基于霍尔效应的地下磁信号接收装置和接收方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于霍尔效应的地下磁信号接收装置和接收方法，装置组成包括霍尔元件、激励电流控制电路、前端信号处理模块、解码及主控模块。在系统开始运行时，首先通过激励电流控制电路对霍尔元件的激励电流进行调整，之后主控模块通过TIM1进行通信频率的测量之后设定FPGA解码模块时钟，之后霍尔元件将磁信号转换为电信号输入到前端信号处理模块，经过信号的放大、滤波、模数转换将得到的数字信号输入到FPGA解码模块中，最后将解码数据输入到MCU中。本发明专利技术利用霍尔元件对磁信号进行接收，根据不同位置的磁场分布对激励电流进行调整得到较好的电压输出。同时，在霍尔元件的响应速度下，可实现2kHz~100kHz频率范围内信号的接收。

【技术实现步骤摘要】
基于霍尔效应的地下磁信号接收装置和接收方法
本专利技术涉及一种地下无线信号接收装置及接收方法，尤其涉及一种基于霍尔效应的地下磁信号接收装置和接收方法。
技术介绍
近年来发展起来的地下无线传感器网络是无线传感器网络的重要分支。地下无线传感网络技术可以应用于地质体灾害异常信息获取、农田基础数据获取、地下环境监测、边防检查及外敌入侵等方面，是目前拥有广阔前景的研究领域。尽管地下无线传感器有隐蔽性好、易于部署、可以大量使用等优点，但是由于地下环境复杂不利于信息的传输，使得地下无线通信技术发展十分困难。目前地下通信主要方法有：有线电缆传输、无线电磁波传输方式以及无线低频磁感应天线传输方式等。根据文献调研，如中国专利ZL201310409920.4一种基于低功率电小天线的地下低频无线通信系统介绍了一种基于互感方式的磁信号接收方法，但是改装置由于采用谐振线圈方式进行信息接收，对于接收频率和接收灵敏度调节十分困难；中国专利ZL201710243680.3介绍了一种地下磁感应无线通信装置与方法，该专利中使用三维天线进行信息接收，在一定程度上解决了接收灵敏度的问题，但是其尺寸较大、接收频率不可调节。虽然这些方法在一定程度上可以进行地下无线通信，但是在实际的应用中不能够满足应用需求。所以需要一种可以稳定接收、接收频率可调的地下无线接收装置和方法。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于提供一种解决当前地下磁感应无线传感器网络接收信息频率调整、接收灵敏度调整困难的问题的，基于霍尔效应的地下磁信号接收装置和接收方法。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是这样的：一种基于霍尔效应的地下磁信号接收装置，包括霍尔元件、FPGA解码电路和MCU，所述霍尔元件用于在激励电流Ii的激励下，接收磁信号，并输出霍尔电压信号UH，经FPGA解码电路解码后，送入MCU中，还包括电压对比电路、电流切换电路、前端信号处理电路；所述霍尔元件输出端分两路，一路连接电压对比电路的输入端，一路连接前端信号处理电路的输入端，用于将UH分别送入电压对比电路和前端信号处理电路中；所述前端信号处理电路用于将UH分别整流滤波为方波信号和AD转化为数字信号A并输出，其中方波信号的输出端连接MCU的TIM1端口，用于使MCU根据方波信号调整FPGA解码电路中的通讯频率，数字信号的输出端经FPGA解码电路，连接MCU的IO口，所述FPGA解码电路用于对数字信号A进行解码，解码为并行信号再送入MCU中；所述MCU内预设参考电压VREF和控制信号D0，且通过两IO口分别连接电压对比电路和电流切换电路的输入端，用于将标准参考电压VREF送入电压对比电路、将控制信号D0送入电流切换电路中；所述电压对比电路的输出端连接MCU，用于对比UH和VREF，并输出电平信号D1至MCU，所述MCU根据电平信号D1调整控制信号D0与VREF，所述电流切换电路的输出端连接霍尔元件，用于根据控制信号D0调整输出激励电流Ii。作为优选：所述前端信号处理电路包括依次连接的预放大电路、信号滤波处理电路、多级放大处理电路，用于对霍尔电压信号UH预防大、滤除工频干扰信号、进一步放大输出；所述多级放大处理电路输出端分别连接A/D处理模块和整流滤波模块，其中，A/D处理模块用于将放大输出的信号转换为数字信号后送入FPGA中，整流滤波模块用于将放大输出的信号转换为方波信号送入MCU中，进行频率检测。作为优选：所述FPGA解码电路包括依次连接的边沿检测模块、同步位控制模块、解码模块、校验模块、FIFO内核、FIFO控制接口模块，用于将数字信号A解码。作为优选：所述霍尔元件为高速线性霍尔元件。一种基于霍尔效应的地下磁信号接收装置的接收方法，包括以下步骤：（1）建立一基于霍尔效应的地下磁信号接收装置，在MCU中预设参考电压VREF和控制信号D0；（2）选择一待测区域进行钻孔，将装置放置于钻孔中；（3）调整安装位置；上电，MCU输出控制信号D0至电流切换电路，电流切换电路输出初始化的激励电流Ii，霍尔元件接收磁信号，并输出霍尔电压信号UH，电压对比电路比较霍尔电压信号UH和参考电压VREF，若UH<VREF，MCU改变控制信号D0，增大电流切换电路输出的Ii，若调整至Ii=IiMAX时，UH仍小于VREF，则取出基于霍尔效应的地下磁信号接收装置，重新选定安装位置进行安装；所述IiMAX为霍尔元件的最大激励电流；若UH>VREF；用水泥灌浆封闭，填实钻孔；（4）霍尔效应的磁信号接收装置进入睡眠状态；（5）电压对比电路检测到UH，对比UH和VREF，若UH<VREF，则改变控制信号D0，使UH>VREF，再将UH送入前端信号处理电路中；（6）前端信号处理电路输出方波信号和数字信号A至MCU，MCU根据方波信号调整FPGA解码电路中的通讯频率，并对数字信号A进行前导匹配，若匹配成功，则唤醒霍尔效应的磁信号接收装置，进行信号接收。作为优选：所述步骤（1）中，预设控制信号D0，使电流切换电路输出的激励电流Ii=1/2IiMAX。本专利技术中采用霍尔效应对载有信息的准静态磁场进行信号接收，针对不同磁场的强度调整激励电流，实现不同强度磁场信息的准确接收。本装置包括霍尔元件、前端信号处理模块、电压对比电路、电流切换电路、FPGA解码电路和MCU构成。霍尔元件：将空间中变化的磁场信号转换为电信号。前端信号处理模块：将霍尔元件输出的电信号进行滤波、放大、多级放大等处理，输出用于调整方波信号和数字信号A，其中方波信号用来调整FPGA解码电路中的通讯频率。电压对比电路、电流切换电路构成激励电压控制电路：由于所处位置可能发生变化，霍尔元件所输出的电信号大小存在很大的差异，我们根据对比UH和VREF的值，来调节霍尔元件的激励电流Ii的大小，实现输出信号大小的调节，达到调节设备灵敏度的目的。FPGA解码电路：主要是霍尔元件的信号需要解码，FPGA解码电路将接收到的电信号进行解码操作；MCU：主控单元对所接收到的信号进行一定的操作，并对激励电压控制电路进行设定。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术使用霍尔元件对磁信号进行接收时，可以根据不同位置的磁场分布对激励电流进行调整得到较好的电压输出。同时，在霍尔元件的响应速度下，可以实现2kHz~100kHz频率范围内信号的接收。主要通过以下几点体现：（1）本专利技术对霍尔效应的磁信号接收装置进行了改造，增加了电流切换电路、电压对比电路、前端信号处理电路等。其中电流切换电路、电压对比电路构成激励电压控制电路，通过调节施加在霍尔元件上的激励电流大小，调节输出信号的强度，实现调节霍尔元件输出电压灵敏度的目的。（2）本专利技术增加了前端信号处理模块，能根据实际需要将霍尔元件输出的电信号进行滤波、放大、多级放大等处理，并输出方波信号和数字信号，方波信号用是为了让MCU调整FPGA解码电路中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于霍尔效应的地下磁信号接收装置，包括霍尔元件、FPGA解码电路和MCU，所述霍尔元件用于在激励电流I

【技术特征摘要】
1.一种基于霍尔效应的地下磁信号接收装置，包括霍尔元件、FPGA解码电路和MCU，所述霍尔元件用于在激励电流Ii的激励下，接收磁信号，并输出霍尔电压信号UH，经FPGA解码电路解码后，送入MCU中，其特征在于：还包括电压对比电路、电流切换电路、前端信号处理电路；
所述霍尔元件输出端分两路，一路连接电压对比电路的输入端，一路连接前端信号处理电路的输入端，用于将UH分别送入电压对比电路和前端信号处理电路中；
所述前端信号处理电路用于将UH分别整流滤波为方波信号和AD转化为数字信号A并输出，其中方波信号的输出端连接MCU的TIM1端口，用于使MCU根据方波信号调整FPGA解码电路中的通讯频率，数字信号的输出端经FPGA解码电路，连接MCU的IO口，所述FPGA解码电路用于对数字信号A进行解码，解码为并行信号再送入MCU中；
所述MCU内预设参考电压VREF和控制信号D0，且通过两IO口分别连接电压对比电路和电流切换电路的输入端，用于将标准参考电压VREF送入电压对比电路、将控制信号D0送入电流切换电路中；
所述电压对比电路的输出端连接MCU，用于对比UH和VREF，并输出电平信号D1至MCU，所述MCU根据电平信号D1调整控制信号D0与VREF，
所述电流切换电路的输出端连接霍尔元件，用于根据控制信号D0调整输出激励电流Ii。


2.根据权利要求1所述的基于霍尔效应的地下磁信号接收装置，其特征在于：所述前端信号处理电路包括依次连接的预放大电路、信号滤波处理电路、多级放大处理电路，用于对霍尔电压信号UH预防大、滤除工频干扰信号、进一步放大输出；所述多级放大处理电路输出端分别连接A/D处理模块和整流滤波模块，其中，A/D处理模块用于将放大输出的信号转换为数字信号后送入FPGA中，整流滤波模块用于将放大输出的信号转换为方波信号送入MCU中，进行频率检测。


3.根据权利要求1所述的基于霍尔效应的地下...

【专利技术属性】
技术研发人员：王洪辉，魏超宇，庹先国，卓天祥，邹定康，钟盼，王翔，
申请(专利权)人：成都理工大学，
类型：发明
国别省市：四川;51