لأن هناك العديد من أنواع أجهوة قياس المغناطيسية، يمكنكم الإطلاع عليها في صفحة الوكيبيديا، سنقوم بصناعة جهاز قياس المغناطيسية (وربما في المستقبل أكبر من ذلك إن شاء الله) على أساس مستشعرات Fluxgate، لأن ثمنها مقبول وفي المتناول، وحساسة بدرجة كافية.
لكن لوضع خريطة يلزمنا مستشعران إثنان إما لوضع مستعشر واحد في الأساس أو العمل كقراديمتر (gradiomètre) .
الجهاز مصمم لأخذ العينات بسرعة 25 هرتز وقابل أيضا كليا للتخصيص.
هناك أربعة أزرار للتحكم، مع شاشة عرض معلومات من نوع LCD.
بمجرد الإنتهاء من المسوحات، يتم تخزين البيانات على بطاقة SD، لتفسيرها فيما بعد في برنامج جيوفزيائي مثل السيرفر... (وإن شاء الله برنامجا فيما بعد بالفايرمونكي دلفي FireMonkey Delphi على كل الأنظمة حتى الأندرويد مفتوح المصدر...)

1. الدراسة التطبيقية:

يعتمد تصنيع جهاز على مجموعات من الوظائف يتم فيما بينها تبادل معلومات (رقمية أو تناظرية)، الوظائف التالية سيتم التطرق إليها بالتفصيل في الجانب النظري لأنها تحتوى على كثير من المعادلات الرياضية... (لمن يهمهم النظري.)
النموذج الذي سيتم صنعه:

هو يشبه إلى حد كبير نظام أو جهاز ( G858-G) من شركة (Geometrics) الذي أثبت نفسه ولكن مع تخفيف الوزن مع نظام مستشعرين فقط لأن الجهاز المذكور سابقا يزن عدة كيلوغرامات والمستشعر المكون من ثلاثة مكونات لا يتطلب ذراع الرافعة العمودية.



يحمل الجزء الخلفي من الذراع الرئيسي ثقل موازنة. الشريط على الكتف يساعد على استقرار النظام. يمكن تثبيت أخرى صغيرة باتجاه المركز للتحقق من الأفقية (وبالتالي عمودية القطب الحامل). لكي يتكيف هذا النظام بشكل جيد لوضع المشي.

1. تحويل قيمة فيزيائية إلى جهد:

وهي مهمة المستشعر المغناطيسي ذو 3 محاور: القمية التناظرية الناتجة عن المستشعر تتناسب مع المجال المغناطيسي الذي يوضع فيه المستشعر. يجب بعد ذلك تكييف هذا الجهد وتصفيته...

1. - يتم تصفية الإشارات عبر مرشح تمرير منخفض يلغي التشويش الموجود أثناء تسجيل البيانات لكي نتحصل على نتائج جيدة، يجب أن يأخذ في الإعتبار تردد القطع للمرشح (filtre) لإلغاء التشويش سرعة أخذ العينات المطلوبة.
2. لكي يقوم المتحكم الدقيق (le microcontrôleur) بمعالجة هذه المعلومات، من الضروري تحويل هذه الكمية التناظرية (الجهد) إلى قيمة عددية. تُعهد هذه الوظيفة إلى شريحة متخصصة تسمى المحول الرقمي التناظري (CAN أو ADC ، محول تناظري رقمي) بدقة 24 بت.
3. يتكلف المتحكم الدقيق (le microcontrôleur) في معالجة البيانات ، ولكن أيضًا إدارة الوحدات التي يتم ربطها مباشرة (المحولات والشاشة وقارئ البطاقات ...) ؛
4. - يتم حفظ البيانات عبر قارئ بطاقة SD...
5. - أخيرًا ، واجهة الجهاز والتي تشمل على شاشة LCD وأربعة أزرار.

1- تغذية الدوائر:
مصدر التغذية الرئيسية بطارية، الوحدات التناظرية حساسة نسبيًا لتغيرات الجهد ويجب تشغيلها من خلال محول تيار مستمر / تيار مستمر (DC/DC) مع مخرجات متوازنة بقدرة 12 فولت، اخترنا طراز TMR 3-1222 الذي تقترحه شركة Traco Power مغلفة في علبة قياسية صناعية SIP8 بحجم مقبول ، فهي قادرة على إنتاج جهد +/- 12 فولت مع شدة تيار قصوى +/- 125ميلي أمبير

المكونات التي تقوم بمعالجة البيانات الرقمية يتم تغذيتها من خلال المخرج 3.3 أو 5 فولت للمتحكم (Microcontroller)، في هذا المثال أخترنا وحدة أردوينو (Arduino).
على الرغم من أنه من الممكن تشغيل الدائرة عبر نفس مصدر الجهد ، لكن من الأفضل فصل جزء تزويد الطاقة التناظري عن الجزء الرقمي. يتم توصيل الوحدات معًا كما هو موضح في الشكل التالي:

2- المستشعر fluxgate:

FLC3-70 هو مستشعر Fluxgate ثلاثي المحاور، تصنعه شركة Stefan Meyer Instruments. لقد تم اختياره من أجل ثباته ودقة قياساته التي يمكن أن تتراوح من - 200 μT إلى 200 μT. يتراوح عرض النطاق الترددي من 0 إلى 1 كيلو هرتز. يتراوح جهد تغذيته ما بين 4.8 فولت و 12 فولت ، وأخيراً ، استهلاكه المنخفض للتيار (عدد قليل من الميلي أمبير) يجعله المرشح المثالي لجهازنا الذي يعمل بالبطارية.
بغض النظر عن فولطية أو جهد التغذية، فإن جهد المخارج التناظرية تتناسب مع المكونات X و Y و Z للحقل المغناطيسي (1 فولت لقيمة 35 μT)

3- الكابلات والموصلات:
المستشعر يتم وضعه في نهاية القطب، لذلك من الضروري توفير كابل من حوالي 2 متر لتوصيله إلى العلبة. ومن الضروري أيضا استخدام كابلات محمية.، مع إقتراح اختيار كابلات التي يكون عزلها الخارجي صلبًا ومرنًا ، بحيث يمكن معالجتها دون أي صعوبة كبيرة في الميدان، كابلات الهاتف كما هو موضح في الشكل تفي بالغرض:


لكل إشارة ثنائية، هذا يقلل من التداخل والتشويش:
- الثنائية 1: أزرق = X ، الأبيض = مرجع ؛
- الثنائية 2: أصفر = Y ، الأبيض = مرجع ؛
- الثنائية 3: الأخضر = Z ، الأبيض = مرجع ؛
- الثنائية 4: البني = تغذية + ، أبيض = امدادات التغذية.
أخيرًا ، يتم الاتصال بالعلبة عبر موصلات حربة مثل التي في الصورة التالية:

4- الوحدة أو البطاقة المخصصة لترشيح الإشارات: (Filtering signals)
يجب أن يسبق وحدة المحول التناظري إلى الرقمي مرشح تمرير منخفض (« anti-repliement » filtre passe-bas) لإزالة الإشارات التي يزيد ترددها عن تردد أخذ العينات مقسومًا على 2. ويضبط مرشح التمرير المنخفض على حوالي 12 هرتز وتردد أخذ العينات على 25هرتز
المخطط:
وضعت مخطط بطاقة الترشيح هذه على موقع تصميم الدوائر الإلكترونية EasyEda على الرابط التالي: مخطط بطاقة المرشح

ملاجظة:
EasyEDA هي أداة مجانية سهلة الاستخدام وتدعم جميع مراحل تصميم الدائرة: ابتداء من إدخال المخططات أو الدوائر الكهربائية والمرور بمحكاتها (Simulation) (نماذج SPICE)، إلى صناعة الدوائر المطبوعة.
بالنسبة للمرحلة الأخيرة ، يمكنك إما: تصدير نتيجة التوجيه بتنسيق Gerber ، أو طلب لوحة الدوائر مباشرة من الموقع ، مع المكونات الإلكترونية المرتبطة به.
يمكن الوصول إلى هذا البرنامج عبر الإنترنت وستتمكن من استخدامه ، بغض النظر عن نظام التشغيل الخاص بك! مطلوب تسجيل بسيط للاستفادة من البرنامج.
أخيرًا ، يتيح البعد التعاوني لهذا النظام الأساسي للعديد من الأشخاص العمل في نفس المشروع وللمجتمع بأسره لمشاركة أعمالهم.

5- المحول التناظري/الرقمي:
المحول التناظري/الرقمي CAN أو ADC (Digital Analog Converter) هو وحدة إلكترونية تترجم الإشارات التناظرية إلى بيانات رقمية.
يمكن لمدخلات المحول عموما قبول وضعيتين للتشغيل:
• أحادية النهاية: الجهد يقاس على سلك واحد ، مع مرجع إشارة الأرض للوحة التصميم.
• تفاضلية: الجهد المقاس بين سلكين ؛ التداخل أو التشويش الموجود على كلتا القناتين لا يؤخذ بعين الاعتبار.
يستخدم هذا المشروع طراز ADS1220 من شركة Texas Instrument.
لكن ليس من السهل العثور على هذا المحول في إصدار "Breakout board".
لذلك تم إنشاء المحول الخاص بالمشروع بفضل موقع EasyEDA


ويمكن طبعا الاطلاع على المخطط الكهربائي على العنوان التالي: مخطط المحول التناظري/الرقمي

جمع البيانات في وقت واحد أو متزامن للمكونات الثلاثة للحقل المغناطيسي يستوجب بالضرورة تشغيل متوازي للمحولات. تم إجراء هذا الاتصال بفضل بروتوكول SPI ، والذي يجعل من الممكن معالجة العديد من المكونات على نفس الناقل (Bus) ، كما هو موضح في الشكل:
تعمل هذه البنية أيضًا على تحسين زمن استجابة النظام، وتجنب أوقات تعدد الإرسال (multiplexage) للمدخلات التي تؤدي إلى انخفاض أداء المحول (Convertisseur).

6- المتحكم: (Microcontroller) لقد تم تصميم العديد ن المشاريع بفضل بطاقة اردوينو (Arduino) ، من السهل برمجتها بفضل مكتبة "Arduino h" ، فقد ساعد سعرها في تعدد إستعمالاتها ونشرها على نطاق واسع من الجمهور ("صناع" ، طلاب ، فضوليون ، إلخ...) من خلال الملفات الشخصية المتنوعة لذلك ينصح باستخدامها في شتى المشاريع.
يمكن استخدام إصدارين من Arduino:
- نسخة اردوينو Mega2560
- وإصدار DUE
إصدار DUE يحتوي على ذاكرة أكبر لتخزين البيانات المؤقتة! ومع ذلك سيكون من الضروري إضافة EPROM للنسخ الاحتياطي خصوصا لإعدادات المستخدم.
يحتوي إصدار Mega من Arduino فقط على مساحة ذاكرة SRAM تبلغ 8 كيلوبايت، وبمعدل سرعة أخذ العينات 25 هرتز، يمكن تخزين ثلاثة جداول فقط يحتوي كل جدول 500 قيمة عشرية دون الخوف من عدم استقرار المتحكم وبذلك يرتفع الحد الأقصى لمدة التحصيل إلى حوالي عشرين ثانية.
مع أخذ كل هذه العوامل في الاعتبار، تعد وحدات Arduino DUE الأنسب لأنها تحتوي على مساحة ذاكرة أكبر لتخزين هذه المتغيرات.


مع Arduino DUE، لدينا مساحة ذاكرة SRAM 96 كيلو بايت ووقت أخذ العينات حوالي 240 ثانية. ومع ذلك، لا يشتمل هذا الإصدار على ذاكرة EEPROM، والتي تسمح لنا بحفظ بيانات إعدادات المستخدم خصوصا بعد التشغيل.
لحل هذه المشكلة، سوف نستخدم شريحة EEPROM، كما هو موضح في الشكل:

الربط بين كل الوحدات:
تفاصيل الربط بين الوحدات في الشكل التالي:

البرمجة (برمجة المتحكم):

المكتبة هي برنامج يحتوي على مجموعة من الوظائف التي تمت كتابتها من أجل تبسيط تطوير البرنامج.
استخدامها يغنينا من إعادة كتابة أسطر برمجية معقدة في بعض الأحيان.
هناك العديد من المكتبات التي تم تطويرها بالفعل والتي يمكنها التحكم في عدد هائل من المكونات الإلكترونية (شاشة LCD ، قارئ بطاقة SD ، إلخ). تُستخدم هذه المكتبات أيضًا لإضافة وظائف جديدة إلى المتحكم الدقيق (الرياضيات ، خوارزمية الفرز ، وما إلى ذلك).
المحول ADS1220 قابل للتخصيص بالكامل (entièrement paramétrable) تردد أخذ العينات ، كسب PGA ، وضع تشغيل الإدخال. لمزيد من المعلومات ، من الممكن الرجوع إلى الوثائق التي توفرها الشركة المصنعة. (http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ads1220.pdf)
المكتبة الوحيدة المتاحة ثم تطوريها من قبل شركة Procentral.
لكن ميزاته محدودة ولا تسمح بتكوين محولنا بالكامل، لذلك تم تطوير مكتبة أخرى إنطلاقا من المكتبة الرئيسية مع إدخال بعض التحسينات لكي تتوافق مع محول الجهاز.

تحتوي المكتبة على ملفين رئيسيين:
- ملف ".h" ، يسمى "رأس" والذي يسرد جميع ثوابت ووظائف البرنامج (les constantes et fonctions du programme)؛
- الملف الرئيسي ، يحتوي على تفاصيل جميع الوظائف.
بيئة تطوير Arduino تحتوي أصلاً على العديد من المكتبات. لاستيرادها إلى البرنامج ، ما عليك سوى تحديد قائمة "Sketch" ، ثم "تضمين مكتبة".


شكرا...