基于MSP430的质子旋进式磁力仪设计

摘要：

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。给出了质子旋进磁力仪的工作原理及系统的硬件框图，对质子旋进信号的配谐和放大作出了说明，设计了对信号分频测量其周期的高精度间接测磁方法，指出了单片机软件开发的要点。与CZM-2型质子旋进式磁力仪相比，该设计功耗低，稳定性强，精度较高，野外实测待机电流0.8mA，最大误差0.5nT.

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µ₀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250µA工作电流，待机电流为0.1µA；

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