一种海底三分量磁力仪的测量电路的制作方法与工艺

本发明属于海底磁力勘查技术领域，具体涉及一种基于英国Bartington公司磁通门传感器的海底三分量磁力测量电路。

背景技术：
地球是天然的磁体，各种仪器、矿藏、以及军事武器均受到地磁场的影响，在局部范围内，铁磁性物质不可避免的被地球磁场磁化产生磁矩，形成向外辐射磁场的磁源，相应的影响地磁场的分布从而引起磁场异常，也对磁传感器产生影响。因此在一定空间区域内，连续检测区域内磁场，分析对比磁场数据，利用磁异常现象可以对目标进行定位和跟踪。在国内，磁法勘查一直以来是地质调查与勘探的有效手段之一，随着世界各国对海底矿产资源开发的日益重视，磁法勘查逐渐在海洋领域得到应用。地质学家通过对海底进行磁力勘探，然后根据磁力数据描绘地区磁场地图，分析定位热液硫化物喷口以及矿藏分布等情况。

技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种海底三分量磁力仪的测量电路。本发明包括电源电路、传感器信号采集电路、数据传输与存储电路、主控电路。所述的电源电路包括+13V输出电源电路、-13V输出电源电路、+6.5V缓冲电压电路、+5V偏置电压输出电路、+5V输出电源电路、+3.3V输出电源电路、+2.5V基准电压电源电路；电源电路负责提供正负13V电源给磁通门传感器供电，并通过+6.5V缓冲电压电路与线性电路得到纹波较小的5V和3.3V；其中5V给高精度模数转换器供电，+5V偏置电压输出电路为信号调理电路提供高精度，低温漂的偏置电压；+2.5V基准电压电源电路为模数转换芯片提供稳定的基准电压。所述的传感器信号采集电路包括数模转换电路和三个结构相同的信号调理电路。所述的信号调理电路包括运算放大器芯片IC11，电阻R16的一端、电阻R17的一端、电阻R18的一端接运算放大器芯片IC11的3脚，电阻R16的另一端接+5V偏置电压输出电路的+5V偏置电压输出端，电阻R18的另一端、运算放大器芯片IC11的4脚接地；运算放大器芯片IC11的2脚和1脚接电阻R19的一端，运算放大器芯片IC11的8脚和电容C25的一端接+5V输出电源电路的+5V电源输出端，电容C25的另一端接地；电阻R19的另一端和电容C26的一端接电阻R20的一端，电阻R20的另一端和电容C27的一端接运算放大器芯片IC11的5脚，电容C27的另一端接地；电容C26的另一端、运算放大器芯片IC11的6脚和7脚连接，作为信号调理电路的输出端；三个信号调理电路中的电阻R17的另一端分别作为三轴磁通门传感器M的三轴磁场电压信号的三个输入端；运算放大器芯片IC11采用德州仪器的精密运放芯片OPA2376。所述的数模转换电路包括模数转换芯片IC12，电阻R21的一端、极性电容Cp14的正极、电容C29的一端、电容C30的一端接模数转换芯片IC12的4脚，电阻R21的另一端接+2.5V基准电压电源电路的+2.5V基准电压输出端，电阻R22的一端、极性电容Cp14的负极、电容C29的另一端、电容C30的另一端接模数转换芯片IC12的3脚，电阻R22的另一端接地；模数转换芯片IC12的1脚、极性电容Cp13的正极和电容C28的一端连接后接+5V输出电源电路的+5V电源输出端，极性电容Cp13的负极和电容C28的另一端接地；模数转换芯片IC12的6脚、8脚、10脚分别与三个信号调理电路的输出端连接；模数转换芯片IC12的5脚通过电阻R23与+2.5V基准电压电源电路的+2.5V基准电压输出端连接，模数转换芯片IC12的2脚接地；模数转换芯片IC12的14脚、15脚、16脚、电容C31的一端、极性电容Cp15的正极接+3.3V输出电源电路的+3.3V电源输出端，模数转换芯片IC12的17脚、电容C31的另一端、极性电容Cp15的负极接地；晶振Y1的一端和电容C33的一端接模数转换芯片IC12的19脚，晶振Y1的另一端和电容C32的一端接模数转换芯片IC12的18脚，电容C33的另一端和电容C32的另一端接地；电阻R24的一端接模数转换芯片IC12的24脚，电阻R25的一端接模数转换芯片IC12的23脚，电阻R26的一端接模数转换芯片IC12的22脚，电阻R27的一端接模数转换芯片IC12的21脚，电阻R28的一端接模数转换芯片IC12的20脚，电阻R28的另一端接地；模数转换芯片IC12采用德州仪器的24位模数转换芯片ADS1256。所述的数据传输与存储电路包括多通道RS-232线路驱动器/接收器IC13，多通道RS-232线路驱动器/接收器IC13的1脚、3脚分别连接电容C34的两端，4脚、5脚分别连接电容C35的两端,15脚直接接地，6脚通过电容C36接地，2脚通过电容C37接地，16脚和电容C38的一端连接后接+3.3V输出电源电路的+3.3V电源输出端，电容C38的另一端接地；多通道RS-232线路驱动器/接收器IC13采用德州仪器的MAX3232芯片。所述的主控电路包括主控芯片IC14，电容C39的一端和晶振Y2的一端接主控芯片IC14的5脚，电容C40的一端和晶振Y2的另一端接主控芯片IC14的6脚，电容C39的另一端和电容C40的另一端接地，主控芯片IC14的60脚通过电阻R29接地；电阻R30的一端、电容C41的一端、开关K1的一端接主控芯片IC14的7脚，电阻R30的另一端接+3.3V输出电源电路的+3.3V电源输出端，电容C41的另一端和开关K1的另一端连接后接地；主控芯片IC14的1脚接纽扣电池BT1的正极，纽扣电池BT1的负极接地，主控芯片IC14的32脚、48脚、64脚、19脚、13脚连接后接+3.3V输出电源电路的+3.3V电源输出端，主控芯片IC14的31脚、47脚、63脚、18脚、12脚连接后接地；主控芯片IC14的30脚通过电阻R31接发光二极管LED2的正极，发光二极管LED2的负极接地；电容C42的一端、电阻R32的一端、晶振Y3的一端接主控芯片IC14的3脚，电容C43的一端、电阻R32的另一端、晶振Y3的另一端接主控芯片IC14的4脚，电容C42的另一端和电容C43的另一端连接后接地；主控芯片IC14的34脚接数模转换电路中电阻R24的另一端，35脚接数模转换电路中电阻R26的另一端，36脚接数模转换电路中电阻R25的另一端，38脚接数模转换电路中电阻R27的另一端；主控芯片IC14的16脚接数据传输与存储电路中多通道RS-232线路驱动器/接收器IC13的10脚，主控芯片IC14的17脚接数据传输与存储电路中多通道RS-232线路驱动器/接收器IC13的9脚；主控芯片IC14的20脚、21引脚、22引脚、23引脚分别为片上外设SPI1的NSS、SCLK、MISO、MOSI引脚输出端，与TF卡的SPI总线连接；主控芯片IC14采用意法半导体的STM32F103RCT6芯片。本发明实现了基于磁通门的一种海底三分量磁力仪的测量电路。利用了磁通门磁传感器的高分辨率，低功耗等特点。在电源分支中，前级电源采用DC/DC来增加电源的工作效率，后级电源利用线性电源来降低电源的纹波与噪声，为后续电路提供了稳定可靠，干净的电源。电路工作时，工作电流约为170mA，实现了低功耗。在传感器信号调理电路中，选择了极低噪声的运放芯片与高精度的模数转换芯片来提高测量电路的有效分辨率。附图说明图1为本发明电路的整体框图；图2为图1中电源电路的整体结构图；图3为图2中的+13V输出电源电路的电路图；图4为图2中的-13V输出电源电路的电路图；图5为图2中的+6.5V缓冲电压电路的电路图；图6为图2中的+5V偏置电压输出电路的电路图；图7为图2中的+5V输出电源电路的电路图；图8为图2中的+3.3V输出电源电路的电路图；图9为图2中的+2.5V基准电压电源电路的电路图；图10为图1中传感器信号采集电路中的信号调理电路的电路图；图11为图1中传感器信号采集电路中的数模转换电路的电路图；图12为图1中数据传输与存储电路的电路图；图13为图1中主控电路的电路图。具体实施方式如图1所示，一种海底三分量磁力仪的测量电路，包括电源电路Ⅰ、传感器信号采集电路Ⅱ、数据传输与存储电路Ⅲ、主控电路Ⅳ。如图2所示，电源电路Ⅰ包括+13V输出电源电路1、-13V输出电源电路2、+6.5V缓冲电压电路3、+5V偏置电压输出电路4、+5V输出电源电路5、+3.3V输出电源电路6、+2.5V基准电压电源电路7。电源电路负责提供正负13V电源给磁通门传感器供电，并通过+6.5V缓冲电压电路与线性电路得到纹波较小的5V和3.3V。其中5V给高精度模数转换器供电，+5V偏置电压输出电路为信号调理电路提供高精度，低温漂的偏置电压。+2.5V基准电压电源电路为模数转换芯片提供稳定的基准电压。如图3所示，+13V输出电源电路包括开关电源芯片IC1和线性电源芯片IC2。开关电源芯片IC1的7脚和电容C1的一端接+24V电源，开关电源芯片IC1的6脚、9脚和电容C1的另一端接地；开关电源芯片IC1的1脚接电容C2的一端，开关电源芯片IC1的8脚接电容C2的另一端、肖特基二极管D1的阴极接电感L1的一端，电感L1的另一端、电阻R1的一端、极性电容Cp1的正极、电容C3的一端、电容C4的一端、极性电容Cp2的正极接线性电源芯片IC2的3脚，电阻R1的另一端和电阻R2的一端接开关电源芯片IC1的4脚；电阻R3的一端和电阻R4的一端接线性电源芯片IC2的1脚，极性电容Cp3的正极和电阻R4的另一端接线性电源芯片IC2的2脚，作为+13V电源输出端，电阻R2的另一端、极性电容Cp1的负极、电容C3的另一端、电容C4的另一端、极性电容Cp2的负极、电阻R3的另一端、极性电容Cp3的负极接地。开关电源芯片IC1采用德州仪器的开关电源芯片TPS5430，线性电源芯片IC2采用凌特公司的线性电源芯片LT1086-ADJ。如图4所示，-13V输出电源电路包括开关电源芯片IC3和线性电源芯片IC4。开关电源芯片IC3的7脚、电容C5的一端和电容C6的一端接+24V电源，电容C5的另一端接地；开关电源芯片IC3的1脚接电容C7的一端，开关电源芯片IC3的8脚、电容C7的另一端、肖特基二极管D2的阴极接电感L2的一端；电阻R5的一端、电阻R6的一端接开关电源芯片IC3的4脚，电容C6的另一端、电阻R5的另一端、极性电容Cp4的负极、电容C8的一端、电容C9的一端、电源芯片IC3的6脚和9脚接以及极性电容Cp5的负极接线性电源芯片IC4的2脚；电感L2的另一端、电阻R6的另一端、极性电容Cp4的正极、电容C8的另一端、电容C9的另一端相接并接地；电阻R7的一端和电阻R8的一端接线性电源芯片IC4的1脚，电阻R8的另一端、极性电容Cp6的负极相接，作为-13V电源输出端，电阻R7的另一端、极性电容Cp5的正极、电容Cp6的正极相接并接地。开关电源芯片IC3采用德州仪器的开关电源芯片TPS5430，线性电源芯片IC4采用德州仪器公司的线性电源芯片LM337。如图5所示，+6.5V缓冲电压电路包括开关电源芯片IC5，开关电源芯片IC5的7脚、电容C10的一端和电容C11的一端接+24V电源，开关电源芯片IC5的6脚和9脚、电容C10的另一端和电容C11的另一端接地；开关电源芯片IC5的1脚接电容C12的一端，开关电源芯片IC5的8脚、电容C12的另一端、肖特基二极管D3的阴极接电感L3的一端，电感L1的另一端、电阻R9的一端、极性电容Cp7的正极、电容C13的一端、电容C14的一端接零欧姆电阻R11的一端，电阻R9的另一端和电阻R10的一端接开关电源芯片IC5的4脚；电阻R10的另一端、极性电容Cp7的负极、电容C13的另一端、电容C14的另一端接地；零欧姆电阻R11的另一端作为+6.5V缓冲电压输出端。开关电源芯片IC5采用德州仪器的开关电源芯片TPS5430。如图6所示，+5V偏置电压输出电路包括基准电压芯片IC6，基准电压芯片IC6的2脚和电容C15的一端接+6.5V缓冲电压电路的+6.5V缓冲电压输出端，基准电压芯片IC6的4脚和电容C15的另一端接地，基准电压芯片IC6的5脚通过电容C16接地，基准电压芯片IC6的6脚和电阻R12的一端连接后通过电容C17接地，电阻R12的另一端与电容C18的一端连接，作为+5V偏置电压输出端，电容C18的另一端接地。基准电压芯片IC6采用德州仪器的基准电压芯片REF5050。如图7所示，+5V输出电源电路包括线性电源芯片IC7，线性电源芯片IC7的3脚和极性电容Cp8的正极接+6.5V缓冲电压电路的+6.5V缓冲电压输出端，电阻R13的一端和极性电容Cp9的正极接线性电源芯片IC7的1脚，极性电容Cp10的正极接线性电源芯片IC7的2脚，作为+5V电源输出端，极性电容Cp8的负极、极性电容Cp8的负极、极性电容Cp8的负极和电阻R13的另一端连接后接地。线性电源芯片IC7采用凌特公司的线性电源芯片LT1086-5V。如图8所示，+3.3V输出电源电路包括线性电源芯片IC8，线性电源芯片IC8的3脚、极性电容Cp11的正极、电容C19的一端接+5V输出电源电路的+5V电源输出端；极性电容Cp11的正极、电阻R14的一端接线性电源芯片IC8的2脚，作为+3.3V电源输出端；电阻R14的另一端接发光二极管LED1的正极，线性电源芯片IC8的1脚、极性电容Cp11的负极、极性电容Cp12的负极、发光二极管LED1的负极、电容C19的另一端接地。线性电源芯片IC8采用凌特公司的线性电源芯片LT1086-3.3V。如图9所示，+2.5V基准电压电源电路包括基准电压芯片IC9和运算放大器芯片IC10；基准电压芯片IC9的2脚和电容C20的一端接+5V输出电源电路的+5V电源输出端，基准电压芯片IC9的4脚和电容C20的另一端接地，基准电压芯片IC9的5脚通过电容C21接地，基准电压芯片IC9的6脚和电阻R15的一端连接后通过电容C22接地；电阻R15的另一端、电容C23的一端接运算放大器芯片IC10的3脚，运算放大器芯片IC10的2脚、电容C23的另一端接地；运算放大器芯片IC10的5脚与电容C24的一端连接后接+5V输出电源电路的+5V电源输出端，电容C24的另一端接地；运算放大器芯片IC10的1脚和4脚连接，作为+2.5V基准电压输出端。基准电压芯片IC9采用德州仪器的基准电压芯片REF5025，运算放大器芯片IC10采用德州仪器的精密运放芯片OPA376。传感器信号采集电路Ⅱ包括数模转换电路和三个结构相同的信号调理电路。如图10所示，信号调理电路包括运算放大器芯片IC11，电阻R16的一端、电阻R17的一端、电阻R18的一端接运算放大器芯片IC11的3脚，电阻R16的另一端接+5V偏置电压输出电路的+5V偏置电压输出端，电阻R18的另一端、运算放大器芯片IC11的4脚接地；运算放大器芯片IC11的2脚和1脚接电阻R19的一端，运算放大器芯片IC11的8脚和电容C25的一端接+5V输出电源电路的+5V电源输出端，电容C25的另一端接地；电阻R19的另一端和电容C26的一端接电阻R20的一端，电阻R20的另一端和电容C27的一端接运算放大器芯片IC11的5脚，电容C27的另一端接地；电容C26的另一端、运算放大器芯片IC11的6脚和7脚连接，作为信号调理电路的输出端；三个信号调理电路中的电阻R17的另一端分别作为三轴磁通门传感器M的三轴磁场电压信号的三个输入端。运算放大器芯片IC11采用德州仪器的精密运放芯片OPA2376。三轴磁通门传感器M采用英国Bartington公司的磁通门传感器。三轴磁通门传感器输出为模拟电压信号，范围为-10V至10V。本电路选用的高精度模数转换芯片可测量的模拟值范围为0至5V。因此需要通过线性电路将[-10V,10V]转换成模数转换芯片可测量的[0,5V]。设磁通门输出电压信号为Vin,模数转换器输入信号为Vo,设偏置电压为5V，那么输入输出之间的关系为：Vo＝0.25*Vin+2.5。因为磁通门传感器的有效带宽在0-3KHz,所以在线性电路需要实现一个截止频率约为10KHz的有源低通滤波器。设传感器输出模拟电压信号为Vin,信号调理后电压为Vo。则线性电路方程为：其中vias＝5V。有源低通滤波器传递函数为：如图11所示，数模转换电路包括模数转换芯片IC12，电阻R21的一端、极性电容Cp14的正极、电容C29的一端、电容C30的一端接模数转换芯片IC12的4脚，电阻R21的另一端接+2.5V基准电压电源电路的+2.5V基准电压输出端，电阻R22的一端、极性电容Cp14的负极、电容C29的另一端、电容C30的另一端接模数转换芯片IC12的3脚，电阻R22的另一端接地；模数转换芯片IC12的1脚、极性电容Cp13的正极和电容C28的一端连接后接+5V输出电源电路的+5V电源输出端，极性电容Cp13的负极和电容C28的另一端接地；模数转换芯片IC12的6脚、8脚、10脚分别与三个信号调理电路的输出端连接；模数转换芯片IC12的5脚通过电阻R23与+2.5V基准电压电源电路的+2.5V基准电压输出端连接，模数转换芯片IC12的2脚接地；模数转换芯片IC12的14脚、15脚、16脚、电容C31的一端、极性电容Cp15的正极接+3.3V输出电源电路的+3.3V电源输出端，模数转换芯片IC12的17脚、电容C31的另一端、极性电容Cp15的负极接地；晶振Y1的一端和电容C33的一端接模数转换芯片IC12的19脚，晶振Y1的另一端和电容C32的一端接模数转换芯片IC12的18脚，电容C33的另一端和电容C32的另一端接地；电阻R24的一端接模数转换芯片IC12的24脚，电阻R25的一端接模数转换芯片IC12的23脚，电阻R26的一端接模数转换芯片IC12的22脚，电阻R27的一端接模数转换芯片IC12的21脚，电阻R28的一端接模数转换芯片IC12的20脚，电阻R28的另一端接地。模数转换芯片IC12采用德州仪器的24位模数转换芯片ADS1256。如图12所示，数据传输与存储电路Ⅲ包括多通道RS-232线路驱动器/接收器IC13，多通道RS-232线路驱动器/接收器IC13的1脚、3脚分别连接电容C34的两端，4脚、5脚分别连接电容C35的两端,15脚直接接地，6脚通过电容C36接地，2脚通过电容C37接地，16脚和电容C38的一端连接后接+3.3V输出电源电路的+3.3V电源输出端，电容C38的另一端接地。多通道RS-232线路驱动器/接收器IC13采用德州仪器的MAX3232芯片。如图13所示，主控电路Ⅳ包括主控芯片IC14，电容C39的一端和晶振Y2的一端接主控芯片IC14的5脚，电容C40的一端和晶振Y2的另一端接主控芯片IC14的6脚，电容C39的另一端和电容C40的另一端接地，主控芯片IC14的60脚通过电阻R29接地；电阻R30的一端、电容C41的一端、开关K1的一端接主控芯片IC14的7脚，电阻R30的另一端接+3.3V输出电源电路的+3.3V电源输出端，电容C41的另一端和开关K1的另一端连接后接地；主控芯片IC14的1脚接纽扣电池BT1的正极，纽扣电池BT1的负极接地，主控芯片IC14的32脚、48脚、64脚、19脚、13脚连接后接+3.3V输出电源电路的+3.3V电源输出端，主控芯片IC14的31脚、47脚、63脚、18脚、12脚连接后接地；主控芯片IC14的30脚通过电阻R31接发光二极管LED2的正极，发光二极管LED2的负极接地；电容C42的一端、电阻R32的一端、晶振Y3的一端接主控芯片IC14的3脚，电容C43的一端、电阻R32的另一端、晶振Y3的另一端接主控芯片IC14的4脚，电容C42的另一端和电容C43的另一端连接后接地；主控芯片IC14的34脚接数模转换电路中电阻R24的另一端，35脚接数模转换电路中电阻R26的另一端，36脚接数模转换电路中电阻R25的另一端，38脚接数模转换电路中电阻R27的另一端；主控芯片IC14的16脚接数据传输与存储电路中多通道RS-232线路驱动器/接收器IC13的10脚，主控芯片IC14的17脚接数据传输与存储电路中多通道RS-232线路驱动器/接收器IC13的9脚；主控芯片IC14的20脚、21引脚、22引脚、23引脚分别为片上外设SPI1的NSS、SCLK、MISO、MOSI引脚输出端，与TF卡的SPI总线连接。主控芯片IC14采用意法半导体的STM32F103RCT6芯片。由于电路采用英国Bartington公司的磁通门传感器，传感器将磁信号转化成电压信号输出，电压范围在[-10V,10V]之间，而市场上的高精度模数转换芯片只能转换[0,5V]的电压值，因此设计了信号调理电路(AIAO)实现将传感器输出信号的电压值转换成模数转换芯片可接受的电压值。因为MAG03MCL100磁通门传感器的有效带宽在0-3KHz,所以在信号调理环节需要实现一个截止频率约为10KHz的有源低通滤波器(LPF)滤除传感器输出的噪声。经过有源低通滤波器之后的电压信号进入模数转换电路，主控单元通过SPI总线与模数转换芯片通信，获取电压信号的数字量。主控单元将数字量换算成模拟量，计算出该模拟量下对应的三轴磁场值，并计算出总磁场值。一方面，主控单元组合实时时钟与磁场值，并将实时磁场值存储在TF卡中。另一方面，主控单元主动将实时磁场值通过串口发送至外部通信端口。本发明所涉及的电路可搭载在无磁或弱磁性拖曳式水下装备中，进行拖曳式地磁测量，可以搭载在水下机器人上，还可以搭载在海底多参数观测平台上。电路可测量海底实时三分量矢量磁场值，为海底矢量磁异常成图提供原始数据，为海底搜寻、扫雷、勘探矿藏提供可能。