CN113156353A - 三轴磁力计测试装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了三轴磁力计测试装置及其方法，三轴磁力计测试方法，其特征在于，包括以下步骤：在三轴磁力计的X、Y和Z三个方向上都固定设置有线圈；测定通过线圈的电流和线圈的磁场值比值，构建二元一次方程；构建支持三轴磁力计的外围电路，将三轴磁力计放置在三轴磁力计测试装置上；基于线圈所需要的磁场值和二元一次方程，计算出三轴磁力计中应当通过的电流值，并给三轴磁力计提供该电流值对应的电流，给三轴磁力计所需的磁场值，测量三轴磁力计输出的磁感应强度。本发明能够在不同的磁场下测试磁力计输出的磁感应强度的大小，并对数据进行处理输出可视化的磁力计功能曲线，同时通过高精度的电流表测量了三轴磁力计芯片在不同模式下的功耗。
Description
技术领域
本发明涉及三轴磁力计测试装置及三轴磁力计测试方法，属于三轴磁力计测试技术领域。
背景技术
三轴磁力计是通过测量地磁场强度来指示方向的设备,其输出具有连续性和误差不积累等特性。在低成本高性能的导航系统中,磁力计是用于姿态估计的关键性辅助传感器，因此被广泛应用于低成本飞行器的组合导航系统中。在停车系统中，车辆的有无会引起地磁的微小变化，因此三轴磁力计是停车系统中车辆检测的关键元器件。现有技术中缺少对三轴磁力计的专用测量装置，需要改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供三轴磁力计测试装置及三轴磁力计测试方法，通过对亥姆霍兹线圈等测试设备的控制，实现了实验室对于三轴磁力计QMC5883L的测试测试能力，为三轴磁力计芯片的设计和验证提供了支持。
为达到上述目的，本发明提供三轴磁力计测试方法，包括以下步骤：
在三轴磁力计的X、Y和Z三个相互垂直方向上都固定设置有线圈；
测定通过线圈的电流和线圈的磁场值比值，构建二元一次方程；
构建支持三轴磁力计的外围电路，将三轴磁力计放置在三轴磁力计测试装置上；
基于线圈所需要的磁场值和二元一次方程，计算出三轴磁力计中应当通过的电流值，并分别在三轴磁力计的X、Y和Z三个方向上给三轴磁力计提供该电流值对应的电流，从而给三轴磁力计所需的磁场值，测量三轴磁力计输出的磁感应强度。
优先地，同一时间只在一个方向上施加磁场。
优先地，测定通过线圈的电流和线圈的磁场值比值包括以下步骤：
以0.5-1.5A为间隔改变通过线圈的电流的大小，并用高斯计记录线圈的磁场值，将电流和对应的磁场值记录保存，拟合出通过线圈的电流和线圈的磁场值的线性关系，得到通过线圈的电流和线圈的磁场值的斜率，得到通过线圈的电流和线圈的磁场值的截距。
优先地，采用数字万用表测量三轴磁力计的电流，测试范围最小为1µA，分辨率为pA。
三轴磁力计测试装置，包括线圈、电源和测试用PCB，测试用PCB上安装外围电路，线圈和三轴磁力计均电连接外围电路，电源电串联数字万用表后电连接测试用PCB，在三轴磁力计的X、Y和Z三个方向上都固定设置有线圈。
优先地，包括I2C接口，外围电路包括上拉2.2k电阻、电容C1、电容C2、电容C3和电容C4，
三轴磁力计的VDD引脚串联电容C4后接地，三轴磁力计的VDDIO引脚电连接上位机I2C接口的VDD引脚，三轴磁力计的VDDIO串联电容C3后接地，三轴磁力计的S1引脚电连接三轴磁力计的VDDIO引脚，上位机I2C接口的VSS引脚和三轴磁力计的GND引脚均接地，三轴磁力计的SCL引脚电连接上位机I2C接口的I2C_CLK引脚，三轴磁力计的SDA引脚电连接上位机I2C接口的I2C_DATA引脚，上位机I2C接口的I2C_CLK引脚和上位机I2C接口的I2C_DATA引脚均上拉2.2k电阻连接至上位机I2C接口的VDD引脚，三轴磁力计的SETP引脚串联电容C2后电连接三轴磁力计的SETC引脚，三轴磁力计的C1引脚串联电容C1后接地。
优先地，线圈为亥姆霍兹线圈。
优先地，电容C1为4.7uF，电容C2为0.22uF，电容C3为0.1uF，电容C4为0.1uF。
优先地，电源型号为AGILENT N5744A。
本发明所达到的有益效果：
本发明提供三轴磁力计测试装置及三轴磁力计测试方法，通过对亥姆霍兹线圈等测试设备的控制，实现了实验室对于三轴磁力计QMC5883L的测试测试能力，为三轴磁力计芯片的设计和验证提供了支持。本发明能够在不同的磁场下测试磁力计的输出的磁感应强度的大小，并对数据进行处理输出可视化的磁力计功能曲线，同时通过高精度的电流表测量了三轴磁力计芯片在不同模式下的功耗。
附图说明
图1是本装置的原理框图；
图2是本装置中三轴磁力计的外围电路示意图；
图3是本装置的原理框图；
图4是本装置输出的可视化的磁场强度曲线图。
具体实施方式
以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
QMC5883L是最常见的一种三轴磁力计。采用LGA封装，芯片中集成了磁传感器和信号处理的专用集成电路（ASIC），可用于高性能应用，如无人机，机器人，移动，个人电脑中的罗盘、导航和游戏手持设备。QMC5883L基于最先进的高分辨率AMR磁阻技术，与定制设计的16位ADCASIC一起，它提供了低噪音，高精度，低功耗，偏移消除和温度补偿。I²C串行总线便于接口。
本申请以LABVIEW上位机为基础，通过对亥姆霍兹线圈等测试设备的控制，实现了实验室对于三轴磁力计5883的测试测试能力。能够为三轴磁力计芯片的设计和验证提供了支持。
此三轴磁力计测试系统分为上位机软件和下位机硬件两部分。
上位机使用LABVIEW编写，提供测试人机的界面，并对采集数据进行处理，处理数据按要求保存在指定位置。
下位机主要由以下几个部分组成：
1）磁场控制部分。
2）硬件电路部分。提供芯片正常工作所需的最小硬件电路，并完成IIC接口转换功能和USB接口转换功能。
3）供电及电流测量部分。用于给芯片供电，并测量芯片功耗。
2. 下位机各部分设计
2.1 磁场控制部分
亥姆霍兹线圈（Helmholtzcoil）是一种制造小范围区域均匀磁场的器件。由于亥姆霍兹线圈具有开敞性质，很容易地可以将其它仪器置入或移出，也可以直接做视觉观察，所以，是物理实验常使用的器件。本系统中由于需要测试X/Y/Z三个方向的磁场，所以在X/Y/Z三个方向上都设置有亥姆霍兹线圈。
亥姆霍兹线圈中的磁场大小与线圈中通过的电流成正比。所以只要能控制线圈中电流的大小，就能达到控制线圈磁场的目的。此系统采用AGILENTN5744A电源可以为线圈提供可控电流。
对于厂家生产的每个亥姆霍兹线圈都会存在差异。电流和线圈的比值需要在使用前测定。测试方法如下：以1A为间隔改变通过线圈的电流的大小，用高斯计记录磁场值。将数据记录在表格中，用excel软件拟合出线性关系，得到电流和磁场值的斜率以及电流和磁场值的截距，斜率和截距这两个值需要用在磁场设置中。
2.2 硬件电路部分
被测元件是单个芯片，而芯片在正常工作中需要有一定的外围电路支撑。解决方案是采用socket加PCB组合的模式。其中socket用于放置芯片，socket同时将芯片的引脚都连接到PCB上，PCB上根据芯片应用放置响应的外围器件。
芯片提供的是IIC接口，数据都是通过IIC传输的，而上位机提供USB接口，所以这里需要USB/IIC转换器件。
2.3 供电及电流测量部分。
功耗测试是芯片测试中很重要的一个方面，而芯片的电流很小，休眠电流只有1~2uA。本系统采用34470A来测试芯片电流。34470A是7½位数字万用表。能够测量非常低的电流，最小1µA范围pA分辨率，允许您在非常低功率的设备上进行测量。同时34470A提供USB/GPIB/RS232/以太网口多种远程控制方式。
3. 上位机设计
LABVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LABVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LABVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。
本系统所用上位机程序由LABVIEW编写完成，程序主要有下列几个功能模块组成：
1）磁场控制部分。这里需要用到前面所测得得截距和斜率两个值，根据测试中所需要的磁场值，计算出所需提供给线圈的电流值，然后设置这个电流值就可以得到所需得磁场。磁场控制注意点如下：（1）同一时间只在一个轴向上施加磁场。（2）设置电流后，需要增加磁场稳定时间，正常为1S。
2）和芯片的数据通信部分。芯片和上位机通信框图如下：
这里使用CH341进行USB和I2C接口之间的转换。通信过程中需要使用LABVIEW的DLL库文件调用功能，具体步骤如下：
（1）安装CH341驱动文件。
（2）导入共享库。打开 LABVIEW－工具－导入－共享库（DLL）。根据提示完成导入。在导入过程中需要同时导入h头文件，不然会造成导入的DLL库文件无法使用。
（3）用导入的共享库创建程序
芯片输出是无符号16位数字输出，上位机需要将它转换为有符号整型。
3）功耗测试部分。芯片不同工作模式下，消耗电流会由不同，所以这里主要是通过设置不同的工作模式，然后测得每个模式下电流
本系统利用LABVIEW平台完成了三轴磁力计芯片测试系统，能够在不同的磁场下测试磁力计的输出的磁感应强度的大小，并对数据进行处理输出可视化的磁力计功能曲线，同时通过高精度的电流表测量了芯片在不同模式下的功耗。
亥姆霍兹线圈、电容、三轴磁力计、PCB和socket上述部件在现有技术中可采用的型号很多，本领域技术人员可根据实际需求选用合适的型号，本实施例不再一一举例。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.三轴磁力计测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
在三轴磁力计的X、Y和Z三个相互垂直方向上都固定设置有线圈；
测定通过线圈的电流和线圈的磁场值比值，构建二元一次方程；
构建支持三轴磁力计的外围电路，将三轴磁力计放置在三轴磁力计测试装置上；
基于线圈所需要的磁场值和二元一次方程，计算出三轴磁力计中应当通过的电流值，并分别在三轴磁力计的X、Y和Z三个方向上给三轴磁力计提供该电流值对应的电流，从而给三轴磁力计所需的磁场值，测量三轴磁力计输出的磁感应强度。
2.根据权利要求1所述的三轴磁力计测试方法，其特征在于，同一时间只在一个方向上施加磁场。
3.根据权利要求1所述的三轴磁力计测试方法，其特征在于，测定通过线圈的电流和线圈的磁场值比值包括以下步骤：
以0.5-1.5A为间隔改变通过线圈的电流的大小，并用高斯计记录线圈的磁场值，将电流和对应的磁场值记录保存，拟合出通过线圈的电流和线圈的磁场值的线性关系，得到通过线圈的电流和线圈的磁场值的斜率，得到通过线圈的电流和线圈的磁场值的截距。
4.根据权利要求1所述的三轴磁力计测试方法，其特征在于，采用数字万用表测量三轴磁力计的电流，测试范围最小为1µA，分辨率为pA。
5.基于权利要求1的三轴磁力计测试装置，其特征在于，包括线圈、电源和测试用PCB，测试用PCB上安装外围电路，线圈和三轴磁力计均电连接外围电路，电源电串联数字万用表后电连接测试用PCB，在三轴磁力计的X、Y和Z三个方向上都固定设置有线圈。
6.根据权利要求5所述的三轴磁力计测试装置，其特征在于，包括I2C接口，外围电路包括上拉2.2k电阻、电容C1、电容C2、电容C3和电容C4，
三轴磁力计的VDD引脚串联电容C4后接地，三轴磁力计的VDDIO引脚电连接上位机I2C接口的VDD引脚，三轴磁力计的VDDIO串联电容C3后接地，三轴磁力计的S1引脚电连接三轴磁力计的VDDIO引脚，上位机I2C接口的VSS引脚和三轴磁力计的GND引脚均接地，三轴磁力计的SCL引脚电连接上位机I2C接口的I2C_CLK引脚，三轴磁力计的SDA引脚电连接上位机I2C接口的I2C_DATA引脚，上位机I2C接口的I2C_CLK引脚和上位机I2C接口的I2C_DATA引脚均上拉2.2k电阻连接至上位机I2C接口的VDD引脚，三轴磁力计的SETP引脚串联电容C2后电连接三轴磁力计的SETC引脚，三轴磁力计的C1引脚串联电容C1后接地。
7.根据权利要求5所述的三轴磁力计测试装置，其特征在于，线圈为亥姆霍兹线圈。
8.根据权利要求5所述的三轴磁力计测试装置，其特征在于，电容C1为4.7uF，电容C2为0.22uF，电容C3为0.1uF，电容C4为0.1uF。
9.根据权利要求5所述的三轴磁力计测试装置，其特征在于，电源型号为AGILENTN5744A。
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