基于MSP430的质子旋进式磁力仪设计

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。