基于MSP430的质子旋进式磁力仪设计

        摘要：
        针对国产的磁力仪功耗大，稳定性较差，精度较低（±1nT）的问题，采用超低功耗单片机MSP430F149，设计了基于MSP430的质子旋进式磁力仪。给出了质子旋进磁力仪的工作原理及系统的硬件框图，对质子旋进信号的配谐和放大作出了说明，设计了对信号分频测量其周期的高精度间接测磁方法，指出了单片机软件开发的要点。与CZM-2型质子旋进式磁力仪相比，该设计功耗低，稳定性强，精度较高，野外实测待机电流0.8mA，最大误差0.5nT.
       
        引言
        质子旋进式磁力仪主要供地面磁法勘探，用于铁矿及其他金属矿床的普查、详查、地质填图。在航空、海洋、地震预报工作中，用于地磁台站的磁变观测和流动磁测。目前地磁测量所使用的磁力仪多数是进口产品，价格昂贵。国产的磁力仪以北京地质仪器厂生产的CZM-2型质子旋进式磁力仪居多。该仪器为20世纪80年代产品，使用简单方便。但受当时技术条件限制，仪器功耗大，稳定性较差，精度较低（±1nT）。根据我国地磁流动测量与定点观测的需要，研制新型高精度的质子旋进磁力仪具有重要的意义。笔者设计了一种新型的磁力仪，与CZM-2型质子旋进式磁力仪相比，实测精度提高1倍（±0.5nT）。
        1质子旋进式磁力仪工作原理
        质子磁力仪传感器由两个相同线圈反向串联而成，以抑制外界干扰。线圈骨架中充满富含氢质子的煤油或者水。当仪器进行极化时，线圈通入约1 A的直流电流。在线圈内部会产生与地磁场方向垂直、大于地磁场几个数量级的极化磁场。极化数秒后，氢质子磁矩就会沿着垂直于地磁场方向的极化磁场整齐排列。然后切断极化电流，线圈产生的极化磁场消失，质子磁矩便在地磁场的作用下以地磁场为轴处于旋进状态。在旋进过程中，质子的磁矩切割线圈而在线圈两端产生数微伏的感应电动势，其角频率与地磁场的关系
        ω0=γH0
        其中： H0为地磁场强度，单位是nT， f=ω0/2π为拉莫尔进动频率，单位是Hz.γ为比例系数，称为旋磁比。对于航空煤油γ=（ 2.67513±0.00002)rad/（T.s）。其幅值随时间按指数形式衰减，
       
        称为自由感应衰减其中µ0为磁导率， n为线圈匝数， A为线圈截面积， M为质子磁化强度， T2为横向弛豫时间。自由感应衰减信号如图1所示。
       
        此感应信号经过选频放大及整形分频后，由单片机测周期，转化成频率并乘以归一化系数便可直接读出地磁场值。
        2系统总体设计方案
        2.1 MSP430超低功耗单片机的作用
        单片机是系统的控制核心。根据仪器设计功能要求，单片机除实现基本的测量和控制功能外，还要实现以下功能：可以查询测量数据；保存仪器测量时的日期和时间；可以定时完成磁场的自动测量；自动完成数据的处理与保存；按键完成数据显示、测量曲线显示、与上位计算机的串行通讯和打印绘图输出等；由看门狗防止程序跑飞；具有温度监测功能，对仪器进行温度校正；检测电池电量。另外单片机应低功耗，以适于野外作业。
       
        常用的51系列单片机，由于其片内资源的限制，要完成上述功能，须对其进行外部扩展。这样既增加了电路的复杂性和故障率，又因芯片的增多而增加了功耗。
       
        本系统中采用美国TI公司生产的MSP430F系列超低功耗单片机. MSP430系列单片机有以下几个系列MSP430×1×××、MSP430×3××、MSP430×4××等，而且全部成员软件兼容，可以方便地在系列各型号间移植。它采用冯诺依曼结构， RAM、ROM和全部外围模块都位于同一个地址空间内。同其他微控制器相比， MSP430系列可以大幅度延长电池的使用寿命。
        MSP430F149单片机主要有以下特点：
        1）超低功耗结构体系，在1MH z时钟频率时仅需250µA工作电流，待机电流为0.1µA；
        2）抗静电能力强；
        3）片内12位A/D转换；
        4）片内精密比较器；
        5）硬件乘法器；
        6）片内测温二极管；
        7） MSP430全部为工业级； 16位精简指令集MCU工作温度- 40~ 85℃.
        MSP430F149拥有60kbit程序存储器、2 kbit数据存储器、48个独立I/O引脚和非常丰富的外围模块，几乎不用添加其他元件即可达到本系统的设计要求。
       
        MSP430F149内部有256字节的在线可编程FLASH ROM，可以完成仪器设置数据的保存和读取。片内A /D用来检测电池电量。片内看门狗定时器防止程序跑飞。内部温度二极管用来测量仪器内部温度。片内串口可与上位机通讯。外挂DS1302时钟芯片，以便定时采集数据及记录时间。外接一片FLASHROM以实现大量测量数据的存储。使用内部硬件乘法器，以加快信号处理的速度。其超低功耗内核可以延长电池的使用时间.
        2.2探头配谐原理
        探头是感性元件，用来测量频率信号。质子磁力仪用LC并联谐振回路进行选频测量，谐振公式为
       
        式（3）中： f是LC并联谐振回路的中心频率； L是探头的电感量； C是仪器中的配谐电容值。只要使探头的电感L和仪器中配谐电容C较准确地配谐，就会使回路的谐振频率f谐振在探头中质子旋进频率的附近。
       
        地磁场强度在短时间内变化较小，质子磁力仪利用这一特性实现了仪器选频测量的自动跟踪功能，利用上一次测量的频率值f（或磁场值T ），根据式（ 3）计算出下一次选频测量的配谐电容值
       
        由于探头配谐电路工作在微弱信号下，只能通过单片机控制继电器切换配谐电容，所以用一组I/O口P2控制8个继电器来实现256种不同的配谐电容值。
       
        2.3信号放大器放大器
        探头输出的信号仅数微伏，必须放大到/伏0数量级才能供测量电路进行数字频率测量。因此对放大器的要求是低噪声、高增益。为提高输出信号的信噪比，设计放大器具有选频特性，通过改变配谐电容来改变放大器的中心频率，以便测量不同的磁场强度。
       
        放大器的各项指标分别为：工作频率范围1 300 ~ 3 100 H z，增益大于118 dB，输入阻抗大于10 k8，选频通带f = 40~ 100H z.
        2.4信号频率测量
        质子磁力仪的测频方法通常有两种：锁相倍频计数测频率和分频测量信号周期。
       
        锁相倍频计数的方法在国内的仪器中应用较为广泛。将信号整形后倍频，再通过有门控的计数器计数。通过数字电路控制门控时间使计数值正好是地磁场值。这种方法的优点是不需要复杂计算就能实现频率到地磁场值的转换，但是由于信号频率变化范围较宽（ 1 000~ 3 000H z） ，且信号幅度是指数衰减的，锁相环很难实现在整个频带内精确倍频，因此这种方法精度较低。分频测周期的方法电路实现较容易（见图2）。将整形后的信号经数字电路256分频后测量其周期，并由单片机运算得出结果，由于误差只由256分频的最后一个周期的上升沿引起，因此误差很小，精度较高。
       
        频率测量电路采用由可编程逻辑器件（ CPLD： Complex Programm able Logic Device）组成分频测周期逻辑电路，由高稳定晶振提供测量时钟源。此电路对选频放大器输出的旋进信号进行数字周期测量，石英晶体振荡器的振荡频率为40 MHz，精度可达±25 ns.将其作为计数脉冲，由测量电路的计数器记录脉冲个数，通过单片机计算处理可得到精确的频率值，如图3所示。
       
        考虑到低功耗设计及3.3 V供电电源，电路采用EPM 7064AET I44-10 CPLD芯片，而且仪器在非测量状态下将关闭此部分电源以节省电量。用Verilog HDL （ Verilog High speed integrated circuit hardw are Descript ion Language）语言实现编程.
        2.5其他电路器件的选择考虑到仪器的工作温度范围较大，液晶显示器采用耐低温特性较好的图形液晶显示器。为降低功耗，提高电源利用率，各级电路采用LM 2674供电.这是一款纹波及干扰较小的DC-DC芯片，但仍要做好电源及数字电路部分的屏蔽及与模拟信号放大器的隔离。FLASH ROM （ Flash Read Only Memory）采用三星公司的64MB存储器K9F1208.

3单片机软件开发要点        MSP430开发软件有功能强大的C编译器，故软件部分采用C语言编写.这里采用IAR公司EW-430 V2120A版MSP430开发软件。
       
        由于篇幅的限制，详细程序不在此列出，需要说明两点。
       
        1） MSP430单片机的总线是不对外开放的。要对液晶及FLASH存储器进行信号传送，只能用I/O口模拟总线。这一点对编程来说略显不便。
       
        2） MSP430的内部测温二极管的精度较低。可能有几摄氏度的误差。但对仪器精度校正，影响并不大。
       
        4整机测试
        测试地点：某市八一乡大长沟南。
       
        整机电流：极化电流1200 mA；信号放大测量时38mA；显示数据时15mA；待机电流0.8mA.地磁场测量方法：同一地点测量4次取平均值，测得地磁场值如表1所示。
       
        以EVN I （ env ironment）地球测量系统的测量数据作为比较参照，可以得出结论：本仪器分辨力0.1nT，精度0.5nT.
        5结语
        采用MSP430F149作为处理芯片，外围元件少；系统故障率低；功耗低；电池使用时间长；仪器内部元件对放大器的电磁干扰小；仪器的体积小。采用分频测周期的间接测频方法，仪器的测量精度高。但同某些高档进口仪器相比还有一定的差距，以后还可对其作进一步改进。