蘇樹(shù)清，李錦明，李錫廣

（中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051）

0 引言

旋轉(zhuǎn)彈是一種重要的陸軍火力壓制手段，其旋轉(zhuǎn)體制能有效減小由于氣動(dòng)外形的不對(duì)稱(chēng)、質(zhì)量偏心等引起的落點(diǎn)誤差［1，2］。旋轉(zhuǎn)彈依靠旋轉(zhuǎn)來(lái)保持飛行過(guò)程中的穩(wěn)定，也依靠旋轉(zhuǎn)來(lái)保持它射向的高精度。因此，旋轉(zhuǎn)彈飛行過(guò)程中轉(zhuǎn)速的獲取對(duì)其性能分析就顯得尤為重要。地球和近地空間存在的磁場(chǎng)，稱(chēng)為地磁場(chǎng)。地磁場(chǎng)是一個(gè)具有方向性的弱磁場(chǎng)。地球磁場(chǎng)比較穩(wěn)定，彈體在飛行過(guò)程中始終處于地磁場(chǎng)中，可利用地磁傳感器采集彈丸在地磁場(chǎng)的信號(hào)。由于彈丸在飛行的過(guò)程中，不宜進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，所以，將采回的數(shù)據(jù)先進(jìn)行保存，等彈丸擊中立靶后，取出電路板，將保存的數(shù)據(jù)調(diào)出分析、處理，就可以計(jì)算出旋轉(zhuǎn)彈飛行過(guò)程中的轉(zhuǎn)速?；诖?，本文提出一種主要由HMC1043三軸磁阻傳感器、PIC24FV32KA301單片機(jī)和串行閃存AT25FS040構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)彈轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由三軸磁阻傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換、FLASH存儲(chǔ)器、微控制器和上位機(jī)組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig 1 Block diagram of overall design of system

三軸磁阻傳感器把傳感軸方向的入射磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為差動(dòng)電壓輸出，這些電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的模擬輸入端，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量傳輸?shù)紽LASH存儲(chǔ)器中進(jìn)行存儲(chǔ)，方便系統(tǒng)隨時(shí)從FLASH中調(diào)取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理。

1．1 HMC1043磁阻傳感器及其置位/復(fù)位電路

霍尼韋爾HMC1043型傳感器是一種小型三軸表面安裝的傳感器序列系統(tǒng)，適用于低磁場(chǎng)磁性傳感，采用霍尼韋爾各向異性磁阻（AMR）技術(shù)。這種傳感器是極靈敏的低磁場(chǎng)、固態(tài)磁傳感器，可用來(lái)測(cè)量地球磁場(chǎng)的方向和從數(shù)十μGs到6 Gs的強(qiáng)度等級(jí)。

HMC1043傳感器內(nèi)部有3個(gè)惠斯通電橋，如圖2所示。當(dāng)置于變化的外加磁場(chǎng)中時(shí)，由鎳鐵合金制成的電橋電阻阻值將會(huì)發(fā)生變化，從而在電橋的測(cè)量端輸出一個(gè)差分的電壓值。通過(guò)測(cè)量這個(gè)差分電壓就能得出磁場(chǎng)在該電橋電阻方向上的相對(duì)值的變化［3］。

圖2 HMC1043傳感器內(nèi)部惠斯通電橋示意圖Fig 2 Schematic diagram of internal Wheatstone bridge of HMC1043 sensor

當(dāng)磁阻傳感器暴露于超過(guò)10×10－4T的干擾磁場(chǎng)中時(shí)，傳感器內(nèi)部磁疇的極化方向被打亂，傳感器的輸出特性隨之改變，靈敏度降低。為了消除這種影響并使輸出信號(hào)達(dá)到最佳，利用置位和復(fù)位脈沖電流，使內(nèi)部磁疇的極化方向統(tǒng)一，以抵消干擾磁場(chǎng)。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的置位/復(fù)位電路如圖3所示。由單片機(jī)提供一個(gè)SET/RESET（置位/復(fù)位）控制脈沖，通過(guò)開(kāi)關(guān)管IRF7509作用，經(jīng)一電容連接到磁阻傳感器的SR+端。

圖3 置位/復(fù)位電路Fig 3 Set/reset circuit

1．2 電源模塊設(shè)計(jì)

由于PIC24FV32KA301單片機(jī)需要+3．3 V的供電電壓，因此，通過(guò)LDO穩(wěn)壓芯片將電壓由+5 V降至+3．3 V，其電路原理圖如圖4所示。LDO穩(wěn)壓芯片選用TI公司的TPS73733，其輸出電壓為+3．3 V，輸出電壓精度可以達(dá)到±0．5%，電源抑制比（PSSR）更是高達(dá)58 dB，滿足使用要求。

1．3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

1．3．1 放大電路設(shè)計(jì)

圖4 3．3 V電源電路原理圖Fig 4 Principle diagram of 3．3 V power circuit

由于HMC1043磁阻傳感器輸出的電壓信號(hào)比較微弱，須先進(jìn)行放大。由于傳感器選取放大器需要考慮的因素有:開(kāi)環(huán)增益、帶寬、精度、功耗、溫漂范圍、噪聲容限等。比較幾種儀表放大器的參數(shù)，選用了TI公司的高精度的儀表放大器INA128。它具有以下特點(diǎn):1）使用簡(jiǎn)單:只需要一個(gè)電阻就可以方便地調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，放大范圍大;2）差動(dòng)放大:可以消除背景噪聲，適合精度要求較高的場(chǎng)合［4］。

放大器原理圖如圖5所示，將傳感器的輸出OUT+，OUT－分別與運(yùn)放的VIN－，VIN+相連。放大倍數(shù)G由引腳1和8之間的電阻RG決定

放大后的輸出為

圖5 放大電路原理圖Fig 5 Principle diagram of amplifier circuit

IN128的參考電壓基準(zhǔn)直接影響著后續(xù)電路的精度，因此文中設(shè)計(jì)了其參考電壓電路。如圖6所示，選用微功耗、高精度的LDO基準(zhǔn)電壓源ADR127為IN128提供+2．5 V參考電壓。

圖6 參考電壓電路Fig 6 Reference voltage circuit

1．3．2 濾波電路設(shè)計(jì)

圖7 低通濾波電路原理圖Fig 7 Principle diagram of low-pass filtering circuit

1．4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

傳感器采回的數(shù)據(jù)須先進(jìn)行保存，方便做后續(xù)數(shù)據(jù)處理。本設(shè)計(jì)中選用ATMEL公司的AT25FS040作為存儲(chǔ)器。AT25FS040是4Mbits的串行閃存，具有先進(jìn)的寫(xiě)保護(hù)機(jī)制，支持速度高達(dá)50MHz的SPI總線的存取操作。數(shù)據(jù)保存長(zhǎng)達(dá)20 a，每個(gè)扇區(qū)可擦寫(xiě)/編程100000次。

PIC24FV32KA301與AT25FS040的硬件接口如圖8所示。其中，PIC單片機(jī)的SPI專(zhuān)用引腳SCK，SDI，SDO分別與閃存對(duì)應(yīng)的引腳相連，存儲(chǔ)器的片選CS可與MCU的任意I/O腳相連，作為存儲(chǔ)器的片選信號(hào)。AT25FS040的HOLD直接接高電平，即不允許在CS有效的情況下暫停SPI通信。

圖8 AT25FS040硬件接口圖Fig 8 Schematic diagram of hardware AT25FS040 interface

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是完成的功能是在一定時(shí)間內(nèi)以固定的采樣周期進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。具體流程如圖9所示。

在開(kāi)始采集數(shù)據(jù)之前須先進(jìn)行開(kāi)始計(jì)數(shù)操作，然后才能以系統(tǒng)設(shè)定的采樣周期進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，直到接收到停止采集信號(hào)為止，記錄下此時(shí)計(jì)數(shù)寄存器中計(jì)數(shù)數(shù)值，即可知道采集時(shí)間。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3．1 置位/復(fù)位電路測(cè)試

由單片機(jī)發(fā)出一置位/復(fù)位脈沖，在傳感器電阻帶上測(cè)出置位/復(fù)位信號(hào)如圖10所示，可以看出:脈沖能達(dá)到600 mA以上，滿足要求。

3．2 系統(tǒng)性能測(cè)試

圖9 數(shù)據(jù)采集程序流程圖Fig 9 Flow chart of data acquisition program

圖10 置位/復(fù)位信號(hào)圖Fig 10 Set/reset signal diagram

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用三維無(wú)磁性轉(zhuǎn)臺(tái)，三維無(wú)磁性轉(zhuǎn)臺(tái)主體結(jié)構(gòu)由木質(zhì)和鋁質(zhì)材料制作而成，可以有效避免擾亂轉(zhuǎn)臺(tái)周?chē)卮艌?chǎng)分布，為磁阻傳感器采集地磁信號(hào)提供了一個(gè)較穩(wěn)定的周邊磁場(chǎng)環(huán)境［5］?？赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺(tái)旋鈕來(lái)調(diào)節(jié)變頻電機(jī)的電源輸入頻率以設(shè)定滾轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，模擬彈體的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)所采用的三維無(wú)磁性轉(zhuǎn)臺(tái)最高轉(zhuǎn)速為20 r/s。

由HMC1043磁阻傳感器的工作原理可知，傳感器輸出的差分電壓的波形是呈周期性變化的正弦波，正弦波的周期就是彈丸旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間，計(jì)算出一定時(shí)間內(nèi)正弦波峰或波谷值點(diǎn)的個(gè)數(shù)就可以計(jì)算出旋轉(zhuǎn)彈飛行過(guò)程中的轉(zhuǎn)速。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 不同轉(zhuǎn)速測(cè)試記錄Tab 1 Test records of different rotating speed

由表1可知，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速有偏差，并且在一定范圍內(nèi)，誤差大致隨著轉(zhuǎn)速的提高而減小。這是因?yàn)椴荒鼙ＷC采集到的所有數(shù)據(jù)在每個(gè)采樣周期內(nèi)都完整，計(jì)數(shù)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間附近所采集到的數(shù)據(jù)可能只是一周期數(shù)據(jù)的一部分，并且采集到的數(shù)據(jù)可能還未到峰值點(diǎn)，這樣系統(tǒng)就會(huì)忽略這些數(shù)據(jù)，從而影響精度。實(shí)驗(yàn)表明，本文中提出的旋轉(zhuǎn)彈轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)可以用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)彈的轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)以PIC24FV32KA301單片機(jī)為控制核心，采用HMC1043三軸磁阻傳感器進(jìn)行地磁信號(hào)的采集，利用單片機(jī)內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，之后送入串行閃存進(jìn)行保存，系統(tǒng)可隨時(shí)從串行閃存中調(diào)取數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示、分析和處理。測(cè)試結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，能比較準(zhǔn)確地獲得彈丸轉(zhuǎn)速，達(dá)到了預(yù)期的效果。

［1］ 蘇 中，付國(guó)棟．滾轉(zhuǎn)彈的姿態(tài)解算研究［J］．北京信息科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24（2）:9 －13．

［2］ 李興城，牛宏宇．基于磁阻傳感器的旋轉(zhuǎn)彈姿態(tài)測(cè)量算法研究［J］．計(jì)算機(jī)仿真，2012，29（5）:51 －54．

［3］ 朱榮華，林新華，孔德義，等．三維磁阻式電子羅盤(pán)的研制［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2010，29（12）:102 －104．

［4］ 劉曉娜．地磁傳感器及其在姿態(tài)角中的應(yīng)用［D］．太原:中北大學(xué)，2008．

［5］ 楊 青．高速旋轉(zhuǎn)彈轉(zhuǎn)速/速度參數(shù)測(cè)試技術(shù)研究［D］．太原:中北大學(xué)，2010．