基于MSP430的質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀設計

　　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、地震預報工作中，用于地磁臺站的磁變觀(guān)測和流動(dòng)磁測。目前地磁測量所使用的磁力儀多數是進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格昂貴。國產(chǎn)的磁力儀以北京地質(zhì)儀器廠(chǎng)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80 年代產(chǎn)品，使用簡(jiǎn)單方便。但受當時(shí)技術(shù)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(dòng)測量與定點(diǎn)觀(guān)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。筆者設計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(gè)相同線(xiàn)圈反向串聯(lián)而成，以抑制外界干擾。線(xiàn)圈骨架中充滿(mǎn)富含氫質(zhì)子的煤油或者水。當儀器進(jìn)行極化時(shí)，線(xiàn)圈通入約1 A的直流電流。在線(xiàn)圈內部會(huì )產(chǎn)生與地磁場(chǎng)方向垂直、大于地磁場(chǎng)幾個(gè)數量級的極化磁場(chǎng)。極化數秒后，氫質(zhì)子磁矩就會(huì )沿著(zhù)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(xiàn)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(xiàn)圈而在線(xiàn)圈兩端產(chǎn)生數微伏的感應電動(dòng)勢，其角頻率與地磁場(chǎng)的關(guān)系

　　ω0=γH0

　　其中： H0為地磁場(chǎng)強度，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，稱(chēng)為旋磁比。對于航空煤油γ=( 2.67513±0.00002)rad/(T.s)。其幅值隨時(shí)間按指數形式衰減，

　　稱(chēng)為自由感應衰減其中µ0為磁導率， n為線(xiàn)圈匝數， A為線(xiàn)圈截面積， M為質(zhì)子磁化強度， T2為橫向弛豫時(shí)間。自由感應衰減信號如圖1所示。

　　此感應信號經(jīng)過(guò)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(chǎng)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(shí)現基本的測量和控制功能外，還要實(shí)現以下功能：可以查詢(xún)測量數據;保存儀器測量時(shí)的日期和時(shí)間;可以定時(shí)完成磁場(chǎng)的自動(dòng)測量;自動(dòng)完成數據的處理與保存;按鍵完成數據顯示、測量曲線(xiàn)顯示、與上位計算機的串行通訊和打印繪圖輸出等;由看門(mén)狗防止程序跑飛;具有溫度監測功能，對儀器進(jìn)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(yè)。

　　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(jìn)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(chǎn)的MSP430F系列超低功耗單片機。 MSP430系列單片機有以下幾個(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(gè)地址空間內。同其他微控制器相比， MSP430系列可以大幅度延長(cháng)電池的使用壽命。

　　MSP430F149單片機主要有以下特點(diǎn)：

　　1)超低功耗結構體系，在1MH z時(shí)鐘頻率時(shí)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(yè)級; 16位精簡(jiǎn)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(gè)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(xiàn)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(lái)檢測電池電量。片內看門(mén)狗定時(shí)器防止程序跑飛。內部溫度二極管用來(lái)測量?jì)x器內部溫度。片內串口可與上位機通訊。外掛DS1302時(shí)鐘芯片，以便定時(shí)采集數據及記錄時(shí)間。外接一片FLASHROM以實(shí)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(cháng)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)強度在短時(shí)間內變化較小，質(zhì)子磁力儀利用這一特性實(shí)現了儀器選頻測量的自動(dòng)跟蹤功能，利用上一次測量的頻率值f(或磁場(chǎng)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(guò)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(gè)繼電器來(lái)實(shí)現256種不同的配諧電容值。