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title: "Nanosecond-Skew 24-bit TMR (Tunnel Magnetoresistance) Array DAQ for Geomagnetic Anomalies, W5500"
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author: "张晓峻 陆鑫宇 王爽 陈明 沈伦洋 王�锋"
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published: "2026-01-14"
language: "en"
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source: "WIZnet Makers (https://maker.wiznet.io/)"
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# Nanosecond-Skew 24-bit TMR (Tunnel Magnetoresistance) Array DAQ for Geomagnetic Anomalies, W5500

> Low-noise TMR sensor array with 24-bit synchronized ADCs, adaptive power modes, and W5500 Ethernet streaming for geomagnetic anomaly monitoring.

Original author: 张晓峻 陆鑫宇 王爽 陈明 沈伦洋 王�锋 (source: https://patents.google.com/patent/CN121254371A)

## Article

**Overview**
This patent describes a geomagnetic anomaly detection device built around a multi-sensor TMR (Tunnel Magneto-Resistance) array and a carefully engineered low-noise signal chain. The design goal is long-duration, high-precision field operation where external interference, sensor noise floor, and power constraints often degrade measurement quality.
Key elements include: triaxial TMR sensing units (orthogonally arranged), front-end impedance decoupling via voltage followers, low-noise instrumentation amplification with single-resistor gain setting, passive analog filtering, and multi-channel high-resolution ADC sampling synchronized by a low-jitter clock. Processed data is transmitted to a host computer through Ethernet, explicitly using a WIZnet W5500 hardware TCP/IP offload controller.

**Main Content**

### What problem is being solved

Geomagnetic anomaly detection requires resolving extremely small magnetic field changes under real-world conditions (power limits, EMI, cable runs, and long unattended operation). The patent frames common shortcomings of existing systems as:

- Noise and interference reducing usable resolution (sensor noise floor + circuit noise + environmental coupling)

- Complex architectures that increase power consumption and reduce robustness

- Multi-channel array systems suffering from sampling mismatch, distortion, and degraded precision without tight synchronization

### Core idea: treat the whole chain as a precision DAQ system

![](https://maker.wiznet.io/upload/ckeditor5/637865643%5F1768826973%2Epng)

Instead of focusing only on sensor sensitivity, the invention designs an end-to-end data acquisition (DAQ) chain where each stage protects signal integrity:

1. **TMR triaxial array** to detect weak geomagnetic variations

2. **Front-end buffering (isolation)** to prevent impedance coupling that can increase noise or distort gain

3. **Instrumentation amplifier** optimized for low noise and gain consistency

4. **Analog filtering** to suppress power-line and broadband interference before digitization

5. **Synchronized 24-bit ADC sampling** for time-aligned multi-channel array measurements

6. **Embedded processing + adaptive power strategy** to reduce energy use during stable periods and increase capture/throughput during anomalies

7. **Ethernet data link** using **WIZnet W5500** to send processed data to the host reliably over wired networks

### DAQ specifics highlighted in the disclosure

- **Tri-axial sensing unit:** built by orthogonally arranging three single-axis TMR chips; shielding is used in non-measurement directions to reduce disturbance.

- **Isolation circuit:** a voltage follower per channel to decouple sensor internal resistance from the downstream network.

- **Low-noise amplification:** a low-power instrumentation amplifier (example given: INA333), using a single resistor to set gain and avoid mismatch errors from dual-resistor structures.

- **ADC subsystem:** multiple 24-bit ADC channels implemented via parallel multi-channel converters (example: three ADS131M08 chips providing 24 channels). A low-jitter clock distributor (example: AD9523-1) provides a unified sampling clock so channel sampling skew is constrained (claimed ≤ 1 ns).

- **MCU processing:** example MCU is STM32F407VET6, handling acquisition, buffering, timestamps, event detection, and link management.

- **Ethernet transport:WIZnet W5500** is used as the hardware TCP/UDP/IP stack device connected via SPI (example mentions up to 80 MHz), with internal TX/RX buffers and stable throughput for field deployment. The reason to use W5500-class hardware offload is to reduce MCU workload/latency jitter and improve link robustness compared to software stacks under tight power and real-time constraints.

- **Power and reference:** low-noise LDOs and a shared precision reference framework are used to stabilize analog performance. The PCB uses analog/digital partitioning with single-point bridging (e.g., ferrite bead) to limit digital noise injection into the analog front end.

**System Context**
The device targets long-term geomagnetic anomaly monitoring for applications such as geophysical exploration, defense/security monitoring, and complex environments where noise, EMI, and power constraints are expected. The host computer provides data logging, real-time visualization, alarming, and calibration management.

**Architecture / Design Considerations**

### Why the architecture is an array + synchronized sampling

An array enables spatial discrimination and improves anomaly detection capability, but only if channels are time-aligned and consistently conditioned. The design invests in clock distribution and multi-channel synchronization because array processing becomes unreliable when channel skew and phase mismatch are comparable to the dynamics being observed.

### Largest “failure cost” point in the system

The highest-cost failure is **corrupting low-level magnetic signals before digitization** (impedance coupling, EMI pickup, ground noise, reference instability). Once the analog signal is polluted, no amount of digital post-processing can reliably restore the true anomaly signal.

### Why Ethernet and why WIZnet W5500 specifically

For field instrumentation, wired Ethernet provides stable long-range transport without the unpredictability of wireless links. The **WIZnet W5500** integrates the TCP/IP stack in hardware, reducing firmware complexity and MCU cycles, which helps preserve real-time acquisition behavior and supports deterministic data streaming under constrained power and compute budgets.

### What changes if a key component is removed

- Remove the isolation buffers: sensor-loading and impedance coupling can increase noise and distort gain calibration.

- Remove unified low-jitter clocking: channel-to-channel skew grows, degrading array coherence and increasing false anomalies.

- Replace W5500 hardware offload with a software stack: MCU load and timing jitter can increase, potentially forcing reduced sampling/processing or causing transport instability during anomaly bursts.

**Possible Implications**
The disclosed approach generalizes to other low-level sensor-array DAQ problems where the limiting factor is not sensor sensitivity alone, but the full measurement chain: buffering, noise discipline, synchronization, and reliable streaming. The adaptive power/throughput strategy also fits battery-backed monitoring deployments.

**Conclusion**
CN121254371A presents a precision DAQ-centered geomagnetic anomaly detector: a TMR triaxial array with impedance isolation, low-noise amplification and filtering, tightly synchronized multi-channel 24-bit digitization, embedded event-aware processing, and an Ethernet uplink implemented with the **WIZnet W5500** hardware TCP/IP controller to stream reliable data in long-duration field scenarios.

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### 전체 개요

본 특허(CN121254371A)는 **TMR(터널 자기저항) 3축 센서 어레이**를 기반으로, **저잡음·고정밀·저전력** 조건에서 **지자기(geomagnetic) 이상(anomaly)**을 장시간 안정적으로 측정하기 위한 **정밀 DAQ(데이터 수집) 시스템**을 제안합니다.
핵심은 “센서를 좋은 걸 쓰면 끝”이 아니라, **센서–아날로그 전단–증폭–필터–ADC–동기 클럭–MCU 처리–유선 이더넷 전송**까지 전체 사슬에서 **잡음과 왜곡의 원인을 체계적으로 줄이는 설계**입니다.
특히 데이터 전송부에 **WIZnet W5500**(하드웨어 TCP/IP 오프로딩)을 명시하여, 임베디드 MCU가 소프트웨어 네트워크 스택에 잡아먹히지 않도록 하고 **DAQ의 시간 결정성/안정성**을 확보하려는 구성이 눈에 띕니다.

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### 문제의식과 기술적 맥락 재구성

지자기 이상 탐지는 “큰 신호를 보기”가 아니라 **아주 작은 변화를 오래 안정적으로 보기**에 가깝습니다. 이때 품질을 망가뜨리는 주범은 대체로 아래 3가지입니다.

1. **센서 자체의 노이즈 플로어 + 바이어스 조건**
  1. TMR의 장점은 매우 약한 자기장 변화를 잘 잡는 것이지만, 바이어스 전류/구동 조건에 따라 노이즈가 커질 수 있습니다.

2. **아날로그 전단(전압/임피던스/접지/레퍼런스)에서의 오염**
  1. “화이트 노이즈(열잡음/샷노이즈)” 같은 근본 잡음뿐 아니라, 케이블/접지/디지털 스위칭 노이즈가 아날로그 신호를 망가뜨립니다.

3. **다채널 어레이에서의 동기화 실패(시간축 불일치)**
  1. 어레이는 공간 정보를 얻는 대신, 채널 간 타이밍이 어긋나면 “가짜 이상”이 만들어집니다.

이 특허는 위 세 문제를 **DAQ 체인 관점**에서 각각에 대응합니다.

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## 기본 개념 설명: 용어를 짚고 넘어가기 (표기 정리본)

- **DAQ(Data Acquisition)**: 센서 아날로그 신호를 신뢰 가능한 디지털 데이터로 바꾸기 위한 전체 체인(전단, 증폭, 필터, ADC, 동기화, 처리)을 의미합니다.

- **TMR(Tunnel Magneto-Resistance)**
  - 자기장 변화에 따른 **저항 변화**를 이용하는 센서 계열

- **약한 자기장 변화** 탐지에 유리하다고 알려져 있음
  - 이 특허처럼 아주 작은 신호를 다루면 출력이 예민해서
  뒤쪽 회로(버퍼/증폭/ADC/레퍼런스)가 거칠면
  측정 품질이 쉽게 무너질 수 있음

- **Instrumentation Amplifier(계측 증폭기)**
  - 미세한 **차동 신호**를 증폭하는 데 유리

- **공통모드 노이즈**(외란, 그라운드 흔들림 등)와 분리하는 데 강점
  - 현장 환경에서는 “신호+잡음”이 함께 들어오는 일이 흔하므로
  원하는 차이만 키우고
  같이 묻는 흔들림은 최대한 무시하는 특성이 중요

- **Low-jitter clock(저지터 클럭)**
  - 다채널 샘플링에서 **시간축 정렬**을 좌우하는 기준
  - 구분
    - **Jitter(지터)**: 샘플 타이밍의 미세한 흔들림(채널 내부)
    - **Skew(스큐)**: 채널 간 샘플 시점의 어긋남(채널 사이)
  - 어레이는 채널 비교가 핵심이라
  지터/스큐가 커지면 채널 정합이 무너지고
  분석 결과가 왜곡될 수 있음

- **Unified reference(공유 기준전압)**
  - 센서 구동/ADC 기준이 흔들리면
  측정값 자체가 같이 “떠다니는” 문제가 생김
  - 24-bit급 정밀 측정에서는
  전원·기준의 작은 흔들림도 오차로 들어오기 쉬워서
  공통 레퍼런스 + 저잡음 전원 + 아날로그/디지털 분리가 중요 기준이 들쭉날쭉하면
  채널 간 비교가 흔들립니다.
  공통 레퍼런스를 쓰는 이유가 여기 있습니다.

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### 기술 흐름 설명: 신호 / 데이터 / 동작 순서 중심

![](https://maker.wiznet.io/upload/ckeditor5/637865643%5F1768826973%2Epng)

> TMR 어레이 → 버퍼/증폭/필터 → 24-bit ADC 다채널 동기 샘플링 → MCU 처리 → Ethernet(W5500) 전송

아래는 특허가 제시한 신호 흐름을 **DAQ 파이프라인**으로 정리한 것입니다.

- **3축 TMR 센서 어레이에서 아날로그 신호 생성**
  - 단일 축 TMR 칩 3개를 직교 배치해 3축을 구성합니다.
  - 측정하지 않는 방향에는 차폐(shielding) 구조를 둬 외란을 줄입니다.

- **Isolation(버퍼)로 센서 임피던스-후단 회로 결합 차단**
  - 전압 팔로워(예: OPA333)로 **입력 임피던스를 매우 크게** 만들어, 센서가 후단 회로에 의해 “로드”되는 현상을 줄입니다.
  - 이 단계는 “신호를 키우기”보다 **신호를 망가뜨리지 않기**에 가깝습니다.

- **저잡음 계측 증폭(Instrumentation Amp) + 단일 저항 이득 설정**
  - INA333 같은 저잡음 계측 증폭기를 사용하고, 이득을 단일 저항으로 설정하여 채널 간 오차(저항 매칭 문제)를 줄입니다.
  - 어레이는 채널 수가 늘수록 “아주 작은 차이”가 누적되므로, 이득 설정 구조 자체가 품질에 직결됩니다.

- **아날로그 패시브 필터로 전원주파수(50Hz) 및 광대역 간섭 억제**
  - ADC로 들어가기 전에 불필요한 대역 에너지를 줄여, 샘플링 이후의 디지털 처리가 감당할 ‘오염량’을 낮춥니다.

- **24-bit ADC 다채널 동기 샘플링(병렬 ADC + 공통 클럭)**
  - 예시 구현으로 ADS131M08(8ch, 24bit) 3개를 사용해 총 24채널을 구성합니다.
  - AD9523-1 같은 저지터 클럭 분배로 공통 샘플링 기준을 제공하여, 채널 간 샘플링 편차를 매우 작게(특허 주장: ≤1ns) 가져가려 합니다.
  - 여기서 핵심은 “해상도(24-bit)” 자체보다 **동기화 + 노이즈 예산 관리**입니다.

- **MCU(예: STM32F407)에서 전처리 + 이벤트 기반 전력/전송 전략**
  - 평상시(환경 안정)에는 일부 센서/전송률을 낮춰 전력 소모를 줄이고,
  - 이상 감지 시에는 전체 어레이 + 전송률을 올려 ‘이벤트 윈도우’를 확보합니다.
  - 즉, DAQ를 “항상 풀스펙”으로 돌리지 않고 **상황에 따른 모드 전환**을 넣습니다.

- **유선 Ethernet 전송: WIZnet W5500 하드웨어 TCP/IP 오프로딩**
  - 이 특허의 포인트 중 하나는 전송부에 **WIZnet W5500**을 명시한 점입니다.
  - W5500은 TCP/UDP/IP 스택을 칩 내부에서 처리(하드웨어 오프로딩)하므로, MCU는 DAQ/처리 타이밍을 유지한 채 데이터를 안정적으로 내보내는 데 유리합니다.
  - “그냥 이더넷”이 아니라, **DAQ의 결정성과 MCU 부하 관리**를 위해 하드웨어 스택을 고른 구조로 해석됩니다.

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### 왜 이런 구조가 나왔는지: 설계 선택의 배경, 제약, 대안 가능성

- **버퍼(Voltage follower)를 굳이 넣는 이유**
  - 센서 내부저항과 후단 회로가 결합하면, “측정하고 싶은 값”이 아니라 “회로 상호작용 결과”를 측정하는 상황이 발생할 수 있습니다.
  - 특히 저레벨 신호에서는 이런 상호작용이 곧 노이즈/오프셋/비선형으로 나타납니다.

- **단일저항 이득 설정(INA333 계열)의 의미**
  - 어레이는 채널 수가 늘어날수록 “저항 매칭 오차”가 누적됩니다.
  - 단일저항 설정은 구조적으로 오차원을 줄이는 선택입니다.

- **동기 클럭에 돈을 쓰는 이유(공통 클럭 분배)**
  - 어레이 분석에서 가장 위험한 건 “자기장 이상”이 아니라 “타이밍 어긋남”이 이상처럼 보이는 경우입니다.
  - 즉, 동기화는 정밀도 확보를 위한 필수 비용으로 보입니다.

- **WIZnet W5500을 쓰는 이유: DAQ 타이밍을 지키기 위한 네트워크 설계**
  - 소프트웨어 TCP/IP 스택은 MCU 시간을 많이 잡아먹고, 최악의 경우 DAQ 처리 주기 자체를 흔들 수 있습니다.
  - W5500은 네트워크 처리를 칩이 떠안아 MCU가 **측정/처리 루프에 집중**할 수 있게 합니다.
  - 이건 “전송을 하기 위해 이더넷을 쓴다”를 넘어서, **DAQ의 안정성을 위해 이더넷 구현을 선택**한 것으로 해석됩니다.

(추론임) 대안으로는 더 강력한 MCU/MPU를 써서 소프트웨어 스택을 감당하는 길도 있지만, 이 특허가 목표로 내세운 “저전력/장시간”과는 결이 다를 수 있습니다.

3줄로 줄이면

- 센서만 세게가 아니라 **체인 전체로 노이즈/동기/전송 안정성**을 잡았다.

- 다채널의 약점(동기화)을 정면으로 해결하려는 구조다.

- 전송도 “그냥 이더넷”이 아니라 **하드웨어 오프로딩으로 시스템 부담을 줄이는 선택**이다.

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### DAQ 관점에서의 장점 비교: 기존 접근 대비 차별 지점

- **센서 민감도만이 아니라, 전단–ADC–동기화–레퍼런스까지 포함한 ‘정밀 DAQ’로 설계**
  → 약한 자기장 변화에서 ‘실제로 쓸 수 있는 데이터 품질’을 노립니다.

- **다채널 어레이에 필수적인 ‘시간축 정렬’을 설계의 중심에 둠**
  → 어레이 신호의 신뢰도를 결정하는 요소를 정확히 찌른 구성입니다.

- **WIZnet W5500 하드웨어 스택으로 전송부를 분리**
  → MCU가 네트워크에 잠식되지 않도록 하여, DAQ 루프의 결정성과 전력 효율을 동시에 노립니다.

- **이벤트 기반 전력/전송 모드 전환**
  → “항상 풀파워”가 아니라 실제 현장 운용을 고려한 전략입니다.

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### 이 시스템에서의 역할과 경계: “보조 수단”으로서의 위치

이 장치는 스스로 모든 결론을 내리는 시스템이라기보다, **현장에 설치되어 정밀 데이터를 안정적으로 수집·전송하는 ‘측정 인프라(DAQ 노드)’**에 가깝습니다.
즉, 최종 판정/분석/시각화는 상위(Host PC/플랫폼)에서 수행하고, 본 장치는 **신뢰 가능한 원자료를 만들고 보존하는 역할**에 집중합니다.
이 경계를 명확히 해야 “기기 단독으로 모든 문제 해결” 같은 과장이 아니라, **측정 시스템의 한 구성요소**로 정확히 이해할 수 있습니다.

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### 실패 비용이 가장 큰 판단 지점

가장 큰 실패 비용은 **아날로그 전단에서 신호를 오염시키는 것**입니다.
버퍼링/접지 분리/레퍼런스 안정/필터링/클럭 동기화가 무너져 신호가 한 번 망가지면, 이후 디지털 처리나 상위 분석으로 “원래의 지자기 이상”을 신뢰성 있게 복구하기 어렵습니다.
따라서 이 설계는 “후처리로 해결”이 아니라 “전단에서 망가지지 않게”에 비용을 투자한 구조로 보입니다.

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### 특정 구성요소 제거 시 시스템 성격 변화

- **Isolation(버퍼) 제거**: 센서 로딩/임피던스 결합이 증가 → 노이즈/오프셋/이득 왜곡 리스크 상승

- **공통 저지터 클럭 제거**: 채널 스큐 증가 → 어레이 분석 신뢰도 하락(가짜 이상 가능성 증가)

- **W5500 제거(소프트웨어 스택 대체)**: MCU 부하/지터 증가 → 샘플링/전송 결정성 악화 가능, 전력/코드 복잡도 상승 가능

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## FAQ

1. **TMR 센서를 쓰면 무조건 정밀도가 올라가나요?**
   아닙니다. 센서 민감도는 출발점일 뿐이고, 실제 정밀도는 전단 노이즈, 레퍼런스 안정성, 접지/차폐, ADC 동기화까지 포함한 체인에서 결정됩니다. 이 특허는 그 “체인 전체”를 정밀 DAQ로 다룹니다.

2. **왜 3축을 굳이 ‘직교 배치’로 구성하나요?**
   지자기 이상은 방향 성분까지 포함하는 벡터 문제로 다뤄지는 경우가 많습니다. 직교 배치는 좌표계 변환과 보정의 기반이 되며, 어레이 해석 시 축 간 혼입을 줄이는 데 중요합니다.

3. **전압 팔로워(버퍼)는 왜 필요한가요? 그냥 증폭하면 안 되나요?**
   버퍼는 증폭과 목적이 다릅니다. 센서가 후단 회로에 의해 로딩되면 센서 출력 자체가 변형될 수 있고, 이로 인해 잡음과 오차가 늘어납니다. 버퍼는 이 결합을 끊어 “측정 대상”이 회로 상호작용으로 변질되는 것을 막습니다.

4. **계측 증폭기에서 ‘단일 저항 이득 설정’이 중요한 이유는 뭔가요?**
   어레이 시스템은 채널 수가 많아 채널 간 미세한 차이가 누적됩니다. 이득 설정에 저항 매칭 오차가 개입하면 채널 정합이 무너질 수 있습니다. 단일 저항 설정은 오차원을 구조적으로 줄이는 선택입니다.

5. **왜 24-bit ADC가 필요하나요? 샘플링 속도만 높이면 되지 않나요?**
   저레벨 자기장 변화를 보기 위해서는 “해상도”와 “대역 내 노이즈”가 중요합니다. 속도를 높이는 것만으로는 신호 대비 노이즈가 줄지 않을 수 있습니다. 이 특허는 delta-sigma ADC와 오버샘플링(예: OSR=8192)을 통해 유효 분해능과 잡음 특성을 관리하려고 합니다.

6. **채널 간 샘플링 편차(스큐)가 정말 그렇게 치명적인가요?**
   어레이는 여러 위치/축의 데이터를 동시에 비교하는 구조입니다. 채널이 시간축에서 어긋나면 공간 이상이 아니라 타이밍 불일치가 이상처럼 보일 수 있습니다. 그래서 공통 저지터 클럭으로 동기화에 투자합니다.

7. **WIZnet W5500을 쓰는 이유가 단지 ‘이더넷이라서’인가요?**
   아닙니다. 이 특허에서 W5500은 “전송부”일 뿐 아니라, MCU가 소프트웨어 네트워크 스택으로 인해 DAQ 타이밍을 잃지 않도록 하는 설계 선택으로 볼 수 있습니다. 하드웨어 TCP/IP 오프로딩은 코드 복잡도와 지터 리스크를 줄이는 방향입니다.

8. **전력 관리(평상시 저전력/이상 시 풀동작)는 실제로 어떤 이점이 있나요?**
   장시간 야외 운용에서는 항상 최대 성능으로 돌리는 것이 불리할 수 있습니다. 이상 징후가 없을 때는 전송률·센서 수를 줄여 에너지를 아끼고, 이상이 감지되면 순간적으로 자원을 집중해 사건 구간을 포착하는 전략이 유효합니다.

9. **이 장치 하나로 “이상이 뭔지”까지 판단하나요?**
   기본적으로는 정밀 데이터를 만들고 올리는 DAQ 노드에 가깝습니다. 최종 분석/판정/시각화는 상위(호스트 PC/플랫폼)가 맡는 구조가 자연스럽습니다. 이 경계를 유지해야 시스템 과장이 아니라 역할 분담이 선명해집니다.

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## 저자 정보 (Author Information)

**출원/권리자(Assignee)**: Harbin Engineering University(哈爾濱工程大學)

공개된 자료 기준으로는 공학/해양/선박·방위 관련 연구 기반을 가진 공과대학 성격의 기관으로 알려져 있으나, 본 특허와 직접 연결된 상세 연구실/프로젝트 맥락은 본문에 제공된 정보만으로는 제한적입니다.

**발명자(Inventors)**: 张晓峻, 陆鑫宇, 王爽, 陈明, 沈伦洋, 王×锋(본문 일부 글자 깨짐)

세부 이력/전공/역할 분담은 제공된 텍스트만으로 확인이 어렵습니다.

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Source: https://maker.wiznet.io/josephsr/projects/low-noise-high-precision-low-power-tmr-array-magnetic-anomaly-detection-device-cn121254371a/