طراحی و ساخت سیستم دیجیتالی اندازه‌گیری دقیق میدان مغناطیسی سه جهته با استفاده از نمونه‌بردار سرعت ‌بالای 24 بیتی با نمایش زمان واقعی

در این مقاله فرایند نمونه‌برداری دقیق و سرعت بالا، شبیه‌سازی و چالش‌های طراحی و ساخت سامانه اندازه‌گیری دقیق میدان مغناطیسی با استفاده از مجموعه‌ای از حسگرهای‌ مغناطیسی مورد بررسی قرار گرفته است. فرآیند طراحی و ساخت سامانه اندازه‌گیری مزبور شامل طراحی مفهومی، انتخاب حسگر حساس، ساخت سامانه نمونه‌برداری سرعت بالا منطبق بر حسگرهای مغناطیسی، کاهش سیگنال ناخواسته مغناطیسی و الکتریکی، انتقال داده پرحجم بدون از دست دادن داده به رایانه، برنامه‌سازی جهت دریافت داده‌های خام و محاسبات اولیه و برنامه‌نویسی گرافیکی جهت نمایش و مقایسه نمودارها می‌باشد. نتایج آزمایش‌های انجام‌شده برای حالت‌های مختلف میدان مغناطیسی با نتایج مقالات قبلی مقایسه شده است. در پیاده‌سازی سخت‌افزار سامانه اندازه‌گیری دقیق از قطعات الکترونیکی با میزان سیگنال ناخواسته پایین شامل تقویت‌کننده‌های عملیاتی با پهنای باند بالا و دریفت بسیار کم، رگولاتورهای با سیگنال ناخواسته بسیار کم ، مبدل های آنالوگ به دیجیتال 24 بیتی با سرعت ms/s 2.5 fpgaهای مدل اسپارتان iii و پردازنده مبتنی بر arm cortex m4 استفاده گردیده است. در نرم‌افزار این سامانه اندازه‌گیری از الگوریتم لونبرگ مارکوارد و الگوریتم های میانگین گیری به‌منظور واسنجی و نمایش زمان-واقعی داده‌های دریافت شده از حسگرهای فلاکس گیت بهره گرفته ‌شده است. ویژگی خاص سامانه اندازه‌گیری طراحی‌شده در این مقاله، بومی‌سازی فناوری ساخت سامانه‌های دیجیتال ساز اندازه‌گیری دقیق میدان مغناطیسی است که در سامانه‌های تله‌متری و زیرسامانه‌های فضاپیماها کاربرد فراوانی دارند. همچنین از برتری این سامانه نسبت به نمونه های مشابه خارجی، دقت بسیار بالا در دیجیتال‌سازی داده های آنالوگ با دقت 24 بیت و خطای پایین این سامانه در حدود µv 182.5و انتقال و نمایش زمان-واقعی این داده ها در رایانه است.

Prototyping of a 3axis Accurate Magnetic Field Digital Measurement System Using a Highspeed 24bit ADC with Realtime Monitoring

In this paper, a precise measurement system is designed and implemented to measure the magnetic field from a flux gate magnetic sensor. The design procedure includes the conceptual design, selection of sensitive sensors, high speed sampling compatible to the fluxgate sensors, dataloss free transfer, programming for data decode, analysis and presentation in graphs.  The proposed system uses lownoise 24bit ADCs with 2.5MS/s sample rate, SPARTAN III FPGA and ARM Cortex M4 processor. The Levenberg–Marquardt algorithm and averaging algorithms are used in the software for calibration, compensation and data representation. The outstanding feature of this article is the development of a technology in precision magnetic field measurement systems, which are widely used as telemetry systems and subsystems of spacecrafts. An advantage of the proposed system is the highspeed sampling of flux gate sensor signals in 24bit resolution, the precision of 182.5 µV and realtime transmission and display of this data on the computer.