基于DSP28335的質子旋進式磁力儀控制系統設計與實現

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

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基于DSP28335的質子旋進式磁力儀控制系統設計與實現

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

摘要：質子旋進式磁力儀是依據質子的旋進頻率來測量地磁場的儀器。文章在分析了國內外質子磁力儀發展現狀的基礎上，提出了以DSP28335為核心的新型質子旋進式磁力儀控制系統的設計方案，著重介紹了數字控制板的設計和測頻關鍵技術。與以單片機、PIC為控制芯片的傳統磁力儀不同，新設計旨在解決現有系統成本高、功能有限和硬件電路復雜等問題，并完成了原理樣機的研制。最后在實驗室內對關鍵的測頻技術進行了針對性測試，測量精度達到國內先進水平。

關鍵詞：質子旋進式磁力儀；DSP28335；測頻；上位機軟件

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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、應用時間最早、應用范圍最廣的方法。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、石油天然氣構造的普查，大地構造研究，地質填圖，工程地質等領域[1]。近年來，隨著微電子技術與材料科學的進步，磁法勘探的基本設備——磁力儀和磁力梯度儀的性能也有很大進步，進而推動了磁法勘探應用范圍的擴大[2]。

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

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

本文提出了一種新型的質子旋進式磁力儀控制系統，采用DSP作為控制系統的核心處理器，使用其片上系統的ECAP（增強捕獲）功能模塊配合相應算法進行測頻計算。與傳統磁力儀相比，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的計算速度大幅度提高，而新型的小型集成芯片的應用，更使新儀器具有體積小、運算速度快、精度高、功耗低、功能多、操作簡便等優點。

1　系統硬件電路

新設計的質子旋進式磁力儀的硬件系統包括傳感器、模擬板電路、旋進頻率測量電路、計算機控制系統、電源電路等，其總體框圖見圖1。

圖1　質子旋進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

為了產生質子旋進信號，傳感器探頭中需要裝有富含大量氫質子的液體，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或無機物質[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構，同時選用2個反向串聯的多層空芯線圈作為極化線圈[5]。本設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

由于質子在磁場中旋進所產生的感應電動勢較弱，通常為μV級[6]，且幅值隨時間的推移呈指數衰減，所以對感應信號必須先進行放大、整形、鎖相等處理，將其轉換成可供數字控制系統測量的方波信號[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計算機控制系統（控制電路板）

控制電路板是整個質子旋進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，進而獲得經過模擬板放大、整形、鎖相后的方波信號；

2）對模擬板輸出的方波信號進行測頻，之后計算出對應的磁場值；

3）人機交互，顯示、存儲并傳輸磁場數據至上位機；

4）提供RTC、GPS等輔助功能。

圖4給出了數字控制電路板的整體框圖以及其與模擬板之間的關系。控制系統以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

本設計選用TI公司的DSP28335作為控制核心。相比于單片機、PIC等低端處理器，它具有精度高，外設豐富便于功能擴展，數據及程序存儲量大等優點[8]；相比于ARM，DSP芯片可實現等精度測頻，且不需要額外的同步控制電路；相比于FPGA，DSP芯片可通過ECAP功能配合相應的算法實現等精度測頻，且成本大大降低。

1.3.2測頻模塊

測頻主要由DSP28335片上系統的ECAP功能獨立完成，無需除芯片以外其他的同步電路，簡化了電路設計。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

本設計基于ECAP功能實現了對單周期測頻法的改進，即通過測量多個單周期計數并經過設計的濾波算法進行后期處理來得到準確的計數值，實現了等精度測頻。單次測頻的具體過程如下：

當捕獲單元捕獲到信號的上升沿時，準確記錄下此時定時器的計數值Tn1，當再次遇到上升沿后，再將此時的定時器值保存至Tn2，則當前標頻周期計數值TN為Tn2-Tn1。假設此時定時器頻率（標頻）設置為RHz，顯然被測信號的頻率為R/TN。因為用于產生標頻的是獨立的專門配合ECAP的硬件定時器，完全以被測信號上升沿作為計數同步信號，解決了標頻計數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。在規定的閘門時間（約500ms）內連續測量多個周期計數值TN，最終通過設計的正態濾波算法（具體過程不在本文論述）得到本次的標頻計數值，進而得到本次測量的頻率值。本設計中標頻定時器的頻率被設定為150MHz，遠大于被測旋進信號的頻率范圍（約超10000倍）。理論上頻率值精度可以達到小數點后4位。

1.4存儲模塊

與傳統磁力儀通過FLASH存儲數據不同。為了方便數據的轉移，本設計提供了USB接口，可用于連接USB設備進行存儲操作，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地的時間，本設計使用的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

質子磁力儀和PC上位機的通信方式有很多，如USB、串口、網口等。本設計的質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　系統程序設計

系統程序設計總體上分為2部分：1）下位機程序設計，即控制板的程序設計；2）上位機程序設計，即PC軟件程序設計。

從圖9控制板程序流程可看出，系統上電經過必要的初始化工作后就進入人機交互界面，這里用戶根據液晶屏提示的信息通過按鍵選擇進入相應的工作模式。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據保存在U盤或其他USB設備中；

3）噪聲測試，專用于野外測試時測量外界干擾信號；

4）數據傳輸，通過串口向上位機發送數據或接收上位機的控制命令。

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

上位機數據采集與控制軟件采用QT開發平臺，主要提供以下功能：

1）磁場數據以及測試時間的實時顯示；

2）數據文件（txt格式）的存儲與打開；

3）根據磁場數據動態繪制曲線。

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　關鍵技術的測試與結果分析

數字控制板的核心功能就是對旋進信號經過濾波、放大、整形之后的方波信號的頻率進行測量。因為旋進信號頻率的測量精度將直接影響最后磁感應強度的測量精度[10]，所以在實驗室內專門進行了測頻技術的測試（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）當中；將線圈引出屏蔽筒接在波形發生器上，通過波形發生器產生幅度為60mV的不同頻率的正弦波來模擬不同地點的旋進信號。

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

測試時，用波形發生器分別產生2000、3000 和4000Hz的正弦信號來模擬3個不同地點的旋進信號。質子旋進式磁力儀的磁場數據輸出頻率為0.5Hz，即每2s輸出1個數據。每次實驗時間約為30min。

根據公式B=2πf/γp（其中γp為旋磁比，是一個不變的常量，對于質子，2π/γp約為23.4874），將測得的質子系統旋進頻率f轉換為磁感應強度B，結果如圖12～圖14所示。2000、3000和4000Hz的旋進頻率對應的磁感應強度理論值分別為46974.8、70462.2和93949.6nT。從圖可看出，3次測量的結果與理論值相差僅約1nT，轉換成頻率值則與波形發生器的標準輸出值相差約為0.04Hz。這說明，該系統在測量精度上達到了國內先進水平。

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　結束語

本文設計了一種新型質子旋進式磁力儀控制系統，采用DSP28335作為主控芯片，完成了其框架的設計和原理樣機的研制。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。新型質子旋進式磁力儀還可以與上位機軟件進行通信，從而實現數據的實時采集、動態曲線顯示以及保存。最后在實驗室內對關鍵測頻技術進行了測試，效果良好。

質子旋進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、工作溫度等指標上都達到最優絕非一件易事，仍需要深入的探索和研究。

參考文獻（References）

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[10] 丁玉美, 高西全. 數字信號處理[M]. 2版. 西安: 西安電子科技大學出版社, 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

文獻標志碼：A

文章編號：1673-1379(2016)02-0158-05