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基于MSP430的质子旋进式磁力仪设计

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发表于 2015-12-7 22:53:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
[导读] 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。

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?0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250?A工作电流,待机电流为0.1?A;

  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。


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