кандидатская

Руководствуясь техническими характеристиками гибридного 3-х осевого магниторезистивного датчика типа НМС2003, и целями поставленной задачи, а именно регистрация параметров геомагнитных возмущений по трем осям координат, во всех исследуемых частотных и амплитудных спектрах, синтезируем детальную структуру модуля управления магниторезистивным сенсорным блоком (рисунок 3.4).

На этапе разработки данной структуры необходимо запланировать и учесть ряд функциональных элементов, необходимых для последующей корректной аппаратной реализации системы, а именно:

-Блок преобразования и распределения электрической энергии;

-Система индикации функционирования системы;

- Блок предварительной настройки модуля формирования

установочных (сбросовых) импульсов.

Рисунок. 3.4 - Структура модуля управления магниторезистивнымсенсорным блоком

91

Таким образом, в представленной структурной схеме имеем:

-блок питания (+5В, ЮООмА) — стабилизированный источник вторичного электропитания, запитываемый от стандартной однофазной сети переменного тока (220 В, 50 Гц), рассчитанный на мощность 5 Вт, с выходным напряжением +5 В;

-блок преобразования и распределения электрической энергии — система позволяющая преобразовывать входное напряжение номиналом в 5 В, в необходимые для функционирования магниторезистивного сенсорного блока номиналы напряжений в +12 В и +20 В;

-система управления трехкомпонентным магниторезистивным сенсором — микроконтроллерная система формирующая ряд обусловленных управляющих импульсов определенной скважности, генерируемых и управляемых по средствам программного обеспечения.

-блок предварительной настройки модуля формирования установочных (сбросовых) импульсов — устройство ввода вывода информации, по средствам которого варьируется скважность управляющих импульсов системы управления трехкомпонентным магниторезистивным сенсором;

модуль формирования установочных (сбросовых) импульсов — интерфейсный модуль, отвечающий за сопряжение системы управления трехкомпонентным магниторезистивным сенсором и непосредственно самим трехкомпонентным магниторезистивным сенсором;

-система индикации функционирования системы - устройство вывода информации, отображающее текущий режим работы магниторезистивного сенсорного блока и сигнально отображающее функционирование основных узлов магниторезистивного сенсорного блока;

-датчик магнитного поля Х-координаты, датчик магнитного поля Y- координаты, датчик магнитного поля Z-координаты — три идентичных ортогонально настроенных магниторезистивных датчика типа НМС 1001, в

92

совокупности представляющие трехосевой магниторезистивный гибридный сенсорный модуль типа НМС2003, позволяющий оценивать значение вектора магнитной индукции по трем осям координат.

Таким образом, в первом приближении решена инженерная задача обнаружения внешнего магнитного поля с заданной точностью и в заданном диапазоне. Причем немаловажно отметить, что считывание внешней магнитной обстановки ведется параллельно в трех ортогональных направлениях с равной точностью.

3.3 Разработка программно-алгоритмического обеспечения

Для обеспечения корректной работы магниторезистивного датчика, необходимо разработать специальный алгоритм работы и управления, который предоставит возможность корректного считывания информации с гибридного трехосевого магниторезистивного сенсора.

При начальных условиях, или при воздействии внешнего вектора магнитной индукции превышающего оговоренное разрушающее значение (В=15..20 Гаусс) [36], магнитные домены магниторезистивного элемента ориентированы хаотичным образом, как показано на рисунке 3.5. Такое состояние датчика не пригодно для измерения ввиду нулевой чувствительности.

Рисунок. 3.5 - Ориентация магнитных доменов магниторезистивного элемента по умолчанию, либо при воздействии внешнего разрушающего магнитного поля, номинал вектора магнитной индукции которого превышает 15..20 Гаусс.

Подача короткого установочного импульса тока 2..5 А, длительностью

1..2 мкс через катушку SET/RESET, формирует поле, ориентирующее

93

магнитные домены всех пленок сенсора в одном направлении, которое и

называется легкой осью (рисунок 3.6) [13].

Рисунок. 3.6. - Ориентация магнитных доменов пленки сенсора после подачи установочного импульса

Катушка SET/RESET выполняет еще одну важную функцию - это инвертирование передаточной характеристики датчика путем ее зеркального отображения относительно двух смещений.

Смещение по оси Y порядка -25мВ вызвано исключительно омическим рассогласованием магниторезистивных пленок моста в процессе изготовления и устраняется добавлением шунтирующего резистора к одному из плеч моста. Второе смещение создано извне, вероятно из-за того, что вблизи сенсора находится крупный ферромагнитный объект. Это поле компенсируется с помощью второй встроенной в сенсор катушки OFFSET.

Инвертирование характеристики выполняется подачей отрицательного импульса тока - 2.. -5 А длительностью 1..2 мкс через катушку SET/RESET. В результате подачи инвертирующего импульса, магнитные домены пленки сенсора выстраиваются, как показано на рисунке 3.7.

Рисунок. 3.7 - Ориентация магнитных доменов после подачи инвертирующего установочного импульса

Инвертирование необходимо для реализации двухступенчатой

методики измерения величины магнитного поля, которая исключает влияние

94

температурного дрейфа элементов моста и схемы обработки сигнала, ошибку, вызванную нелинейностью характеристики, межосевой эффект, а так же потерю слабого сигнала на фоне сильных паразитных полей.

Таким образом, методика измерения внешнего магнитного поля включает три шага:

- формируется установочный импульс тока Iset, что обеспечивает SETусловие.

При этом измеряется и запоминается выходное напряжение моста

UBbix(set);

- формируется установочный импульс тока Ireset = -Iset, что инвертирует

(зеркально отображает) характеристику преобразования. При этом измеряется

и запоминается выходной сигнал.

-итоговое значение выходного напряжения вычисляется в соответствии с выражением (3.3):

что в результате исключает начальное смещение и температурные эффекты как самого анизотропного магниторезистивного моста, так и внешней схемы обработки сигнала.

Принимая во внимание структуру модуля управления магниторезистивным сенсорным блоком (рис. 3.3), организуем вышеописанную методику по средствам специально разработанного программного обеспечения микроконтроллерной системы. Другими словами управление магниторезистивным датчиком будем осуществлять при помощи специально запрограммированной и отлаженной микропроцессорной

95

системы, что позволит при минимальных массогабаритных и энергетических затратах оперировать рядом необходимых параметров. При этом следует учесть, что микроконтроллер будет генерировать ключевые импульсы требуемой скважности в режиме лог. «О» или лог. «1». Причем важно отметить, что на выходе системы возбуждения должны иметь место импульсы специальной формы, как показано на рис. 3.8.

Непосредственный синтез устройства генерации импульсов возбуждения специальной формы, по параметрам, отображенным на рис. 3.8, будет произведен позже.

t, сек

Reset

t, сек

S/R

t, сек

Рис. 3.8. Временные диаграммы управляющих импульсов, где TYS>5MKC, TSI->5MKC, Тр\\«2мкс.

Таким образом, представим методику управления (в виде специального

алгоритма, как показано на рисунке 3.9), считывания и предварительной

96

обработки информации получаемой с выходов трехосевого магниторезистивного модуля типа НМС 2003.

Приведенную на рисунке 3.9 последовательность операций можно реализовать как аппаратно, так и программно. По ряду причин, связанных со стоимостью, массогабаритными показателями и «гибкостью» настройки в настоящей работе будет рассматриваться программная реализация.

Рисунок 3.9. Алгоритм работы и управления магниторезистивным модулем

На рисунке 3.10 рассмотрен алгоритм, предлагаемый для организации

вычисления «индекса ]Гт», процедуры цифровой фильтрации, и

97

определения погрешности, возникающей на этапах преобразования и

обработки сигнала.

Рисунок ЗЛО - Алгоритм работы ПО ПЭВМ

Согласно предложенным алгоритмам работы, управления и вычисления произведем синтез программного обеспечения (синтезируем программный код) на языке высокого уровня Си (Приложение 1)

98

реализующего алгоритм, приведенный на рис. 3.9, и на языке Си++

(Приложение 2) реализующий алгоритм, рассмотренный на рис. 3.10. Универсальность, однозначность и гибкость оговоренного лингвистического обеспечения позволяет максимально точно и корректно программно решить преследуемые задачи.

3.4 Анализ работы функциональных узлов ИИС в тестовом режиме

Таким образом, руководствуясь временными диаграммами, так называемых импульсов возбуждения (рис. 3.8) и анализируя требуемые номинальные значения амплитуды и скважности установочных и сбросовых импульсов, на основании рекомендаций [2, 26, 51] произведем синтез функциональной схемы адаптации аналогового сигнала, как показано на рисунке 3.11. Причем отметим, что для повышения стабильности работы приведенной схемы, конденсатор С2 рекомендуется использовать в танталовом исполнении.

+20 Вольт

О

Рисунок. 3.11Функциональная схема адаптации сигнала управления

Нормальное функционирование исследуемого устройства обеспечивается подачей напряжения различного номинала. Это в первую очередь связанно со спецификой работы магниторезистивного модуля, и

99

системы управления им. В данном случае оправдано источник вторичного электропитания предусмотреть и организовать непосредственно в самой информационно-измерительной системы, не используя внешних преобразователей. Схемотехническим решением данного вопроса может служить схема, как показано на рисунке 3.12.

+ 5 Вольт

Рисунок. 3.12 - Функциональная схема преобразования напряжения

Отметим, что для увеличения стабильности работы данной схемы, а следовательно всей ИИС в целом, конденсаторы С4 и С6 рекомендуется использовать в танталовом исполнении.

Таким образом, непосредственно на плате имеем необходимый ряд следующих номиналов напряжений:

+5 Вольт;

100