Магнитометр на модуле UART-USB

25 0 0

В статье приводятся описание схемы и конструкция устройства для измерения величины постоянного магнитного поля. Основное отличие прибора от существующих прототипов [1] заключается в использовании модуля UART-USB [2], что уменьшает затраты на автоматизацию и визуализацию измерений. Регистрацию магнитного поля выполняет датчик Холла типа SS49, аналоговый сигнал которого после цифрового преобразования передаётся в компьютер.

Шабронов Андрей

Введение

Магнитометры, представляющие собой приборы для измерения характеристик магнитного поля, находят применение для решения различных задач, в том числе: в системах контроля магнитных изделий, регистрации сильных токов и магнитных полей, в учебной и научной практике. Одним из вариантов построения магнитометра является использование датчика Холла. При наличии магнитного поля датчик Холла SS49 изменяет среднее исходное выходное напряжение (+2,5 В) в сторону увеличения или уменьшения в зависимости от направления поля [3]. Чем сильнее магнитное поле, тем сильнее отклонение от среднего значения. На рисунке 1 представлена функциональная схема предлагаемого магнитометра.
Рис. 1. Функциональная схема магнитометра

Генератор, управляемый напряжением (ГУН), преобразует амплитудное аналоговое изменение сигнала датчика в изменение частоты сигнала. Затем сигнал с периодом, содержащим информацию о магнитном поле, складывается операцией И-ИЛИ с сигналом постоянного периода от компьютера. Таким образом, конечный сигнал содержит информацию о величине магнитного поля, значение которого можно определить, зная частоту сигнала передачи от компьютера.

Подробно метод подобного использования И-ИЛИ описан в работе [4]. В предлагаемую конструкцию добавлена функция перевода аналогового сигнала в цифровой с помощью ГУН. Измерение уровня магнитного поля выполняется программно посредством анализа получаемой обратной последовательности блока передаваемого сигнала. Блок «Управление» синхронизирует работу ГУН с последовательностью передачи опорного блока по линии TXD, что обеспечивает совместный приём по линии RXD.

Блок, передаваемый на «машинном уровне» компьютера по линии ТXD, не прерывается другими подпрограммами USB-интерфейса, что делает его достаточно точным по времени. Чувствительность датчика составляет ≈1 мв/Гс, динамический диапазон – до 1000 Гс при напряжении питания 5 В. Для выбранной средней частоты ГУН 10 кГц и частоты опорного сигнала 200 кГц точность измерения равна 10000/200000=0,5%. Время единичного измерения представляет собой длительность передачи одного блока 4096 (0x1000) байт, Т_изм=0x1000×50 мкс≈0,2 с. Следовательно, точность измерения можно изменять, изменяя частоту ГУН и скорость передачи одного блока.

Принципиальная схема магнитометра

Магнитометр построен на двух самостоятельных конструктивных элементах: адаптере USB-UART и печатной плате со схемой, содержащей датчик магнитного поля, работающий на эффекте Холла (типа SS49 компании Honeywell) [3], логическую микросхему с функцией И-ИЛИ 555ЛП5 (74AC86) и микросхему компаратора 1040CA1 (LM393). Принципиальная схема устройства представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Принципиальная схема магнитометра

Напряжение с вывода 3 датчика SS49 через резистор R2 поступает на положительный вход микросхемы U1.1 и управляет частотой генератора, определяемой цепью R3C2. Резистор R1 определяет коэффициент усиления каскада. ГУН начинает работать при передаче сигналов измерительного блока от компьютера по линии TXD. Диод D1 и RC-цепь C3R4 разрешают включение логической единице на выводе 3 U2.1 на всё время передачи блока, и таким образом напряжение питания через R5 поступает на выходной транзистор ГУН. Выходной каскад ГУН выполнен по схеме с открытым коллектором. Резистор R5 выполняет функцию нагрузки выходного каскада U1.1. Генерируемый ГУН сигнал поступает на вывод 4 микросхемы U2.2 элемента И-ИЛИ. На вывод 5 U2.2 элемента И-ИЛИ поступает сигнал известной длительности и частоты из UART по линии TXD.
Рис. 3. Диаграммы работы магнитометра
Сформированный модулированный по И-ИЛИ сигнал принимается в UART по линии RXD. На рисунке 3 приведены диаграммы зависимости работы ГУН от передаваемого блока:

сигнал 1 – передаваемый блок в точке TXD UART;
сигнал 2 – напряжение питания на выводе 3 микросхемы U2.1, которое формируется при передаче передаваемого блока TXD;
сигнал 3 – выход ГУН с вывода 1 микросхемы U1.1 и одновременно вход И-ИЛИ вывода 4 микросхемы U2.2.

Все сигналы сложения по И-ИЛИ повторяют логику работы и диаграммы, которые подробно описаны в статье [4]. Неиспользуемые элементы микросхем U1 и U2 на схеме не показаны, их входы замкнуты на землю.

Конструкция магнитометра

Внешний вид магнитометра показан на рисунке 4. Прибор с разъёмом USB может быть размещён в небольшом корпусе, выполненном, например, из короба кабель-канала. Слева показан готовый блок на печатной плате – модуль USB-UART. На печатной плате справа показан равный по ширине, но значительно более длинный модуль, который содержит все компоненты схемы.
Рис. 4. Внешний вид магнитометра

Датчик SS49 установлен в пазе печатной платы и зафиксирован клеем. Принципиальная схема и разводка печатной платы подготовлены в редакторе DipTrace и доступны в прилагаемой программе [5]. При изготовлении магнитометра допускается использовать отечественные или зарубежные аналоги компонентов.

Программа магнитометра

Программа для работы с магнитометром выполнена на языке программирования Форт [6]. Вид окна программы и основные элементы управления аналогичны программе, представленной в [4]. Перед началом работы требуется открыть устройство с доступом к UART и убедиться в правильности его подключения в «диспетчере устройств». После запуска программы пользователю доступны следующие возможности:

вычисление частоты ГУН и отображение значений в абсолютной шкале в гауссах и без пересчёта;
калибровка с помощью внешнего прибора и источника опорного магнитного поля;
отображение среднего значения и дисперсии средних значений за период измерений;
отображение в отдельном окне графика уровня магнитного поля;
запись данных в файловый архив и анализ графиков в макросе Excel;
средства контроля, анализа и визуализации настройки датчика Холла, цветовые настройки окна, схема магнитометра и печатная плата в редакторе DipTrace;
имитатор приёма магнитного поля;
текст программы, компилятор языка Форт, файл справки по командам языка Форт;
справка по управляющим клавишам, файл настройки быстрого запуска и выбора режимов.

Программа не требует установки и предназначена для работы на операционных системах Windows XP/7/8/10.

Заключение

Отличительным признаком предложенной схемы является способ измерения с использованием модуля UART-USB на основе функционального преобразования аналогового сигнала посредством ГУН. Среди достоинств измерителя стоит отметить «кварцевую» точность измерения и относительно низкую цену исходных компонентов. Ещё одним достоинством прибора является возможность его подключения к компьютеру для сбора, визуализации и обработки данных. Получаемые в процессе измерения данные одновременно доступны для «интеллектуальной обработки», сигнализации и других задач.