特征。考慮到實驗環境的磁場干擾，為了更清楚反映出船模磁場的特征，對信號數據進行了頻域分析。對信號頻譜進行濾波處理得到船模的頻譜特征圖，如圖10所示。

從圖10中可以看出頻譜的基頻成分主要分布在1 Hz以下，而其他頻段頻譜特征不明顯。根據艦船磁場信號屬于極低頻信號，頻率范圍在0～1.00 Hz[7-8]，可知系統檢測到船模磁場信號。

5 結束語

通過水池試驗驗證了該檢測系統能夠測得艦船磁場信號，但是由于環境干擾，艦船磁場特征不明顯，需要繼續濾除環境磁場等影響因素進行頻域分析。該檢測系統尺寸小、便攜性強，既可以應用于固定式磁場測量上，還能設計為水中兵器的引信源，可擴展性較強，具有豐富的應用場景意義。