季 偉，趙鶴鳴，喬東海，杜愛民（. 蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院，蘇州 5006；. 中國科學(xué)院 聲學(xué)研究所，北京 0090；. 中國科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所，北京 0009）

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基于DSP28335的質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

季 偉1，趙鶴鳴1，喬東海2，杜愛民3
（1. 蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院，蘇州 215006；2. 中國科學(xué)院 聲學(xué)研究所，北京 100190；3. 中國科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029）

摘要：質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀是依據(jù)質(zhì)子的旋進(jìn)頻率來測量地磁場的儀器。文章在分析了國內(nèi)外質(zhì)子磁力儀發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了以DSP28335為核心的新型質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，著重介紹了數(shù)字控制板的設(shè)計和測頻關(guān)鍵技術(shù)。與以單片機(jī)、PIC為控制芯片的傳統(tǒng)磁力儀不同，新設(shè)計旨在解決現(xiàn)有系統(tǒng)成本高、功能有限和硬件電路復(fù)雜等問題，并完成了原理樣機(jī)的研制。最后在實驗室內(nèi)對關(guān)鍵的測頻技術(shù)進(jìn)行了針對性測試，測量精度達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。

關(guān)鍵詞：質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀；DSP28335；測頻；上位機(jī)軟件

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0　引言

磁法勘探是各種物探方法中理論比較成熟、應(yīng)用時間最早、應(yīng)用范圍最廣的方法。磁法勘探除直接用于尋找磁性礦體外，還廣泛用于固體礦產(chǎn)、石油天然氣構(gòu)造的普查，大地構(gòu)造研究，地質(zhì)填圖，工程地質(zhì)等領(lǐng)域[1]。近年來，隨著微電子技術(shù)與材料科學(xué)的進(jìn)步，磁法勘探的基本設(shè)備——磁力儀和磁力梯度儀的性能也有很大進(jìn)步，進(jìn)而推動了磁法勘探應(yīng)用范圍的擴(kuò)大[2]。

質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀是一種依據(jù)質(zhì)子的旋進(jìn)頻率來測量地磁場強(qiáng)度的儀器，一般由探頭、模擬信號處理電路、控制系統(tǒng)電路等3部分組成。其測量磁場的具體過程如下：在傳感器探頭中，裝滿了含有氫質(zhì)子的液體溶液，氫質(zhì)子的初始狀態(tài)為無規(guī)則排列，當(dāng)施加極化信號后，氫質(zhì)子將沿極化磁場有規(guī)則地排列；極化信號消失后，質(zhì)子將受到地磁場的影響做旋進(jìn)運(yùn)動并在感應(yīng)電路上產(chǎn)生類似正弦信號的、幅度隨時間按指數(shù)衰減的感應(yīng)電動勢，旋進(jìn)的頻率與磁場的大小成正比，通過測量感應(yīng)信號的頻率值即可得到外界磁場的大小。質(zhì)子磁力儀就是根據(jù)這種原理設(shè)計的[3]。

早期的質(zhì)子磁力儀系統(tǒng)大多采用純模擬電路，只有部分控制電路采用少量數(shù)字電路，且所采用的主控芯片多以單片機(jī)、PIC等低端處理器為主。運(yùn)算速度慢、精度不高、外設(shè)資源稀少等缺點限制了質(zhì)子磁力儀的功能擴(kuò)展。近年來，隨著數(shù)字集成芯片的發(fā)展，漸漸有了以FPGA、ARM等高端處理器為核心的控制系統(tǒng)。其中FPGA系統(tǒng)可以完全實現(xiàn)硬件上的等精度測頻，因而被廣泛應(yīng)用，但其成本較高。

本文提出了一種新型的質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀控制系統(tǒng)，采用DSP作為控制系統(tǒng)的核心處理器，使用其片上系統(tǒng)的ECAP（增強(qiáng)捕獲）功能模塊配合相應(yīng)算法進(jìn)行測頻計算。與傳統(tǒng)磁力儀相比，新型磁力儀大大簡化了測頻電路，同時DSP處理器的硬件乘法器也使控制系統(tǒng)的計算速度大幅度提高，而新型的小型集成芯片的應(yīng)用，更使新儀器具有體積小、運(yùn)算速度快、精度高、功耗低、功能多、操作簡便等優(yōu)點。

1　系統(tǒng)硬件電路

新設(shè)計的質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀的硬件系統(tǒng)包括傳感器、模擬板電路、旋進(jìn)頻率測量電路、計算機(jī)控制系統(tǒng)、電源電路等，其總體框圖見圖1。

圖1　質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀硬件總體框圖Fig. 1　The hardware block diagram of proton precession magnetometer

1.1傳感器探頭

為了產(chǎn)生質(zhì)子旋進(jìn)信號，傳感器探頭中需要裝有富含大量氫質(zhì)子的液體，稱作“樣品”，如水、煤油、酒精、甘油等，它是傳感器的核心。樣品通常要選用穩(wěn)定性好、絕緣、對漆包線和絕緣漆無腐蝕、無溶解作用、橫向弛豫時間足夠長的有機(jī)或無機(jī)物質(zhì)[4]，目前最常用的是航空煤油，為了取得更好的極化效果也可以使用幾種液體的混合體。

傳感器探頭的形狀一般為圓柱體，選用無磁性材料加工制作，探頭外殼為全密封結(jié)構(gòu)，同時選用2個反向串聯(lián)的多層空芯線圈作為極化線圈[5]。本設(shè)計采用的傳感器探頭實物如圖2所示。

圖2　傳感器探頭Fig. 2　The sensor prober

1.2模擬電路板

由于質(zhì)子在磁場中旋進(jìn)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢較弱，通常為μV級[6]，且幅值隨時間的推移呈指數(shù)衰減，所以對感應(yīng)信號必須先進(jìn)行放大、整形、鎖相等處理，將其轉(zhuǎn)換成可供數(shù)字控制系統(tǒng)測量的方波信號[7]。這一部分工作由模擬電路板（見圖3）完成。

圖3　模擬電路板Fig. 3　The analog circuit board

1.3計算機(jī)控制系統(tǒng)（控制電路板）

控制電路板是整個質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀的控制核心，也是本文介紹的重點。它主要包括以下功能：

1）控制模擬板的工作流程，進(jìn)而獲得經(jīng)過模擬板放大、整形、鎖相后的方波信號；

2）對模擬板輸出的方波信號進(jìn)行測頻，之后計算出對應(yīng)的磁場值；

3）人機(jī)交互，顯示、存儲并傳輸磁場數(shù)據(jù)至上位機(jī)；

4）提供RTC、GPS等輔助功能。

圖4給出了數(shù)字控制電路板的整體框圖以及其與模擬板之間的關(guān)系。控制系統(tǒng)以DSP28335為主控芯片，包含測頻模塊、存儲模塊、串口模塊、顯示模塊、RTC模塊、GPS模塊和按鍵模塊。

圖4　數(shù)字控制電路板整體框圖Fig. 4　The overall block diagram of control board

1.3.1主控芯片

本設(shè)計選用TI公司的DSP28335作為控制核心。相比于單片機(jī)、PIC等低端處理器，它具有精度高，外設(shè)豐富便于功能擴(kuò)展，數(shù)據(jù)及程序存儲量大等優(yōu)點[8]；相比于ARM，DSP芯片可實現(xiàn)等精度測頻，且不需要額外的同步控制電路；相比于FPGA，DSP芯片可通過ECAP功能配合相應(yīng)的算法實現(xiàn)等精度測頻，且成本大大降低。

1.3.2測頻模塊

測頻主要由DSP28335片上系統(tǒng)的ECAP功能獨(dú)立完成，無需除芯片以外其他的同步電路，簡化了電路設(shè)計。ECAP能夠捕獲外部輸入引腳的電平變化，其功能如圖5所示。

圖5　ECAP捕獲功能示意Fig. 5　Schematic diagram of function ECAP

本設(shè)計基于ECAP功能實現(xiàn)了對單周期測頻法的改進(jìn)，即通過測量多個單周期計數(shù)并經(jīng)過設(shè)計的濾波算法進(jìn)行后期處理來得到準(zhǔn)確的計數(shù)值，實現(xiàn)了等精度測頻。單次測頻的具體過程如下：

當(dāng)捕獲單元捕獲到信號的上升沿時，準(zhǔn)確記錄下此時定時器的計數(shù)值Tn1，當(dāng)再次遇到上升沿后，再將此時的定時器值保存至Tn2，則當(dāng)前標(biāo)頻周期計數(shù)值TN為Tn2-Tn1。假設(shè)此時定時器頻率（標(biāo)頻）設(shè)置為RHz，顯然被測信號的頻率為R/TN。因為用于產(chǎn)生標(biāo)頻的是獨(dú)立的專門配合ECAP的硬件定時器，完全以被測信號上升沿作為計數(shù)同步信號，解決了標(biāo)頻計數(shù)與被測信號不同步的問題。其他處理器要做到這一點往往需要額外的同步控制電路，而DSP28335并不需要，這也是選擇該芯片的重要原因之一。在規(guī)定的閘門時間（約500ms）內(nèi)連續(xù)測量多個周期計數(shù)值TN，最終通過設(shè)計的正態(tài)濾波算法（具體過程不在本文論述）得到本次的標(biāo)頻計數(shù)值，進(jìn)而得到本次測量的頻率值。本設(shè)計中標(biāo)頻定時器的頻率被設(shè)定為150MHz，遠(yuǎn)大于被測旋進(jìn)信號的頻率范圍（約超10000倍）。理論上頻率值精度可以達(dá)到小數(shù)點后4位。

1.4存儲模塊

與傳統(tǒng)磁力儀通過FLASH存儲數(shù)據(jù)不同。為了方便數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移，本設(shè)計提供了USB接口，可用于連接USB設(shè)備進(jìn)行存儲操作，USB接口電路如圖6所示。

圖6　USB接口電路Fig. 6　USB interface circuit

1.5RTC模塊

RTC時鐘模塊主要用于實時記錄測量磁場時當(dāng)?shù)氐臅r間，本設(shè)計使用的RTC芯片為DS1307，可以提供秒、分、小時等信息[9]。RTC模塊電路如圖7所示。

圖7　RTC模塊電路圖Fig. 7　The RTC circuit diagram

1.6串口模塊

質(zhì)子磁力儀和PC上位機(jī)的通信方式有很多，如USB、串口、網(wǎng)口等。本設(shè)計的質(zhì)子磁力儀將串口作為通信接口。串口模塊電路如圖8所示。

圖8　串口電路圖Fig. 8　Serial interface circuit diagram

2　系統(tǒng)程序設(shè)計

系統(tǒng)程序設(shè)計總體上分為2部分：1）下位機(jī)程序設(shè)計，即控制板的程序設(shè)計；2）上位機(jī)程序設(shè)計，即PC軟件程序設(shè)計。

從圖9控制板程序流程可看出，系統(tǒng)上電經(jīng)過必要的初始化工作后就進(jìn)入人機(jī)交互界面，這里用戶根據(jù)液晶屏提示的信息通過按鍵選擇進(jìn)入相應(yīng)的工作模式。主要有以下4種工作模式：

1）磁場測量，測量磁場并讀取RTC的時間信息顯示；

2）磁場測量（含實時存儲），除了1）中的功能以外每次測量后將數(shù)據(jù)保存在U盤或其他USB設(shè)備中；

3）噪聲測試，專用于野外測試時測量外界干擾信號；

4）數(shù)據(jù)傳輸，通過串口向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)或接收上位機(jī)的控制命令。

圖9　控制板程序流程Fig. 9　The flow chart of the program of the control board

上位機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制軟件采用QT開發(fā)平臺，主要提供以下功能：

1）磁場數(shù)據(jù)以及測試時間的實時顯示；

2）數(shù)據(jù)文件（txt格式）的存儲與打開；

3）根據(jù)磁場數(shù)據(jù)動態(tài)繪制曲線。

軟件的操作界面如圖10所示。

圖10　PC軟件操作界面Fig. 10　PC software interface

3　關(guān)鍵技術(shù)的測試與結(jié)果分析

數(shù)字控制板的核心功能就是對旋進(jìn)信號經(jīng)過濾波、放大、整形之后的方波信號的頻率進(jìn)行測量。因為旋進(jìn)信號頻率的測量精度將直接影響最后磁感應(yīng)強(qiáng)度的測量精度[10]，所以在實驗室內(nèi)專門進(jìn)行了測頻技術(shù)的測試（見圖11）。首先在探頭周圍纏繞上線圈（非極化線圈）；再將其放入白色屏蔽筒（屏蔽外界所有磁場信號）當(dāng)中；將線圈引出屏蔽筒接在波形發(fā)生器上，通過波形發(fā)生器產(chǎn)生幅度為60mV的不同頻率的正弦波來模擬不同地點的旋進(jìn)信號。

圖11　在實驗室測量旋進(jìn)信號頻率量Fig. 11　Precession signal measurement in laboratory

測試時，用波形發(fā)生器分別產(chǎn)生2000、3000 和4000Hz的正弦信號來模擬3個不同地點的旋進(jìn)信號。質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀的磁場數(shù)據(jù)輸出頻率為0.5Hz，即每2s輸出1個數(shù)據(jù)。每次實驗時間約為30min。

根據(jù)公式B=2πf/γp（其中γp為旋磁比，是一個不變的常量，對于質(zhì)子，2π/γp約為23.4874），將測得的質(zhì)子系統(tǒng)旋進(jìn)頻率f轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強(qiáng)度B，結(jié)果如圖12～圖14所示。2000、3000和4000Hz的旋進(jìn)頻率對應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度理論值分別為46974.8、70462.2和93949.6nT。從圖可看出，3次測量的結(jié)果與理論值相差僅約1nT，轉(zhuǎn)換成頻率值則與波形發(fā)生器的標(biāo)準(zhǔn)輸出值相差約為0.04Hz。這說明，該系統(tǒng)在測量精度上達(dá)到了國內(nèi)先進(jìn)水平。

圖12　磁場測試值（2000Hz）Fig. 12　Test data of the geomagnetic field(2000Hz)

圖13　磁場測試值（3000Hz）Fig. 13　Test data of the geomagnetic field(3000Hz)

圖14　磁場測試值（4000Hz）Fig. 14　Test data of the geomagnetic field(4000Hz)

4　結(jié)束語

本文設(shè)計了一種新型質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀控制系統(tǒng)，采用DSP28335作為主控芯片，完成了其框架的設(shè)計和原理樣機(jī)的研制。其測頻電路和方法在保證了測量精度的同時簡化了硬件電路，降低了成本。新型質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀還可以與上位機(jī)軟件進(jìn)行通信，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、動態(tài)曲線顯示以及保存。最后在實驗室內(nèi)對關(guān)鍵測頻技術(shù)進(jìn)行了測試，效果良好。

質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀作為測量未知磁場的重要儀器之一，要想在精度、靈敏度、測量速度、工作溫度等指標(biāo)上都達(dá)到最優(yōu)絕非一件易事，仍需要深入的探索和研究。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 王應(yīng)吉. 基于MSP430的質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀設(shè)計[D].吉林: 吉林大學(xué)智能儀器與測控技術(shù)研究所, 2006: 1-4

[2] 嚴(yán)興, 柴劍勇, 黃暉, 等. 新型質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 廣東: 廣東省地震局, 2009: 2-6

[3] 黃暉, 柴劍勇, 嚴(yán)興, 等. PIC16F877A在新型質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀中的應(yīng)用[D]. 廣東: 廣東省地震局, 2010: 2-5

[4] 唐雄華. 質(zhì)子旋進(jìn)式分量磁力儀設(shè)計原理[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報: 地球科學(xué)版, 1981(2): 1-5

[5] 張昌達(dá). 量子磁力儀研究和開發(fā)近況[J]. 物探與化探, 2005, 29(4): 283-287 Zhang Changda. Recent advances in the research and development of quantum magnetometers[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2005, 29(4): 283-287

[6] Johnston M J S, Mueller R J, Ware R H, et al. Precision of geomagnetic field measurements in a tectonically active region[J]. J Geomag Geoelectr, 1984, 36: 83-95

[7] Lenz J, Edelstein A S. Magnetic sensors and their applications[J]. Sensors Journal, 2006, 6(3): 631-649

[8] 顧衛(wèi)綱. 手把手教你學(xué)DSP-基于TMS320X281X[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2011: 2-15

[9] 何志偉. 基于MSP430質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀設(shè)計[D]. 長春:吉林大學(xué), 2007: 3-5

[10] 丁玉美, 高西全. 數(shù)字信號處理[M]. 2版. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2006: 121-225

（編輯：許京媛）

Design and implementation of proton precession magnetometer based on DSP28335

Ji Wei1, Zhao Heming1, Qiao Donghai2, Du Aimin3
(1. Electronics and Information Engineering, Soochow University, Suzhou 215006, China; 2. Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 3. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China)

Abstract:The proton precession magnetometer is an instrument based on the proton precession frequency to measure the intensity of the geomagnetic field. According to the current development of the proton magnetometer at home and abroad, a new proton precession magnetometer control system based on the DSP28335 is designed, and the control circuit board and the key technology of the frequency measurement are discussed in detail. Unlike the traditional magnetometers based on the single chip microcomputer or PIC, the new design can solve the problems like the high cost, the limited functionality and the complex hardware circuit. A principle prototype is completed and the frequency measurement technique is tested in the laboratory. The results show that the measurement precision is up to an advanced level in our country.

Key words:proton precession magnetometer; DSP28335; frequency measurement; PC software

作者簡介：季 偉（1990—），男，碩士研究生，專業(yè)研究方向為嵌入式、儀表儀器。E-mail: 739780648@qq.com。

基金項目：國家重大專項: 深部資源探測，01子項目，衛(wèi)星磁測載荷（編號：ZDYZ2012-1-01 81381090）

收稿日期：2015-07-22；修回日期：2016-03-10

DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2016.02.008

中圖分類號：P318.6+3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-1379(2016)02-0158-05