专利名称：三维数字式霍尔磁场测量仪的制作方法
技术领域：
一种三维数字式霍尔磁场测量仪涉及到三维恒定磁场测量技术领域。
背景技术：
与传统模拟测量计相比较，数字式磁场测量仪在微弱磁场测量以及高频磁场测量方面都能达到模拟方法所没有的测量精度及准确度。在国外，已研制出了新一代的三维霍尔芯片，并广泛应用于超导的均匀性无损伤检测、磁盘转速测量等场合，并且有着一维磁场测量仪无法达到的准确度。
在文献“TitleMethod for offset-compensated magnetic field measurement using Hall sensor；involves obtaining measuring signals at two sensitivities and using equation to determine offsetInventor Name(s)FISCHER R，MAECKEL R，SCHULZ T Patent Assignee Name(s)andCode(s)DAIMLERCHRYSLER AG(DAIM) Derwent Primary Accession Number2000-664789[49]”(″采用霍尔传感器进行偏置补偿磁场测量的方法采用双灵敏度获取测量信号；采用公式确定偏置量″发明者姓名FISCHER R，MAECKEL R，SCHULZ T，专利受理人名和代码AIMLERCHRYSLER AG(DAIM)，Derwent主要数据2000-664789[49]″)中，霍尔器件后采用了放大器(误差)，这样会造成模拟信号调理不足，从而得不到较高的分辨率。
在外文献检索中，没有检索到有关三维霍尔磁场测量仪电路方面的文献，在国内，目前还没有高精度的三维数字霍尔磁场测量仪产品。实用新型内容
本实用新型所提供的三维数字式霍尔磁场测量仪，采用了三维霍尔芯片对磁场进行检测，并引入了一种高精度数模转换器(ADC)，利用它补偿模拟信号调理不足，使得测量仪分辨率提高，数字转换后的信号送入单片机中进行处理，从而测得X、Y、Z三方向的磁场，同时还采用了一种能够提高供电效率，延长工作时间的电源。
本实用新型所提供的三维数字式霍尔磁场测量仪，含有以三维霍尔芯片为主的测量电路、电源和液晶显示模块，其特征在于，所述测量电路含有两个其输入端分别与上述三维霍尔芯片的输出端相连的高精度模数转换芯片U2A和U2B；其选通信号输入端分别与上述两个高精度模数转换芯片U2A的x方向磁场Bx，z方向磁场分量Bz1和U2的y方向磁场By，z方向磁场分量Bz2的两组信号输出端相连的单片机；其输入端与上述单片机的设置信号片选输出端相连，而输出端分别与上述两个高精度模数转换芯片的设置信号输入端相连的设置信号片选逻辑电路(1)；其输入端分别与上述两个高精度模数转换芯片的选通信号输出端相连，而输出端分别与上述单片机的选通信号输入端相连的信号选通逻辑电路(2)；其输入端分别与上述两个高精度模数转换芯片的请求中断信号输出端相连，而输出端与上述单片机的中断信号输入端相连的中断信号选通逻辑电路(3)。
上述设置信号片选逻辑电路(1)由两个与门U3A和U3B组成，其各自的一个输入端共同连接上述单片机的设置信号输出端，另一个输入端分别连接上述单片机的两个片选信号输出端，其输出端分别连接所述两个高精度模数转换芯片各自的设置信号输入端。
上述信号选通逻辑电路(2)由三个或非门U4A、U4B和U4C组成，其中U4A和U4B各自的一个输入端分别连接所述高精度模数转换芯片U2A的Bx、Bz1信号输出端和U2B的By、Bz2信号输出端，其另一个输入端分别连接所述单片机的两个片选信号输出端，而两个输出端与U4C的输入端相连，U4C的输出端与所述单片机的选通信号输入端相连。
上述中断信号选通逻辑电路(3)由三个与非门U5A、U5B和U5C组成，其中U5A和U5B各自的一个输入端分别与所述两个高精度模数转换芯片的请求中断信号输出端相连，另一个输入端分别与所述单片机的两个中断选通信号输出端相连，而两个输出端与U3C的输入端相连，U3C的输出端与所述单片机的中断信号输入端相连。
上述电源含有一个其输入端与电池相连的由一个CMOS降压型开关稳压器芯片P1及其典型外围电路所组成的斩波电路(4)；其输入端与所述斩波电路(4)的输出端相连的滤波电路(5)；其输入端与所述滤波电路(5)的输出端相连，而输出端与有关芯片的模拟电压或数字电压输入端相连的π型电路(6)；一个其输入端与所述滤波电路(5)的电压输出端相连的电压反向芯片P2；一个其输入端与电池相连，而输出端与所述三维霍尔芯片的电流输入端相连，以输出恒定电流的芯片P3。
上述三维霍尔芯片的型号为3D-H-30，两片高精度模数转换芯片的型号均为Max1400，单片机的型号为AT90S8515。
上述电源中的降压型开关稳压器芯片P1的型号为MAX638，电压反向芯片P2的型号为MAX660，产生恒定电流的芯片P3的型号为REF02。
实验证明，本实用新型所提供的三维数字式霍尔磁场测量仪能够测得X、Y、Z三方向的磁场，同时能够补偿模拟信号调理不足的缺点，使得测量仪分辨率提高，其使用的电源还能够提高供电效率，延长工作时间，达到了预期的目的。
图1为测量仪电路原理框图2为测量仪电路原理图，分画在两页纸上，其电路连接关系及信号流通方向由箭头和相应
的字符标明；
图3为电源电路原理图。
具体实施方式
如图1所示
三维霍尔探头在磁场中检测到磁场信号后，将信号送入高精度模数转换器ADC1和ADC2，将转换后的数字量通过逻辑电路的选通，送入单片机(MCU)中进行处理，将处理后的数据通过液晶显示模块在液晶显示屏上显示；测量仪中还含有供各芯片工作的电源，和能够实现各种功能切换的控制键盘。
各芯片的型号及连接关系见图2和图3。
1)三维霍尔芯片采用的是Sentron公司生产的3D-H-30型霍尔芯片，其主要技术指标如下
标称控制电流3mA
灵敏度(控制电流3mA)x，y方向 275mV/T
z方向 100mV/T在控制电流的作用下，芯片产生4路电压信号SX1、SX2、SY1、SY2，通过运算可得到x、y、z方向的磁场，即四路差分电压Bx＝Sx1-Sx2、By＝SY1-SY2、Bz1＝SX1-SY1、Bz2＝SX2-SY2，而Bz＝Bz1+Bz2。其中Bx和Bz1的计算在高精度模数转换芯片ADC1中进行，By和Bz2的计算在高精度模数转换芯片ADC2中进行，而Bz＝Bz1+Bz2的计算在单片机中进行。
2)本实用新型所采用的高精度模数转换芯片是的MAX1400型芯片，MAX1400芯片内集成了多路模拟开关。通过模拟开关，MAX1400芯片可实现对3路差分电压的转换，从而为进一步简化外部的模拟电路提供了方便。MAX1400芯片实现了片内的数字滤波器，通过适当设置滤波器的陷波频率，可有效抑制工频和高频干扰，尤其适于低频和直流电压的测量。MAX1400芯片与单片机的接口为SPI(串行外设接口)结构。通过对芯片内部各个寄存器的读写，用户可对各差分电压通道分别设置PGA增益，滤波器陷波频率等参数进行设置，具有很高的灵活性。MAX1400芯片的PGA增益和滤波器陷波频率的设置方法在MAX1400芯片使用说明书中有清楚说明。
MAX1400芯片的主要功能是将输入模拟信号进行AD转换，并将四路测量信号SX1，SX2，SY1，SY2转化为X，Y，Z方向的磁场量。由于一片MAX1400芯片只能输入三路差分电压(图2中芯片的AIN1～AIN6端即为三路差分电压的输入端)，如果只用一片MAX1400芯片就需要外加模拟开关切换测量通道，这样会引入更多的失调和噪声，而且读数刷新的速度也会由于各通道测量频率的降低而变慢。本实用新型采用两片MAX1400芯片，每片只输入两路差分电压信号，不用外接模拟开关，能很好的解决这一问题。图2中MAX1400芯片的AIN1～AIN4脚分别是以AIN6为参照地的两组差分模拟数据输入端，芯片的DOUT输出端依次输出AD转换后的AIN1-AIN2，AIN3-AIN4信号。本实用新型中ADC1的DOUT端输出数字量Bx＝SX1-SX2，Bz1＝SX1-SY1；ADC2的DOUT端输出数字量By＝SY1-SY2，Bz2＝SX2-SY2。Bz＝Bz1+Bz2的运算，在单片机中实现。
MAX1400芯片的外围电阻和电容R1，C1构成的电路为输入辅助电路，C1稳压，R1限制输入电流；其他相似结构作用类同；电阻R9，R10是典型接法，表示MUXOUT端和ADCIN端之间无数据外部处理。
3)单片机(MCU)采用Atmel公司的AT90S8515型8位单片机。由于采用Harvard结构和精简指令集(RISC)，该单片机在一个时钟周期内即可完成一条指令，比传统的51系列8位机速度提高5倍以上。具有4个8位I/O口，可以对每个I/O管脚分别设置输入、输出及片内的上拉电阻，对外围设备的控制功能强大。其所具有的高速SPI接口，可方便的与MAX1400芯片进行连接。其有两种睡眠模式，可在高精度模数转换芯片ADC进行转换时进入睡眠状态以减少耗电和对ADC的干扰。
4)在两片MAX1400芯片与单片机的连接中需要考虑单片机对ADC芯片的工作模式进行选通设置，对其数据输出信号和中断信号进行选通的问题。由于每种信号只有两路需要选通，为了保持灵活性，本系统不用数据选择器而是采用普通的二输入与门、与非门和或非门进行选通。(1)对ADC接收单片机MOSI端口输出设置信号的选通采用图2中所示的“设置信号片选 逻辑电路(1)”，该电路由两个与门组成，其型号均为7408，其连接关系如图所示， 逻辑表达式为
DIN1＝CS1·MOSI
DIN2＝CS2·MOSI
其选通结果如表1所示(2)对ADC数据输出信号的选通采用图2中所示的“信号选通逻辑电路(2)”，该电路由三 个或非门组成，其型号均为7428，其连接关系如图所示，逻辑表达式为
其中ADCS1，ADCS2为单片机输出的选通信号，ADOUT1，ADOUT2为ADC1和
ADC2的数据输出信号。其选通结果如表2所示表2(3) 对ADC中断信号的选通采用图2中所示的“中断信号选通逻辑电路(3)”，该电路由三
个与非门组成，其型号均为74LS00，逻辑表达式为
其中INTMASK1，INTMASK2为单片机输出的选通信号。ADINT1，ADINT2为ADC
的中断信号，其选通结果如表3所示表3
5)液晶显示模块采用MDLS-81809芯片，用于显示读数和操作的提示信息，其4位并行数据传输口与单片机芯片的PC4～PC7相连，接收单片机传输的数据。
图2中U7指控制键盘，S1～S5键盘上的各按键开关，开关的一个输出端分别连接单片机芯片的PA0～PA4端，另一个输出端共同连接单片机芯片的键盘中断信号输入端INT1，各按键开关分别执行如下功能，其功能的实现是通过在单片机中编程而实现。S1HOLD按钮，读数保持功能电源接通时磁场仪的读数处于不断更新的状态。按下HOLD
按钮，磁场仪的读数显示停止更新；释放HOLD按钮，磁场仪的读数重新开始更新。S2RANGE按钮，切换量程；量程在1999mT，199.9mT，19.99mT之间循环变化。S3BY按钮，切换三维和一维测量功能；电源接通时，磁场仪显示的是空间三维磁场的合
矢量大小B，接下来每按一次按钮，按照By、Bx、Bz、B的顺序循环显示。S4ZERO按钮，用户校零功能；如果使用者需要重新校零，则应当把磁场仪探头置于零磁
场盒内，按下ZERO按钮，接着再按下HOLD按钮，磁场仪自动对各通道校正零点(User’s
Offset)，同时零点数据被保存在EEPROM中，下次使用仍可恢复上次用户校正的零点。S5RESET按钮，恢复系统零点功能；如果想要恢复经过计量部门校准过的零点(System
Offset)，则按下RESET按钮，接着再按下HOLD按钮，这样磁场仪就恢复使用校准过的
零点。
6)如图3所示，由于传统的线性稳压模块(如7805)工作在+9V到+5V的工况下的效率太低(接近50％)，对于延长电池工作时间十分不利，难以达到系统易用性的要求。本测量仪采用的供电方式主要是9V叠层电池，利用Maxim公司的MAX638型CMOS降压型开关稳压器芯片实现+9V(电池电压)到+5V的转换，对系统内各芯片供电。
MAX638型CMOS降压型开关稳压器芯片具有转换效率高(90％以上)、外接元件少、输出电压可调的优点，能够大大减少电能损耗，实现磁场测量仪对省电的高要求，同时，其低电压检测功能可实现开机时电池电压自动检测。其缺点主要在于输出电压具有较大纹波，对于高精度的测量系统有一定影响，故需采用合理的元件参数及适当的滤波环节，以获得良好的电源质量。本实用新型采用斩波电路来实现滤波，稳定输出波形。
图示的电源电路原理图中，+9V电压经过MAX638芯片及外围的电容、电感和二极管构成的斩波电路(4)降为+5V电压，+5V电压经过滤波电路(5)和π型电路(6)输出模拟电压和数字电压供各元件使用。在斩波电路的电压输出端连接有电压反向芯片MAX660，将+5V电压转换为-5V。同时MAX638芯片的LBO端还引出信号线LOBAT，当电池电压降到8V以下时，LOBAT会由高电平变为低电平，可用于开机时系统自动检测电池电压情况，LOBAT与单片机芯片的PA5端相连。电源中所采用的REF02芯片能够产生+5A的恒定电流，供霍尔芯片使用。
权利要求1、三维数字式霍尔磁场测量仪，含有以三维霍尔芯片为主的磁场测量电路、电源和液晶显示模块，其特征在于，所述磁场测量电路含有两个其输入端分别与上述三维霍尔芯片的输出端相连的高精度模数转换芯片U2A和U2B；其选通信号输入端分别与上述两个高精度模数转换芯片U2A的x方向磁场Bx，z方向磁场分量Bz1和U2的y方向磁场By，z方向磁场分量Bz2的两组信号输出端相连的单片机；其输入端与上述单片机的设置信号片选输出端相连，而输出端分别与上述两个高精度模数转换芯片的设置信号输入端相连的设置信号片选逻辑电路(1)；其输入端分别与上述两个高精度模数转换芯片的选通信号输出端相连，而输出端分别与上述单片机的选通信号输入端相连的信号选通逻辑电路(2)；其输入端分别与上述两个高精度模数转换芯片的请求中断信号输出端相连，而输出端与上述单片机的中断信号输入端相连的中断信号选通逻辑电路(3)。
2、如权利要求1所述的三维数字式霍尔磁场测量仪，其特征在于所述设置信号片选逻辑电路(1)由两个与门U3A和U3B组成，其各自的一个输入端共同连接上述单片机的设置信号输出端，另一个输入端分别连接上述单片机的两个片选信号输出端，其输出端分别连接所述两个高精度模数转换芯片各自的设置信号输入端。
3、如权利要求1所述的三维数字式霍尔磁场测量仪，其特征在于所述信号选通逻辑电路(2)由三个或非门U4A、U4B和U4C组成，其中U4A和U4B各自的一个输入端分别连接所述高精度模数转换芯片U2A的Bx、Bz1信号输出端和U2B的By、Bz2信号输出端，其另一个输入端分别连接所述单片机的两个片选信号输出端，而两个输出端与U4C的输入端相连，U4C的输出端与所述单片机的选通信号输入端相连。
4、如权利要求1所述的三维数字式霍尔磁场测量仪，其特征在于所述中断信号选通逻辑电路(3)由三个与非门U5A、U5B和U5C组成，其中U5A和U5B各自的一个输入端分别与所述两个高精度模数转换芯片的请求中断信号输出端相连，另一个输入端分别与所述单片机的两个中断选通信号输出端相连，而两个输出端与U3C的输入端相连，U3C的输出端与所述单片机的中断信号输入端相连。
5、如权利要求1所述的三维数字式霍尔磁场测量仪，其特征在于，所述电源含有一个其输入端与电池相连的由一个CMOS降压型开关稳压器芯片P1及其典型外围电路所组成的斩波电路(4)；其输入端与所述斩波电路(4)的输出端相连的滤波电路(5)；其输入端与所述滤波电路(5)的输出端相连，而输出端与有关芯片的模拟电压或数字电压输入端相连的π型电路(6)；一个其输入端与所述滤波电路(5)的电压输出端相连的电压反向芯片P2；一个其输入端与电池相连，而输出端与所述三维霍尔芯片的电流输入端相连，以输出恒定电流的芯片P3。
6、如权利要求1所述的三维数字式霍尔磁场测量仪，其特征在于所述三维霍尔芯片的型号为3D-H-30。
7、如权利要求1所述的三维数字式霍尔磁场测量仪，其特征在于所述两个高精度模数转换芯片的型号均为Max1400。
8、如权利要求1所述的三维数字式霍尔磁场测量仪，其特征在于所述单片机的型号为AT90S8515。
9、如权利要求1或5所述的三维数字式霍尔磁场测量仪，其特征在于所述电源中的CMOS降压型开关稳压器芯片P1的型号为MAX638。
10、如权利要求1或5所述的三维数字式霍尔磁场测量仪，其特征在于所述电源中的电压反向芯片P2的型号为MAX660。
11、如权利要求1或5所述的三维数字式霍尔磁场测量仪，其特征在于所述电源中产生恒定电流的芯片P3的型号为REF02。
专利摘要一种三维数字式霍尔磁场测量仪属于三维恒定磁场测量技术领域。其特征在于，它含有两个与三维霍尔芯片输出端相连的高精度模数转换芯片；与两个高精度模数转换芯片相连的单片机；输入端与单片机相连，输出端分别与两个高精度模数转换芯片相连的设置信号片选逻辑电路；输入端分别与两个高精度模数转换芯片相连，输出端与单片机相连的信号选通逻辑电路；输入端分别与两个高精度模数转换芯片相连，输出端与单片机相连的中断信号选通逻辑电路。该测量仪具有高精度、高分辨率、省电和高效的优点，填补了国内高精度三维磁场测量产品的空白。
文档编号G01R33/07GK2566281SQ0223753
公开日2003年8月13日 申请日期2002年6月7日 优先权日2002年6月7日
发明者吴宁, 朱磊, 蒋晓华, 杨宏 申请人:清华大学