基于MSP430的質子旋進式磁力儀設計

　　引言

　　質子旋進式磁力儀主要供地面磁法勘探，用于鐵礦及其他金屬礦床的普查、詳查、地質填圖。在航空、海洋、地震預報工作中，用于地磁臺站的磁變觀測和流動磁測。目前地磁測量所使用的磁力儀多數是進口產品，價格昂貴。國產的磁力儀以北京地質儀器廠生產的CZM-2型質子旋進式磁力儀居多。該儀器為20世紀80 年代產品，使用簡單方便。但受當時技術條件限制，儀器功耗大，穩定性較差，精度較低（±1nT）。根據我國地磁流動測量與定點觀測的需要，研制新型高精度的質子旋進磁力儀具有重要的意義。筆者設計了一種新型的磁力儀，與CZM-2型質子旋進式磁力儀相比，實測精度提高1倍（±0.5nT）。

　　1質子旋進式磁力儀工作原理

　　質子磁力儀傳感器由兩個相同線圈反向串聯而成，以抑制外界干擾。線圈骨架中充滿富含氫質子的煤油或者水。當儀器進行極化時，線圈通入約1 A的直流電流。在線圈內部會產生與地磁場方向垂直、大于地磁場幾個數量級的極化磁場。極化數秒后，氫質子磁矩就會沿著垂直于地磁場方向的極化磁場整齊排列。然后切斷極化電流，線圈產生的極化磁場消失，質子磁矩便在地磁場的作用下以地磁場為軸處于旋進狀態。在旋進過程中，質子的磁矩切割線圈而在線圈兩端產生數微伏的感應電動勢，其角頻率與地磁場的關系

　　ω0=γH0

　　其中： H0為地磁場強度，單位是nT， f=ω0/2π為拉莫爾進動頻率，單位是Hz.γ為比例系數，稱為旋磁比。對于航空煤油γ=（ 2.67513±0.00002）rad/（T.s）。其幅值隨時間按指數形式衰減，

　　稱為自由感應衰減其中μ0為磁導率， n為線圈匝數， A為線圈截面積， M為質子磁化強度， T2為橫向弛豫時間。自由感應衰減信號如圖1所示。

　　此感應信號經過選頻放大及整形分頻后，由單片機測周期，轉化成頻率并乘以歸一化系數便可直接讀出地磁場值。

　　2系統總體設計方案

　　2.1 MSP430超低功耗單片機的作用

　　單片機是系統的控制核心。根據儀器設計功能要求，單片機除實現基本的測量和控制功能外，還要實現以下功能：可以查詢測量數據；保存儀器測量時的日期和時間；可以定時完成磁場的自動測量；自動完成數據的處理與保存；按鍵完成數據顯示、測量曲線顯示、與上位計算機的串行通訊和打印繪圖輸出等；由看門狗防止程序跑飛；具有溫度監測功能，對儀器進行溫度校正；檢測電池電量。另外單片機應低功耗，以適于野外作業。

　　常用的51系列單片機，由于其片內資源的限制，要完成上述功能，須對其進行外部擴展。這樣既增加了電路的復雜性和故障率，又因芯片的增多而增加了功耗。

　　本系統中采用美國TI 公司生產的MSP430F系列超低功耗單片機。 MSP430系列單片機有以下幾個系列MSP430×1×××、MSP430×3××、MSP430×4××等，而且全部成員軟件兼容，可以方便地在系列各型號間移植。它采用馮諾依曼結構， RAM、ROM和全部外圍模塊都位于同一個地址空間內。同其他微控制器相比， MSP430系列可以大幅度延長電池的使用壽命。

　　MSP430F149單片機主要有以下特點：

　　1）超低功耗結構體系，在1MH z時鐘頻率時僅需250μA工作電流，待機電流為0.1μA；

　　2）抗靜電能力強；

　　3）片內12位A/D轉換；

　　4）片內精密比較器；

　　5）硬件乘法器；

　　6）片內測溫二極管；

　　7） MSP430全部為工業級； 16位精簡指令集MCU工作溫度- 40~ 85℃。

　　MSP430F149擁有60kbit程序存儲器、2 kbit數據存儲器、48個獨立I/O引腳和非常豐富的外圍模塊，幾乎不用添加其他元件即可達到本系統的設計要求。

　　MSP430F149內部有256字節的在線可編程FLASH ROM，可以完成儀器設置數據的保存和讀取。片內A /D用來檢測電池電量。片內看門狗定時器防止程序跑飛。內部溫度二極管用來測量儀器內部溫度。片內串口可與上位機通訊。外掛DS1302時鐘芯片，以便定時采集數據及記錄時間。外接一片FLASHROM以實現大量測量數據的存儲。使用內部硬件乘法器，以加快信號處理的速度。其超低功耗內核可以延長電池的使用時間。

　　2.2探頭配諧原理

　　探頭是感性元件，用來測量頻率信號。質子磁力儀用LC并聯諧振回路進行選頻測量，諧振公式為

　　式（3）中： f是LC并聯諧振回路的中心頻率； L是探頭的電感量； C是儀器中的配諧電容值。只要使探頭的電感L和儀器中配諧電容C較準確地配諧，就會使回路的諧振頻率f諧振在探頭中質子旋進頻率的附近。

　　地磁場強度在短時間內變化較小，質子磁力儀利用這一特性實現了儀器選頻測量的自動跟蹤功能，利用上一次測量的頻率值f（或磁場值T ），根據式（ 3）計算出下一次選頻測量的配諧電容值

　　由于探頭配諧電路工作在微弱信號下，只能通過單片機控制繼電器切換配諧電容，所以用一組I/O口P2控制8個繼電器來實現256種不同的配諧電容值。

　　2.3信號放大器放大器

　　探頭輸出的信號僅數微伏，必須放大到/伏0數量級才能供測量電路進行數字頻率測量。因此對放大器的要求是低噪聲、高增益。為提高輸出信號的信噪比，設計放大器具有選頻特性，通過改變配諧電容來改變放大器的中心頻率，以便測量不同的磁場強度。

　　放大器的各項指標分別為：工作頻率范圍1 300 ~ 3 100 H z，增益大于118 dB，輸入阻抗大于10 k8，選頻通帶f = 40~ 100H z.

　　2.4信號頻率測量

　　質子磁力儀的測頻方法通常有兩種：鎖相倍頻計數測頻率和分頻測量信號周期。

　　鎖相倍頻計數的方法在國內的儀器中應用較為廣泛。將信號整形后倍頻，再通過有門控的計數器計數。通過數字電路控制門控時間使計數值正好是地磁場值。這種方法的優點是不需要復雜計算就能實現頻率到地磁場值的轉換，但是由于信號頻率變化范圍較寬（ 1 000~ 3 000H z），且信號幅度是指數衰減的，鎖相環很難實現在整個頻帶內精確倍頻，因此這種方法精度較低。分頻測周期的方法電路實現較容易（見圖2）。將整形后的信號經數字電路256分頻后測量其周期，并由單片機運算得出結果，由于誤差只由256分頻的最后一個周期的上升沿引起，因此誤差很小，精度較高。

　　頻率測量電路采用由可編程邏輯器件（ CPLD： Complex Programm able Logic Device）組成分頻測周期邏輯電路，由高穩定晶振提供測量時鐘源。此電路對選頻放大器輸出的旋進信號進行數字周期測量，石英晶體振蕩器的振蕩頻率為 40 MHz，精度可達±25 ns.將其作為計數脈沖，由測量電路的計數器記錄脈沖個數，通過單片機計算處理可得到精確的頻率值，如圖3所示。

　　考慮到低功耗設計及3.3 V供電電源，電路采用EPM 7064AET I44-10 CPLD芯片，而且儀器在非測量狀態下將關閉此部分電源以節省電量。用Verilog HDL （ Verilog High speed integrated circuit hardw are Descript ion Language）語言實現編程。

　　2.5其他電路器件的選擇

??????? 考慮到儀器的工作溫度范圍較大，液晶顯示器采用耐低溫特性較好的圖形液晶顯示器。為降低功耗，提高電源利用率，各級電路采用LM 2674供電。這是一款紋波及干擾較小的DC-DC芯片，但仍要做好電源及數字電路部分的屏蔽及與模擬信號放大器的隔離。FLASH ROM （ Flash Read Only Memory）采用三星公司的64MB存儲器K9F1208.

　　3單片機軟件開發要點

　　MSP430開發軟件有功能強大的C編譯器，故軟件部分采用C語言編寫。這里采用IAR公司EW-430 V2120A版MSP430開發軟件。

　　由于篇幅的限制，詳細程序不在此列出，需要說明兩點。

　　1） MSP430單片機的總線是不對外開放的。要對液晶及FLASH存儲器進行信號傳送，只能用I/O口模擬總線。這一點對編程來說略顯不便。

　　2） MSP430的內部測溫二極管的精度較低。可能有幾攝氏度的誤差。但對儀器精度校正，影響并不大。

　　4整機測試

　　測試地點：某市八一鄉大長溝南。

　　整機電流：極化電流1200 mA；信號放大測量時38mA；顯示數據時15mA；待機電流0.8mA.地磁場測量方法：同一地點測量4次取平均值，測得地磁場值如表1所示。