论文部分内容阅读
[摘 要]用三轴磁传感器可同时接收磁感应强度的三个分量，从而构成矢量接收器完成三轴磁场系统的测量。能完整接收目标的磁感应强度矢量，信号完整、信息量充分，同时系统作用距离不受目标运动的影响，因此能较精确地控制，其次磁接收器尺寸小，重量轻，且具有良好的抗自然干扰能力。实验证明，本设计对运动的磁性物体感应良好。
[关键词]三轴磁场；单片机；磁传感器
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）25-0128-01
0 引言
在空间直角坐标中，有三个分量x、y、z，用三轴磁传感器可同时接收磁感应强度的三个分量，从而构成矢量接收器完成三轴磁场系统的测量。普通的单轴系统只是测量某一点的磁场总值，结构简单、对后续信号处理电路的要求低，但是单轴信号的信息量少，而三轴磁场系统测量磁场信号通过三轴矢量传感器获得，能完整接收目标的磁感应强度矢量，信号完整、信息量充分，同时系统作用距离不受目标运动的影响，因此能较精确地控制，其次磁接收器尺寸小，重量轻，且具有良好的抗自然干扰能力。
1 控制模块设计
本文采用一款三轴磁传感器模块PNI 11096系列，是在PNI公司的磁通传感器的基础上研制出的一种低磁测量应用专项集成电路，具有较高灵敏度，能降低系统电路功耗。而且其响应快，抗干扰能力好，受温度影响也较小。PNI 11096具有完备的三轴磁式感应控制器，有信号调理电路、采样、A/D转换电路等功能，它采用3VDC供电，且造价低、易于调试。
控制模块由超低功耗单片机MSP430、CAN控制器MCP2510和CAN总线收发器PCA82C250组合实现。超低功耗单片机MSP430能完成对三轴磁场系统测量磁场信号的采集、处理、程序执行以及完成对CAN总线的通信控制，CAN控制器MCP2510和CAN总线收发器PCA82C250？实现CAN通信功能。MSP430单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，MSP430单片机的电源电压采用1.8～3.6V，因此其芯片的电流会在0.1～250μA之间。MSP430系列中有独特的系统时钟设计，基本时钟系统和锁频环时钟系统。而在运算速度方面，MSP430单片机在8MHz晶体的驱动下，实现125μs的指令周期以及多功能的硬件乘法器能实现数字信号处理的算法。CAN控制器MCP2510 是一款控制器局域网络（CAN） 协议控制器，具备发送和接收接收目标的磁感应强度矢量信号的收集与管理。同时具备验收过滤以及报文管理功能。它包含三个发送缓冲器和两个接收缓冲器。MCP2510硬件特性包括：高速SPI 接口；支持0：0 和1：1 SPI 模式；带有时钟输出引脚、中断输出引脚、控制引脚，以及低功耗休眠工作模式、CMOS 技术。时钟输出引脚可编程预分频器，中断输出引脚可选择使能设定缓冲器满或请求发送，输出引脚用以请求立即发送报文，或配置为通用数字。PCA82C250则是提供协议控制器和物理线路之间的接口，能在两条有差动电压的总线电缆上传输数据。具有高达1Mb/s的速率，有抗干扰能力，包括抗环境的瞬间干扰，降低射频干扰，抗宽范围的共模干扰，抗电磁干扰，防止电池和地之间发生断路，保护总线的能力。它是CAN总线控制器和物理总线之间的接口，提供对总线的差动发送、接收能力，通过对引脚的控制可完成对工作模式的控制。引脚信号电平为低时，工作模式为普通/高速；当信号电平为高时，工作模式为待机，并支持远程唤醒。
2 硬件电路设计
主控模块是整个系统的核心，它担任信号采集、处理、控制及CAN总线的通信控制。其三轴磁传感器M873，其接口电路为电路提供了2.5V基準电压；而S-CON8则成为数据采集模块与三轴磁传感器模块的一个接口，MISO、MOS、SCLK引脚实现三线制的SPI通信功能，单片机MCP2510通过SSNOT、RESET给出了控制信号，由DRDY获知数据传输。将采集的三轴磁场数据通过MISO送入MSP430F427进行处理，然后再通过串行接口SPI传输到MCP2510CAN控制器。具备发送和接收接收目标的磁感应强度矢量信号的收集与管理。MSP430单片机的OSC1和OSC2外接晶体构成振荡电路，为MSP430单片机提供工作时钟。有基本时钟系统和锁频环时钟系统。单片机MSP430作为模块的上位机（主机），给出统一的时钟SCLK，并通过MOSI向PNI发送命令，PNI解读命令后，MCP2510芯片和MSP430单片机通过SPI串口进行连接。使用的是SPI口的3线方式，即分别与单片机的P2、P3、和P4管脚连接，用来将装载在三个发送缓冲器之一中的报文立即发送出去。MCU通过SPI接口进行通信。通过使用标准SPI读写命令对寄存器所有读写操作。所提供的中断引脚提高了系统的灵活性。一个多用途中断引脚，可用于指示有效报文是否被接收，各接收缓冲器专用的中断引脚，载入各接收缓冲器。
3 实验分析
对三轴磁传感器模块在无磁实验室环境下进行了调试、实测实验。通过实验验证三轴磁传感器及SPI串口的有效性及准确度等。本实验主要验证所设计的三轴磁传感器的工作性能指标，以及通过SPI传输采样数据的可靠性。由测量结果分析可得本系统特点：系统有较大的磁场测量范围与较高的分辨率，抗干扰性能好。线性度好，温度稳定性高。
参考文献：
[1] 陈蕾，白振兴.基于CAN总线的多个单片机通信系统的设计研究[J].2003，22（11）：84-86.
[2] 饶运涛.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.
[3] 秦龙.MSP430单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2006.
[关键词]三轴磁场；单片机；磁传感器
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）25-0128-01
0 引言
在空间直角坐标中，有三个分量x、y、z，用三轴磁传感器可同时接收磁感应强度的三个分量，从而构成矢量接收器完成三轴磁场系统的测量。普通的单轴系统只是测量某一点的磁场总值，结构简单、对后续信号处理电路的要求低，但是单轴信号的信息量少，而三轴磁场系统测量磁场信号通过三轴矢量传感器获得，能完整接收目标的磁感应强度矢量，信号完整、信息量充分，同时系统作用距离不受目标运动的影响，因此能较精确地控制，其次磁接收器尺寸小，重量轻，且具有良好的抗自然干扰能力。
1 控制模块设计
本文采用一款三轴磁传感器模块PNI 11096系列，是在PNI公司的磁通传感器的基础上研制出的一种低磁测量应用专项集成电路，具有较高灵敏度，能降低系统电路功耗。而且其响应快，抗干扰能力好，受温度影响也较小。PNI 11096具有完备的三轴磁式感应控制器，有信号调理电路、采样、A/D转换电路等功能，它采用3VDC供电，且造价低、易于调试。
控制模块由超低功耗单片机MSP430、CAN控制器MCP2510和CAN总线收发器PCA82C250组合实现。超低功耗单片机MSP430能完成对三轴磁场系统测量磁场信号的采集、处理、程序执行以及完成对CAN总线的通信控制，CAN控制器MCP2510和CAN总线收发器PCA82C250？实现CAN通信功能。MSP430单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，MSP430单片机的电源电压采用1.8～3.6V，因此其芯片的电流会在0.1～250μA之间。MSP430系列中有独特的系统时钟设计，基本时钟系统和锁频环时钟系统。而在运算速度方面，MSP430单片机在8MHz晶体的驱动下，实现125μs的指令周期以及多功能的硬件乘法器能实现数字信号处理的算法。CAN控制器MCP2510 是一款控制器局域网络（CAN） 协议控制器，具备发送和接收接收目标的磁感应强度矢量信号的收集与管理。同时具备验收过滤以及报文管理功能。它包含三个发送缓冲器和两个接收缓冲器。MCP2510硬件特性包括：高速SPI 接口；支持0：0 和1：1 SPI 模式；带有时钟输出引脚、中断输出引脚、控制引脚，以及低功耗休眠工作模式、CMOS 技术。时钟输出引脚可编程预分频器，中断输出引脚可选择使能设定缓冲器满或请求发送，输出引脚用以请求立即发送报文，或配置为通用数字。PCA82C250则是提供协议控制器和物理线路之间的接口，能在两条有差动电压的总线电缆上传输数据。具有高达1Mb/s的速率，有抗干扰能力，包括抗环境的瞬间干扰，降低射频干扰，抗宽范围的共模干扰，抗电磁干扰，防止电池和地之间发生断路，保护总线的能力。它是CAN总线控制器和物理总线之间的接口，提供对总线的差动发送、接收能力，通过对引脚的控制可完成对工作模式的控制。引脚信号电平为低时，工作模式为普通/高速；当信号电平为高时，工作模式为待机，并支持远程唤醒。
2 硬件电路设计
主控模块是整个系统的核心，它担任信号采集、处理、控制及CAN总线的通信控制。其三轴磁传感器M873，其接口电路为电路提供了2.5V基準电压；而S-CON8则成为数据采集模块与三轴磁传感器模块的一个接口，MISO、MOS、SCLK引脚实现三线制的SPI通信功能，单片机MCP2510通过SSNOT、RESET给出了控制信号，由DRDY获知数据传输。将采集的三轴磁场数据通过MISO送入MSP430F427进行处理，然后再通过串行接口SPI传输到MCP2510CAN控制器。具备发送和接收接收目标的磁感应强度矢量信号的收集与管理。MSP430单片机的OSC1和OSC2外接晶体构成振荡电路，为MSP430单片机提供工作时钟。有基本时钟系统和锁频环时钟系统。单片机MSP430作为模块的上位机（主机），给出统一的时钟SCLK，并通过MOSI向PNI发送命令，PNI解读命令后，MCP2510芯片和MSP430单片机通过SPI串口进行连接。使用的是SPI口的3线方式，即分别与单片机的P2、P3、和P4管脚连接，用来将装载在三个发送缓冲器之一中的报文立即发送出去。MCU通过SPI接口进行通信。通过使用标准SPI读写命令对寄存器所有读写操作。所提供的中断引脚提高了系统的灵活性。一个多用途中断引脚，可用于指示有效报文是否被接收，各接收缓冲器专用的中断引脚，载入各接收缓冲器。
3 实验分析
对三轴磁传感器模块在无磁实验室环境下进行了调试、实测实验。通过实验验证三轴磁传感器及SPI串口的有效性及准确度等。本实验主要验证所设计的三轴磁传感器的工作性能指标，以及通过SPI传输采样数据的可靠性。由测量结果分析可得本系统特点：系统有较大的磁场测量范围与较高的分辨率，抗干扰性能好。线性度好，温度稳定性高。
参考文献：
[1] 陈蕾，白振兴.基于CAN总线的多个单片机通信系统的设计研究[J].2003，22（11）：84-86.
[2] 饶运涛.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.
[3] 秦龙.MSP430单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2006.