引言

　　質(zhì)子旋進(jìn)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(zhì)填圖。在航空、海洋、地震預(yù)報(bào)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(shù)是進(jìn)口產(chǎn)品，價格昂貴。國產(chǎn)的磁力儀以北京地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的CZM-2型質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀居多。該儀器為20世紀(jì)80 年代產(chǎn)品，使用簡單方便。但受當(dāng)時技術(shù)條件限制，儀器功耗大，穩(wěn)定性較差，精度較低（±1nT）。根據(jù)我國地磁流動測量與定點(diǎn)觀測的需要，研制新型高精度的質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀具有重要的意義。筆者設(shè)計(jì)了一種新型的磁力儀，與CZM-2型質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀相比，實(shí)測精度提高1倍（±0.5nT）。

　　1質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀工作原理

　　質(zhì)子磁力儀傳感器由兩個相同線圈反向串聯(lián)而成，以抑制外界干擾。線圈骨架中充滿富含氫質(zhì)子的煤油或者水。當(dāng)儀器進(jìn)行極化時，線圈通入約1 A的直流電流。在線圈內(nèi)部會產(chǎn)生與地磁場方向垂直、大于地磁場幾個數(shù)量級的極化磁場。極化數(shù)秒后，氫質(zhì)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(chǎn)生的極化磁場消失，質(zhì)子磁矩便在地磁場的作用下以地磁場為軸處于旋進(jìn)狀態(tài)。在旋進(jìn)過程中，質(zhì)子的磁矩切割線圈而在線圈兩端產(chǎn)生數(shù)微伏的感應(yīng)電動勢，其角頻率與地磁場的關(guān)系

　　ω0=γH0

　　其中： H0為地磁場強(qiáng)度，單位是nT， f=ω0/2π為拉莫爾進(jìn)動頻率，單位是Hz.γ為比例系數(shù)，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(shù)形式衰減，

　　稱為自由感應(yīng)衰減其中μ0為磁導(dǎo)率， n為線圈匝數(shù)， A為線圈截面積， M為質(zhì)子磁化強(qiáng)度， T2為橫向弛豫時間。自由感應(yīng)衰減信號如圖1所示。

　　此感應(yīng)信號經(jīng)過選頻放大及整形分頻后，由單片機(jī)測周期，轉(zhuǎn)化成頻率并乘以歸一化系數(shù)便可直接讀出地磁場值。

　　2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　2.1 MSP430超低功耗單片機(jī)的作用

　　單片機(jī)是系統(tǒng)的控制核心。根據(jù)儀器設(shè)計(jì)功能要求，單片機(jī)除實(shí)現(xiàn)基本的測量和控制功能外，還要實(shí)現(xiàn)以下功能：可以查詢測量數(shù)據(jù)；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(shù)據(jù)的處理與保存；按鍵完成數(shù)據(jù)顯示、測量曲線顯示、與上位計(jì)算機(jī)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(jiān)測功能，對儀器進(jìn)行溫度校正；檢測電池電量。另外單片機(jī)應(yīng)低功耗，以適于野外作業(yè)。

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

　　本系統(tǒng)中采用美國TI公司生產(chǎn)的MSP430F系列超低功耗單片機(jī)。 MSP430系列單片機(jī)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(jié)構(gòu)， RAM、ROM和全部外圍模塊都位于同一個地址空間內(nèi)。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(jī)主要有以下特點(diǎn)：

　　1）超低功耗結(jié)構(gòu)體系，在1MH z時鐘頻率時僅需250μA工作電流，待機(jī)電流為0.1μA；

　　2）抗靜電能力強(qiáng)；

　　3）片內(nèi)12位A/D轉(zhuǎn)換；

　　4）片內(nèi)精密比較器；

　　5）硬件乘法器；

　　6）片內(nèi)測溫二極管；

　　7） MSP430全部為工業(yè)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(shù)據(jù)存儲器、48個獨(dú)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(dá)到本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

　　MSP430F149內(nèi)部有256字節(jié)的在線可編程FLASH ROM，可以完成儀器設(shè)置數(shù)據(jù)的保存和讀取。片內(nèi)A /D用來檢測電池電量。片內(nèi)看門狗定時器防止程序跑飛。內(nèi)部溫度二極管用來測量儀器內(nèi)部溫度。片內(nèi)串口可與上位機(jī)通訊。外掛DS1302時鐘芯片，以便定時采集數(shù)據(jù)及記錄時間。外接一片F(xiàn)LASHROM以實(shí)現(xiàn)大量測量數(shù)據(jù)的存儲。使用內(nèi)部硬件乘法器，以加快信號處理的速度。其超低功耗內(nèi)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(zhì)子磁力儀用LC并聯(lián)諧振回路進(jìn)行選頻測量，諧振公式為

　　式（3）中： f是LC并聯(lián)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(zhǔn)確地配諧，就會使回路的諧振頻率f諧振在探頭中質(zhì)子旋進(jìn)頻率的附近。

　　地磁場強(qiáng)度在短時間內(nèi)變化較小，質(zhì)子磁力儀利用這一特性實(shí)現(xiàn)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(jù)式（ 3）計(jì)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(jī)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(shí)現(xiàn)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(shù)微伏，必須放大到/伏0數(shù)量級才能供測量電路進(jìn)行數(shù)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(shè)計(jì)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(qiáng)度。

　　放大器的各項(xiàng)指標(biāo)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(zhì)子磁力儀的測頻方法通常有兩種：鎖相倍頻計(jì)數(shù)測頻率和分頻測量信號周期。

　　鎖相倍頻計(jì)數(shù)的方法在國內(nèi)的儀器中應(yīng)用較為廣泛。將信號整形后倍頻，再通過有門控的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。通過數(shù)字電路控制門控時間使計(jì)數(shù)值正好是地磁場值。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要復(fù)雜計(jì)算就能實(shí)現(xiàn)頻率到地磁場值的轉(zhuǎn)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(shù)衰減的，鎖相環(huán)很難實(shí)現(xiàn)在整個頻帶內(nèi)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(shí)現(xiàn)較容易（見圖2）。將整形后的信號經(jīng)數(shù)字電路256分頻后測量其周期，并由單片機(jī)運(yùn)算得出結(jié)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(wěn)定晶振提供測量時鐘源。此電路對選頻放大器輸出的旋進(jìn)信號進(jìn)行數(shù)字周期測量，石英晶體振蕩器的振蕩頻率為 40 MHz，精度可達(dá)±25 ns.將其作為計(jì)數(shù)脈沖，由測量電路的計(jì)數(shù)器記錄脈沖個數(shù)，通過單片機(jī)計(jì)算處理可得到精確的頻率值，如圖3所示。

　　考慮到低功耗設(shè)計(jì)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(tài)下將關(guān)閉此部分電源以節(jié)省電量。用Verilog HDL （ Verilog High speed integrated circuit hardw are Descript ion Language）語言實(shí)現(xiàn)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(shù)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(jī)軟件開發(fā)要點(diǎn)

　　MSP430開發(fā)軟件有功能強(qiáng)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(fā)軟件。

　　由于篇幅的限制，詳細(xì)程序不在此列出，需要說明兩點(diǎn)。

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

　　2） MSP430的內(nèi)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(jī)測試

　　測試地點(diǎn)：某市八一鄉(xiāng)大長溝南。

　　整機(jī)電流：極化電流1200 mA；信號放大測量時38mA；顯示數(shù)據(jù)時15mA；待機(jī)電流0.8mA.地磁場測量方法：同一地點(diǎn)測量4次取平均值，測得地磁場值如表1所示。

　　以EVN I （ env ironment）地球測量系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)作為比較參照，可以得出結(jié)論：本儀器分辨力0.1nT，精度0.5nT.

　　5結(jié)語

　　采用MSP430F149作為處理芯片，外圍元件少；系統(tǒng)故障率低；功耗低；電池使用時間長；儀器內(nèi)部元件對放大器的電磁干擾小；儀器的體積小。采用分頻測周期的間接測頻方法，儀器的測量精度高。但同某些高檔進(jìn)口儀器相比還有一定的差距，以后還可對其作進(jìn)一步改進(jìn)。