鲁东大学学报(自然科学版)
Ludong University Journal (Natural Science Editi on )
2009,25(4):347—351
收稿日期:2009204202；修回日期:2009205218 基金项目：鲁东大学校基金项目(L20072801) 作者简介：常新华(1969—)，男，山东烟台人。讲师，硕士，研究方向为信号与信息处理、混沌保密通信。E 2mail: 。
无线移动霍尔效应高斯计的设计
常新华1
，赵凤兰
2
(1.鲁东大学 电子与电气工程学院，山东烟台264025;2.烟台海港医院，山东烟台264002)
摘要：应用遥控电动小车和集成线性霍尔芯片及数据采集芯片，根据霍尔效应原理设计了车载无线高斯计磁场测量系统，在PC 微机控制下对较远距离磁场进行了遥控测量和数据处理.采用FSK 无线收发模块电路对二进制数据流进行调制和解调，实现了小车遥控系统、高斯计测量系统与PC 微机之间串行异步数据的无线传输和命令交互. 关键词：霍尔效应；电动小车;ADuc845；无线传输
中图分类号:TP216 文献标志码:A 文章编号:167328020(2009)0420347205
高斯计作为测量空间磁场强度的计量仪表,
在电气、通讯等行业中应用广泛.传统的高斯计一般利用霍尔效应传感器将磁场强度转换为霍尔电压，然后经仪表运放电压放大后驱动指针式仪表显示，或者经过模数转换后通过LED 数码管或者 qq客服系统LCD 液晶显示测试数值[1—3]
.其数据显示形式单一、功能简单，一般不便于在电脑上对测试数据进行处理，由于显示屏固定安装在仪表上，只能近距离观察，因此在应用中有一定的局限性.
本文给出了一种无线移动高斯计磁场测量方案，用户利用微机较远距离观察、控制和处理高斯计测量数据.高斯计测量电路安装在一电脑遥控的电动小车上，小车在电脑控制下智能运动，将高斯计带入指定空间进行测量，并无线发送数据和接收遥控命令，电脑对小车运动加以控制并对测量数据进行处理.该测量系统包括三部分设计内容:1)霍尔高斯计数据采集;2)微机无线控制和数据传输;3)运动小车控制.
1 霍尔高斯计测量系统
1.1 测量原理
根据霍尔效应原理，霍尔传感器元件将被测磁场强度转变成霍尔电压，以计算磁场强度[4]
.新型的集成霍尔传感器元件，主要分为三端线性
霍尔传感器元件和开关霍尔传感器元件[5]
.其中三端线性霍尔传感器元件内部由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成，其输出电压与加在霍尔元件上的磁感强度B 成正比，有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测.本文高斯
计测量电路即采用了霍尔线性传感器CS49E [6]
，其磁电转换特性参数如下:V cc =5V ,T A =25℃时，电源电流小于8mA ，静态输出电压2.5±0.1V，灵敏度15—20mV /mT，输出上限电压≥4.2V，输出下限电压≤1V.CS49E 的磁电转换特性曲线如图1，在-1000—1000Gs 磁场区间内，传感器输出电压V 与工作磁场B 成正比
.
图1 霍尔线性传感器CS49E 磁电转换特性曲线[6]
1.2 霍尔高斯计测量系统组成
霍尔高斯计测量系统框图如图2，传感器输
出的霍尔电压经调理转变为数据采集芯片
pctiADuc845[7]
的24位ADC 所要求的电压，经模数转换变为数字信号，数字滤波及平均处理后，数据
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图2 霍尔高斯计测量子系统框图
混凝土隧道湿喷机
送至无线收发模块(与遥控小车系统共享)，经无
线信道上传至PC 微机处理.ADuc845与PC 之间双向通信，键盘和液晶显示模块对测量精度进行
校准和系统调试.1.3 线性霍尔电压调理
霍尔传感器前置电压调理电路如图3.稳压集成电路T L431经可调电阻W 1调节输出稳定的
5V 电压作为CS49E 的供电参考电压，第一级T L084运放对电压信号输出隔离，第二三级运放将CS49E 输出的0—5V 电压信号调理到0—215V 之间，作为数据采集芯片ADuc845的AD 输入信号
.
图3 线性霍尔传感器调理电路
调理电路在正式工作前要进行调零和确定放
大倍数，分以下几步完成:(1)将第一级运放3脚正相端接地，调节W 5使第二级运放输出端7脚电平为0，然后调节W 4使第三级运放8脚输出电压为0;(2)将第一级运放3脚正相端接T L431输出的5V 参考电压，调节W 2和W 3使第三级运放8脚输出电压略小于2.5V;(3)W 2和W 3不动，重复第一步操作，重新调零;(4)将第一级运放3脚正相端重新接T L431输出的5V 参考电压，然后测量8脚输出电压V out ，如
果V out 大于2.5V，则需要重复(2)—(4)操作，直到V out 输出小于等于2.5V，记录该V out 电压;(5)计算调理电路的电压增益Z (Z =V out /5)，把该值作为常数固化在采集芯片ADuc845的程序中使用，测试时根据该值和模数转换得到的数据D，可以计算出对应D 的CS49E 输出霍尔电压U，若D 对应的模拟电压为V，则U =V /Z.1.4 ADuc845硬件连接电路
ADuc845是美国模拟器件公司生产的高性能
数据采集芯片[7—8]
,24位的∑-Δ型ADC 使用数字滤波，可实现宽动态范围的低频信号测量，芯片本身构成了一个内嵌51MCU 的高性能数据采集系统，可方便地构成各种高精度仪表系统.
Aduc845硬件电路连接框图如图4,24位ADC 可对8路模拟信号进行AD 转换，所以将传
感器调理输出电压接P1.7引脚，选择第8路ADC 输入.软件启动ADC 时，选择“主ADC ”使能、斩波、连续转换、缓冲、单极性、0—2.56V 输入电压模式(ADC 的参考电压2.5V )，每次转换结束通过中断方式处理转换数据.Aduc845同时利用CH451串行键盘模块电路接收键盘输入，并通过T BG128064F9X 串行液晶模块输出，用来进行软件调试和故障诊断
.
图4 ADuc845单片机硬件电路框图
2 微机无线控制和数据传输
2.1 无线发射接收模块
无线发射和接收模块电路图如图5，采用ST C12LE2052单片机控制专用I S M (I ndustrial
第4期常新华，等：无线移动霍尔效应高斯计的设计349
Scientific Medical )BAND 波段FSK 无线收发模块RF M12
[9]
，主频915MHz .单片机通过串口RXD ,
TXD 引脚与需要传输数字信息的主机(即高斯测
量采集芯片Aduc845或小车控制单片机)异步通信，对串口接收的二进制数据流简单的通过无线
收发模块RF M12调制发送出去，同时将无线模块
收到的二进制数据流进行解调，并从串口送入与之相连的主机.ST C12LE2052单片机串口通信模式：波特率19200bp s,8位数据位,1位停止位，无奇偶校验
.
图5 无线发射接收模块电路图
2.2 无线通信框图和通信电平转换 ADuc845磁场测量系统、小车运动系统与PC
机的异步232通信原理框图如图6.其中Aduc845串口通信电平5V，而小车系统和发射接收模块的串口通信电平均为3.3V，三者不能简单并联，需要电平转换.电平转换电路如图7所示，其中PC 微机通过US B 转串口芯片CH341接收和发送串行数据，两侧的无线收发模块电路一样
.
图6
无线通信系统原理框图
图7 5V 转3.3V 和3.3V 转5V 电路图
2.3 高斯计测量系统与PC 无线通信
ADuc845数据采集后，一方面通过液晶模块显示，一方面通过232串口发送至无线调制解调模块(该模块同时负责转发小车运动系统数据流)，经无线传输至PC 侧无线收发模块，再经US B 转串口模块，最后通过US B 口送PC 处理.由于与小车系统共享无线信道，发送的同时要通过I O 口向小车系统发送串行信道占用信号(将图6中的控制线1置高电平即可，发送结束后置低电平)，以免与小车无线传输发生数据冲突.同时PC 机也可控制高斯计的测量工作,PC 发送命令帧到ADuc845,ADuc845执行命令成功后返回确认命
令帧,PC 机如在100毫秒之内没有收到确认命令
帧将重新发送命令.ADuc845在接收到测量命令后，启动AD 连续转换，并发送确认帧，每当转换结束后，取平均值发送至PC .
双方异步通信协议如下:
1)波特率:19200bp s,8位数据位，无奇偶校验位,1位停止位.
水溶性聚氨酯 2)数据帧格式：帧头(2字节)+接收方地址(1字节)+发送方地址(1字节)+帧长(1字节)+命令字(1字节)+数据域(N 字节)+校验和(1字节).
帧头———由2个特殊的字节0x55,0x AA 构成;
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接收方地址———PC机地址0xFE.
发送方地址———ADuc845地址0x02.
帧长———从命令开始到数据域结束的字节数 校验和———数据帧中从命令开始到数据域结束所有字节的算术和，取最低字节的反码.
3)ADuc845主机发送测量数据到PC机的数据帧:0x55+0x AA+PC地址(0xFE)+845主机地址(0x02)+帧长+帧命令字(0x03)+fl oat 型测量数据的最低字节+fl oat型数据的次低字节+fl oat型数据的次高字节+fl oat型数据的最高字节+校验和字节.
4)PC机发送给ADuc845的命令帧:0x55+ 0x AA+0x02(Aduc845地址)+PC地址(0xFE)+帧长(0x01)+帧命令字+校验和字节.
5)ADuc845回送PC命令执行完毕确认帧: 0x55+0x AA+PC地址(0xFE)+0x02(ADuc845地址)+帧长(0x02)+刚执行完毕的PC命令字节+执行状态(0表示执行不成功,1表示成功) +校验和字节.
3 电动小车运动系统控制
电动小车采用双电机左右轮直流电机驱动，为了测量小车的行进速度和位移，左右轮上安装了圆形码盘，轮和码盘同步转动，在码盘凹槽边沿安装有凹槽光电传感器，转动时向小车控制单片机STC12LE5412AD发出中断信号，根据中断次数可计算小车的移动距离和转速.小车运动时，不断向PC电脑传回左右轮的速度和移动位移三个数据，上位机PC对传回的小车数据和高斯测量数据进行分析处理并加以显示、存储和转发.PC 机通过PC键盘控制小车左右轮的转速、方向和移动距离等.
小车与高斯计测量系统共享同一异步传输通道，二者与上位机PC的通信模式和数据帧格式完全一样.每次发送前，小车系统先判断高斯测量系统是否有数据发送(图6中的控制线1为高，说明有数据发送)，若发送信道正在传输高斯测量数据则不断查询等待，在确认发送信道空闲时(控制线1为低)，将数据包送串口发送，同时置控制线2为高，以向Aduc845测量系统发送信道占用信号，发送结束后将控制线2置低，撤消信道占用指示信号.
小车接收PC数据和命令时采用中断方式，不断监听串口数据流中是否有PC发送给小车的有效命令帧，忽略收到的发给高斯测量系统的命令帧，当遇到有效的命令帧后，执行相应的控制命令，然后向PC发送确认帧.
4 测量调试
Aduc845测量系统在正式测量之前，需要校准，我们采用了两种方案.
1)利用标准磁场设置基准，使用较高精度的高斯测量仪，对标准磁铁的某一点进行测量，并将该值F
app监测记下，然后将传感器紧贴该位置，同时将刚才所测高斯数值通过键盘写入Aduc845芯片内部的EEPROM保存，系统同时把经过测量得
到的对应F
的传感器输出霍尔电压U
保存在EEPROM，正式测量时，假设磁场强度F1，测量得
到霍尔电压U
1
，则F1=F0×U1/U0.该方案理论上很正确，但实际中很难操作，因为使用高精度测量仪对准磁铁的某一点进行测量时，探头不同角度的微小变化，甚至测试者手姿势的微小抖动都会导致对该点测量值的较大变化，很难得到一个稳定的近似值，即使偶尔得到一个稳定值，当将CS49E传感器再次对准同一
点时，由于姿势和测试角度等条件的改变，从键盘输入的高精度仪测得值也不一定是该点的真实值，而只是一个相对近似值，有不可忽略的随机误差和粗大误差.
2)为了尽量减少该误差，笔者采用了利用标准电压源代替CS49E传感器输出的第二种方案.根据图1中CS49E磁电转换特性曲线可知，当磁场高斯值为-300Gs时，传感器输出电压210V，高斯值为0GS时，传感器输出2.5V.为了校准，放弃方案一中的标准磁铁，并去掉CS49E，而将一个2V的标准电压作为CS49E的输出，然后以-300GS作为产生2V输出的标准磁场值，其他原理与前述方案一样，校准完毕后，将CS49E 重新接上.该方案大大提高了准确度，减少了调试误差，实验结果与图1基本保持一致，例如当系统测试值在670GS上下微小变化时，测得CS49E传感器的输出围绕3.6V微小变化，与图1线性度一致.
5 结论
本文利用可移动的高斯计实验系统对100m
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内的磁场进行了测试，达到了预期的效果，高度线性的传感器和24位的ADC可使测量结果的精度很高，但实际测量的精度还要受校准时的标准磁场精度以及传感器的测试位置、角度和测试空间的磁场
强度、环境温度、测试者的经验、调理电路精度等因素的影响，尽管系统由于自身校准条件的局限使得测量精度没有达到理论精度，但可满足一般的测量要求，用VC编写的PC微机软件对无线传回的测量数据可进行存储和显示等，保存的数据可用Matlab等软件进行处理.由于ADC的转换速度比较慢，每秒钟10次左右，小车在运动测量时，如果相邻测试点的位置很近，则需要降低小车的车速，为了提高车速，可采用高速的ADC 加以改进.该系统具有重要的潜在实用价值，相信可以在很多测量者不能直接接近测量区域时利用该遥控测量系统实现磁场测量.
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D esi gn for W i relessM ob ile Ha ll2effect Gauss2m eter
CHANG Xin2hua1,ZHAO Feng2lan2
(1.School of Electric and Electr onic Engineering,Ludong University,Yantai264025,China;2.Yantai Harbour Hos p ital,Yantai264002,China)
Abstract:U sing electricity2driven m icr o2vehicle,integrated linear Hall circuit chi p and data2collecti on chi p, the W irelessMobile magnetic field measure ment syste m fixed in m icr o2vehicle is designed based on the p rinci2 p le of Hall effect,which can realize comparative far distant magnetic field measure and data p r ocess with the aid of re mote contr ol PC computer.B inary data strea m were modulated and de modulated by FSK wireless trans2 ceiver module circuit.W ireless trans m issi on of serial asynchr onous data and command exchange were accom2 p lished a mong m icr o2vehicle re mote contr ol syste m,Gass2meter measure ment syste m and PC m icr ocomputer. Key words:Hall effect;electricity2driven m icr o2vehicle;ADuc845;wireless trans m issi on
(责任编辑 李少兰)
