基于MSP430的質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀設(shè)計(jì)

　　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(tái)站的磁變觀測(cè)和流動(dòng)磁測(cè)。目前地磁測(cè)量所使用的磁力儀多數(shù)是進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格昂貴。國(guó)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(jiǎn)單方便。但受當(dāng)時(shí)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(guó)地磁流動(dòng)測(cè)量與定點(diǎn)觀測(cè)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(cè)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(gè)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(shí)，線圈通入約1 A的直流電流。在線圈內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生與地磁場(chǎng)方向垂直、大于地磁場(chǎng)幾個(gè)數(shù)量級(jí)的極化磁場(chǎng)。極化數(shù)秒后，氫質(zhì)子磁矩就會(huì)沿著垂直于地磁場(chǎng)方向的極化磁場(chǎng)整齊排列。然后切斷極化電流，線圈產(chǎn)生的極化磁場(chǎng)消失，質(zhì)子磁矩便在地磁場(chǎng)的作用下以地磁場(chǎng)為軸處于旋進(jìn)狀態(tài)。在旋進(jìn)過(guò)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(dòng)勢(shì)，其角頻率與地磁場(chǎng)的關(guān)系

　　ω0=γH0

　　其中： H0為地磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位是nT， f=ω0/2π為拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率，單位是Hz.γ為比例系數(shù)，稱為旋磁比。對(duì)于航空煤油γ=( 2.67513±0.00002)rad/(T.s)。其幅值隨時(shí)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(shí)間。自由感應(yīng)衰減信號(hào)如圖1所示。

　　此感應(yīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)選頻放大及整形分頻后，由單片機(jī)測(cè)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(chǎng)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(cè)量和控制功能外，還要實(shí)現(xiàn)以下功能：可以查詢測(cè)量數(shù)據(jù);保存儀器測(cè)量時(shí)的日期和時(shí)間;可以定時(shí)完成磁場(chǎng)的自動(dòng)測(cè)量;自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的處理與保存;按鍵完成數(shù)據(jù)顯示、測(cè)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(cè)功能，對(duì)儀器進(jìn)行溫度校正;檢測(cè)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(duì)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(guó)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(gè)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(hào)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(gè)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(zhǎng)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(shí)鐘頻率時(shí)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(cè)溫二極管;

　　7) MSP430全部為工業(yè)級(jí); 16位精簡(jiǎn)指令集MCU工作溫度- 40~ 85℃。

　　MSP430F149擁有60kbit程序存儲(chǔ)器、2 kbit數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、48個(gè)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(lái)檢測(cè)電池電量。片內(nèi)看門狗定時(shí)器防止程序跑飛。內(nèi)部溫度二極管用來(lái)測(cè)量?jī)x器內(nèi)部溫度。片內(nèi)串口可與上位機(jī)通訊。外掛DS1302時(shí)鐘芯片，以便定時(shí)采集數(shù)據(jù)及記錄時(shí)間。外接一片F(xiàn)LASHROM以實(shí)現(xiàn)大量測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。使用內(nèi)部硬件乘法器，以加快信號(hào)處理的速度。其超低功耗內(nèi)核可以延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。

　　2.2探頭配諧原理

　　探頭是感性元件，用來(lái)測(cè)量頻率信號(hào)。質(zhì)子磁力儀用LC并聯(lián)諧振回路進(jìn)行選頻測(cè)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(huì)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(chǎng)強(qiáng)度在短時(shí)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(cè)量的自動(dòng)跟蹤功能，利用上一次測(cè)量的頻率值f(或磁場(chǎng)值T )，根據(jù)式( 3)計(jì)算出下一次選頻測(cè)量的配諧電容值

　　由于探頭配諧電路工作在微弱信號(hào)下，只能通過(guò)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(gè)繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)256種不同的配諧電容值。