沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司 張 軍 徐海寧 常 偉 張 娜 張海軍 何 方

文章從硬件和軟件兩個(gè)方面介紹了一種采用TMR磁阻元件作為磁場檢測元件的交直流弱磁場高斯計(jì)的設(shè)計(jì)方案。本方案中的線性TMR芯片構(gòu)成的探頭具有微功耗、高頻響應(yīng)、高靈敏度、體積小巧的特點(diǎn)，可以取代傳統(tǒng)的磁通門探頭和EMF低頻交流磁場探頭。以STM8L151單片機(jī)、寬帶運(yùn)算放大器、真有效值轉(zhuǎn)換IC等構(gòu)成的外圍電路，配合軟件，在功能、性能、功耗上達(dá)到了理想的平衡。方案的最終技術(shù)指標(biāo)為：測量范圍0－20Gs，分辨力1mGs，頻率響應(yīng)DC－500kHz，工作電流<1mA。本高斯計(jì)設(shè)計(jì)方案充分發(fā)揮了TMR的優(yōu)勢，將弱磁場的交直流測量合二為一，為地磁場、ELF磁場的測量開辟了新的途徑。

1.引言

高斯計(jì)是用于測量磁場的儀器，又名特斯拉計(jì)。在微弱磁場測量領(lǐng)域，目前主要有兩種型式的高斯計(jì)：第一種以磁通門技術(shù)為測量原理，用途包括：地磁場測量、環(huán)境磁場測量、實(shí)驗(yàn)室磁場源校準(zhǔn)(亥姆霍茲線圈、螺線管)、巖石弱磁場測量等，所測磁場均為直流磁場；第二種以電磁感應(yīng)為原理，用來測量空間環(huán)境的低頻電磁波輻射，又稱為“EMF”，所測磁場為交流低頻磁場。由于測量原理的差異，使得直流和交流弱磁場的測量需要使用不同的探頭，兩種儀器的測量原理和電路設(shè)計(jì)沒有通用性，無法整合到一臺儀器中。本設(shè)計(jì)基于高靈敏度高穩(wěn)定性TMR磁阻元件，充分利用TMR微功耗、高頻響應(yīng)、高靈敏度的特點(diǎn)，制成了體積小巧的一體化探頭，再配合外圍電路，構(gòu)成了交直流一體式弱磁場高斯計(jì)，大大方便了用戶的使用，也為弱磁場測量開辟了一條新的途徑。

2.硬件電路設(shè)計(jì)部分

本弱磁場高斯計(jì)的的硬件電路部分主要包括電源管理電路、單片機(jī)、探頭信號調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換器、鍵盤接口、液晶顯示接口等幾部分構(gòu)成，主要功能模塊如下：

2.1 電源管理電路

電源管理部分主要實(shí)現(xiàn)電源穩(wěn)壓、低電壓報(bào)警、輔助電源控制幾個(gè)功能。

在電源穩(wěn)壓部分，因?yàn)椴捎?節(jié)干電池供電，因此選用3.0V輸出的LDO芯片做電源穩(wěn)壓。LDO芯片采用線性穩(wěn)壓方式，輸出電壓紋波小，可以實(shí)現(xiàn)uA級的靜態(tài)電流，特別適合測量電路使用。根據(jù)低功耗的目標(biāo)，本設(shè)計(jì)選用了HT7330穩(wěn)壓芯片，該芯片的靜態(tài)電流典型值為4uA，電壓降典型值為45mV，可以滿足電路部分設(shè)計(jì)的需要。

低電壓報(bào)警部分，通過大阻值電阻對電池供電電壓分壓取樣，再連接到單片機(jī)內(nèi)比較器輸入端，與單片機(jī)內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，可以判斷出電池電壓是否過低。該比較器消耗電流不足1uA，對整機(jī)功耗的影響完全可以忽略，另外取樣電路部分為間歇工作模式，可進(jìn)一步降低電能消耗。

輔助電源控制部分，通過單片機(jī)對所有外圍芯片的電源進(jìn)行控制：一種是直接以單片機(jī)的IO口輸出電壓，用于微功耗的芯片或電路，如按鍵、液晶驅(qū)動、模擬開關(guān)等，另外一種是以單片機(jī)的IO口驅(qū)動MOS開關(guān)管，用于電能消耗較大的模擬電路，如TMR供電、運(yùn)算放大器、AD轉(zhuǎn)換器等。相比直接控制的方式，此種方式負(fù)載能力較強(qiáng)，芯片的供電電壓非常接近于電源電壓，且不受單片機(jī)IO口電流輸出能力的限制。

通過以上的電源管理設(shè)計(jì)，整機(jī)的電源簡潔、實(shí)用、穩(wěn)定，功耗控制靈活有效。

2.2 單片機(jī)

本設(shè)計(jì)中采用的STM8L151超低功耗單片機(jī)，是一款8位超低功耗單片機(jī)，內(nèi)部集成高達(dá)64k的Flash存儲器和2K字節(jié)的EEPROM，以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、多功能定時(shí)器、比較器、溫度傳感器、ADC、SPI、IIC、USART等豐富的外設(shè)。該單片機(jī)內(nèi)核先進(jìn)，器采用的哈佛結(jié)構(gòu)、三級流水線和最高16MHz的時(shí)鐘頻率保證單片機(jī)的強(qiáng)大的處理能力。STM8L151系列單片機(jī)可在低至1.65V電源電壓下工作而不損失性能。除了強(qiáng)大的處理能力，低功耗特性也是該單片機(jī)的一大亮點(diǎn)。該系列單片機(jī)采用了先進(jìn)的EnergyLite技術(shù)，具備多種低功耗模式：如低功耗運(yùn)行模式、低功耗等待模式、暫停模式等，實(shí)現(xiàn)了1uA以下的待機(jī)電流。該單片機(jī)喚醒速度極快，4μs內(nèi)即可從從停止模式喚醒，從零功耗切換到全速運(yùn)行。

在以單片機(jī)為核心的低功耗設(shè)計(jì)中，普遍采用運(yùn)行+等待的處理模式。即：單片機(jī)和電路絕大多數(shù)時(shí)間處于低功耗待機(jī)模式，由外部事件喚醒后完成數(shù)據(jù)處理操作，結(jié)束后再次進(jìn)入待機(jī)模式。整體上，單片機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間占比極低，通常為1%～2%。雖然運(yùn)行時(shí)功耗可達(dá)到數(shù)mA，但是平均功耗能然能夠維持在μA數(shù)量級上。

本設(shè)計(jì)還用到了該單片機(jī)內(nèi)部PVD比較器和ADC，用于電池掉電檢測和電池電壓檢測。

2.3 模擬信號調(diào)理

模擬信號的最前端為探頭內(nèi)的線性TMR元件，元件采用3V供電，在10Gs磁場下典型輸出為180mV，相比傳統(tǒng)的霍爾元件，靈敏度提高了幾百倍，即使相比目前廣泛使用的AMR磁阻元件，靈敏度也提高了10倍以上。

TMR輸出信號通過微功耗模擬開關(guān)切換給直流信號調(diào)理電路和交流信號調(diào)理電路。

TMR的輸出靈敏度高，但是輸出阻抗為數(shù)百kΩ，不適合直接連接AD轉(zhuǎn)換器，因此直流信號調(diào)理電路主要目的是對TMR的輸出信號進(jìn)行阻抗變換，將TMR的信號轉(zhuǎn)換為低阻抗信號，降低AD轉(zhuǎn)換誤差。本設(shè)計(jì)中選擇的是精密儀表放大器IC—AD623。該芯片能夠?qū)⒉顒虞斎胄盘栟D(zhuǎn)化為單端輸出信號，輸入阻抗極高，精度和溫度特性都十分優(yōu)秀。

交流信號調(diào)理電路需要將交流信號轉(zhuǎn)化為直流信號，本設(shè)計(jì)中選用了高精度真有效值轉(zhuǎn)換IC——LTC1966，該IC的有效帶寬帶到800kHz，且具有155uA的低靜態(tài)電流和0.02%的轉(zhuǎn)換精度，可以滿足本設(shè)計(jì)的要求。

2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

較早的儀器中多采用雙積分式模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，典型的如ICL7135以及ICL7129，通常用于數(shù)字面板表應(yīng)用。最新的ADC芯片通常帶有IIC或者SPI接口與單片機(jī)集成是實(shí)現(xiàn)更大的靈活性。在本設(shè)計(jì)中，采用的ADS1248是高集成度的24位精密多功能AD轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率最高可達(dá)2ksps，輸出數(shù)據(jù)有效位數(shù)可達(dá)20位，并且可以實(shí)現(xiàn)單周期穩(wěn)定。ADS1248內(nèi)部集成了雙路精密恒流DAC，適合為橋式傳感器提供恒流供電。芯片內(nèi)部集成的精密電壓基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了最大10ppm的溫度穩(wěn)定性，這在一般的ADC芯片中是不多見的。ADS1248的數(shù)字電源和模擬電源相互獨(dú)立，電源范圍為：2.7V～5.25V，特別適合與當(dāng)前流行的3.3V低壓單片機(jī)接口。

ADS1248具有4路差分模擬信號輸入通道，具有1～128倍的低噪聲可編程增益放大器。ADS1248的耗電極低，典型功耗僅為2.56mW。借助于ADS1248的高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率和單周期穩(wěn)定的特性，僅利用1%～2%的時(shí)間即可完成測量，其余時(shí)間ADC處于休眠狀態(tài)。

2.5 液晶驅(qū)動芯片

本設(shè)計(jì)中采用了具有極低功耗的動態(tài)液晶驅(qū)動芯片BU9792。該芯片相比廣泛使用的HT1621芯片，功耗降低了10倍以上，真正實(shí)現(xiàn)了uA級的液晶驅(qū)動電流。傳統(tǒng)電池供電的儀器儀表，由于液晶片處于全時(shí)點(diǎn)亮狀態(tài)，因此液晶驅(qū)動IC的電流不可忽略，典型的HT1621的耗電值為60～90uA。BU9792芯片通過合理的優(yōu)化，使得耗電降低到7.5uA。由于其優(yōu)異的低功耗特性，目前該芯片在三表應(yīng)用特別廣泛。

3.軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)也是本設(shè)計(jì)的重要組成部分。合理的硬件選型為軟件設(shè)計(jì)優(yōu)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使得軟件部分先進(jìn)、簡潔、高效、靈活、穩(wěn)定。

3.1 外圍芯片電源控制

在單片機(jī)待機(jī)期間，需要將外圍電路的電源關(guān)閉。模擬部分電路由單片機(jī)IO口控制MOS開關(guān)管關(guān)閉電壓輸出。數(shù)字電路部分由單片機(jī)的IO口之家輸出低電平關(guān)閉電源。另外還要處理好與外圍芯片的IO口線電平，根據(jù)需要設(shè)置為高低電平，防止IO口線產(chǎn)生漏電流。經(jīng)過電源控制后外圍芯片器在單片機(jī)待機(jī)狀態(tài)下的耗電完全可以忽略不計(jì)。

3.2 單片機(jī)低功耗模式的利用

本設(shè)計(jì)充分利用了STM8L151單片機(jī)的低功耗特性，與外圍芯片的電源控制綜合，實(shí)現(xiàn)最小的功率消耗。在模擬電路、ADC電路工作和測量期間，單片機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，基本上不耗電。此時(shí)電路電流消耗主要來自于模擬電路。一旦ADC轉(zhuǎn)換完成，單片機(jī)會受到中斷信號，該信號可喚醒單片機(jī)。彈片式被喚醒以后，立即關(guān)閉外圍模擬電路，然后讀取ADC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，之后配置ADC為休眠狀態(tài)。最后單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到液晶驅(qū)動IC，而后自身進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

3.3 按鍵電路的低功耗設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的按鍵較少，僅有4個(gè)，因此直接連接到單片機(jī)的通用IO口。將單片機(jī)的IO口設(shè)置為輸入功能，使能上拉電阻，同時(shí)使能下降沿中斷。按鍵未被按下時(shí)，IO口線為高電平。一旦按鍵被按下，將產(chǎn)生中斷并喚醒待機(jī)中的單片機(jī)。單片機(jī)被喚醒后，啟動按鍵去抖處理，并執(zhí)行相關(guān)子程序。待按鍵處理子程序結(jié)束運(yùn)行后，單片機(jī)依舊進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

3.4 軟件定時(shí)關(guān)機(jī)

軟件定時(shí)關(guān)機(jī)是智能儀器一種常用的功能，可以避免由于用戶疏忽導(dǎo)致的電量耗盡的情況。本設(shè)計(jì)中利用了單片機(jī)內(nèi)部的低功耗RTC定時(shí)器產(chǎn)生基礎(chǔ)秒定時(shí)，再通過定時(shí)中斷計(jì)數(shù)累加的方式實(shí)現(xiàn)更長時(shí)間的定時(shí)。RTC定時(shí)器使用的是低功耗的內(nèi)部38kHzRC時(shí)鐘振蕩器，在連續(xù)運(yùn)行模式下的功耗也極低。

定時(shí)關(guān)機(jī)時(shí)間可以由用戶選擇以滿足不同應(yīng)用場合的需要，最長可達(dá)24小時(shí)。

3.5 電池低電檢測

電池過放電會帶來很大的危害。如果是普通一次性電池，會導(dǎo)致漏液腐蝕儀器。如果是可充電電池，則可能導(dǎo)致電池永久損壞。在軟件設(shè)計(jì)中，通過片內(nèi)ADC定時(shí)檢測電池電壓情況，判斷出電池的當(dāng)前電壓值是否處于合適的范圍。一旦電池電壓過低，立即觸發(fā)聲光報(bào)警，提示用戶更換電池。同時(shí)，還啟動關(guān)機(jī)定時(shí)器，5分鐘后強(qiáng)制關(guān)機(jī)。

4.樣機(jī)性能測試

本設(shè)計(jì)的樣機(jī)設(shè)計(jì)完成后，通過標(biāo)準(zhǔn)磁場標(biāo)定后進(jìn)行了測試驗(yàn)證。測試結(jié)果表明樣機(jī)均達(dá)到了預(yù)訂的設(shè)計(jì)目標(biāo)。其主要技術(shù)參數(shù)如下：

（1）被測磁場范圍：0～±30Gs，分辨力：1mGs

（2）交流頻率響應(yīng)：800kHz

（3）顯示方式：41/2位段碼式液晶，帶磁極顯示功能

（4）測量精度：±(2%F.S.+5digit)

（5）供電電源：3節(jié)7號AAA電池

（6）平均電流：約100uA

（7）電池壽命：＞3000小時(shí)

5.設(shè)計(jì)總結(jié)

本交直流弱磁場高斯計(jì)經(jīng)過精心的硬件和軟件設(shè)計(jì)，借助TMR元件的優(yōu)異性能，圓滿達(dá)到了預(yù)訂的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

在若干年前，TMR還只是停留在硬盤中，走向工業(yè)和民用只不過是幾年的事情。隨著科技人員的不斷認(rèn)識與發(fā)掘，TMR元件的應(yīng)用領(lǐng)域會越來越廣泛，具有良好的市場前景。