采用TMR探頭的弱磁場高斯計的設計

沈陽儀表科學研究院有限公司 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的設計方案。本方案中的線性TMR芯片構成的探頭具有微功耗、高頻響應、高靈敏度、體積小巧的特點，可以取代傳統的磁通門探頭和EMF低頻交流磁場探頭。以STM8L151單片機、寬帶運算放大器、真有效值轉換IC等構成的外圍電路，配合軟件，在功能、性能、功耗上達到了理想的平衡。方案的最終技術指標為：測量范圍0－20Gs，分辨力1mGs，頻率響應DC－500kHz，工作電流<1mA。本高斯計設計方案充分發揮了TMR的優勢，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

高斯計是用于測量磁場的儀器，又名特斯拉計。在微弱磁場測量領域，目前主要有兩種型式的高斯計：第一種以磁通門技術為測量原理，用途包括：地磁場測量、環境磁場測量、實驗室磁場源校準(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；第二種以電磁感應為原理，用來測量空間環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計沒有通用性，無法整合到一臺儀器中。本設計基于高靈敏度高穩定性TMR磁阻元件，充分利用TMR微功耗、高頻響應、高靈敏度的特點，制成了體積小巧的一體化探頭，再配合外圍電路，構成了交直流一體式弱磁場高斯計，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.硬件電路設計部分

本弱磁場高斯計的的硬件電路部分主要包括電源管理電路、單片機、探頭信號調理、AD轉換器、鍵盤接口、液晶顯示接口等幾部分構成，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現電源穩壓、低電壓報警、輔助電源控制幾個功能。

在電源穩壓部分，因為采用3節干電池供電，因此選用3.0V輸出的LDO芯片做電源穩壓。LDO芯片采用線性穩壓方式，輸出電壓紋波小，可以實現uA級的靜態電流，特別適合測量電路使用。根據低功耗的目標，本設計選用了HT7330穩壓芯片，該芯片的靜態電流典型值為4uA，電壓降典型值為45mV，可以滿足電路部分設計的需要。

低電壓報警部分，通過大阻值電阻對電池供電電壓分壓取樣，再連接到單片機內比較器輸入端，與單片機內部的基準電壓進行比較，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，可進一步降低電能消耗。

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

通過以上的電源管理設計，整機的電源簡潔、實用、穩定，功耗控制靈活有效。

2.2 單片機

本設計中采用的STM8L151超低功耗單片機，是一款8位超低功耗單片機，內部集成高達64k的Flash存儲器和2K字節的EEPROM，以及實時時鐘RTC、多功能定時器、比較器、溫度傳感器、ADC、SPI、IIC、USART等豐富的外設。該單片機內核先進，器采用的哈佛結構、三級流水線和最高16MHz的時鐘頻率保證單片機的強大的處理能力。STM8L151系列單片機可在低至1.65V電源電壓下工作而不損失性能。除了強大的處理能力，低功耗特性也是該單片機的一大亮點。該系列單片機采用了先進的EnergyLite技術，具備多種低功耗模式：如低功耗運行模式、低功耗等待模式、暫停模式等，實現了1uA以下的待機電流。該單片機喚醒速度極快，4μs內即可從從停止模式喚醒，從零功耗切換到全速運行。

在以單片機為核心的低功耗設計中，普遍采用運行+等待的處理模式。即：單片機和電路絕大多數時間處于低功耗待機模式，由外部事件喚醒后完成數據處理操作，結束后再次進入待機模式。整體上，單片機實際運行時間占比極低，通常為1%～2%。雖然運行時功耗可達到數mA，但是平均功耗能然能夠維持在μA數量級上。

本設計還用到了該單片機內部PVD比較器和ADC，用于電池掉電檢測和電池電壓檢測。

2.3 模擬信號調理

模擬信號的最前端為探頭內的線性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切換給直流信號調理電路和交流信號調理電路。

TMR的輸出靈敏度高，但是輸出阻抗為數百kΩ，不適合直接連接AD轉換器，因此直流信號調理電路主要目的是對TMR的輸出信號進行阻抗變換，將TMR的信號轉換為低阻抗信號，降低AD轉換誤差。本設計中選擇的是精密儀表放大器IC—AD623。該芯片能夠將差動輸入信號轉化為單端輸出信號，輸入阻抗極高，精度和溫度特性都十分優秀。

交流信號調理電路需要將交流信號轉化為直流信號，本設計中選用了高精度真有效值轉換IC——LTC1966，該IC的有效帶寬帶到800kHz，且具有155uA的低靜態電流和0.02%的轉換精度，可以滿足本設計的要求。

2.4 模數轉換器

較早的儀器中多采用雙積分式模數轉換芯片，典型的如ICL7135以及ICL7129，通常用于數字面板表應用。最新的ADC芯片通常帶有IIC或者SPI接口與單片機集成是實現更大的靈活性。在本設計中，采用的ADS1248是高集成度的24位精密多功能AD轉換器，數據轉換率最高可達2ksps，輸出數據有效位數可達20位，并且可以實現單周期穩定。ADS1248內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。芯片內部集成的精密電壓基準實現了最大10ppm的溫度穩定性，這在一般的ADC芯片中是不多見的。ADS1248的數字電源和模擬電源相互獨立，電源范圍為：2.7V～5.25V，特別適合與當前流行的3.3V低壓單片機接口。

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的高數據轉換率和單周期穩定的特性，僅利用1%～2%的時間即可完成測量，其余時間ADC處于休眠狀態。

2.5 液晶驅動芯片

本設計中采用了具有極低功耗的動態液晶驅動芯片BU9792。該芯片相比廣泛使用的HT1621芯片，功耗降低了10倍以上，真正實現了uA級的液晶驅動電流。傳統電池供電的儀器儀表，由于液晶片處于全時點亮狀態，因此液晶驅動IC的電流不可忽略，典型的HT1621的耗電值為60～90uA。BU9792芯片通過合理的優化，使得耗電降低到7.5uA。由于其優異的低功耗特性，目前該芯片在三表應用特別廣泛。

3.軟件設計

軟件設計也是本設計的重要組成部分。合理的硬件選型為軟件設計優化奠定了堅實的基礎，使得軟件部分先進、簡潔、高效、靈活、穩定。

3.1 外圍芯片電源控制

在單片機待機期間，需要將外圍電路的電源關閉。模擬部分電路由單片機IO口控制MOS開關管關閉電壓輸出。數字電路部分由單片機的IO口之家輸出低電平關閉電源。另外還要處理好與外圍芯片的IO口線電平，根據需要設置為高低電平，防止IO口線產生漏電流。經過電源控制后外圍芯片器在單片機待機狀態下的耗電完全可以忽略不計。

3.2 單片機低功耗模式的利用

本設計充分利用了STM8L151單片機的低功耗特性，與外圍芯片的電源控制綜合，實現最小的功率消耗。在模擬電路、ADC電路工作和測量期間，單片機處于待機狀態，基本上不耗電。此時電路電流消耗主要來自于模擬電路。一旦ADC轉換完成，單片機會受到中斷信號，該信號可喚醒單片機。彈片式被喚醒以后，立即關閉外圍模擬電路，然后讀取ADC的數據轉換結果，之后配置ADC為休眠狀態。最后單片機進行數據處理后，將數據發送到液晶驅動IC，而后自身進入待機狀態。

3.3 按鍵電路的低功耗設計

本設計中的按鍵較少，僅有4個，因此直接連接到單片機的通用IO口。將單片機的IO口設置為輸入功能，使能上拉電阻，同時使能下降沿中斷。按鍵未被按下時，IO口線為高電平。一旦按鍵被按下，將產生中斷并喚醒待機中的單片機。單片機被喚醒后，啟動按鍵去抖處理，并執行相關子程序。待按鍵處理子程序結束運行后，單片機依舊進入待機狀態。

3.4 軟件定時關機

軟件定時關機是智能儀器一種常用的功能，可以避免由于用戶疏忽導致的電量耗盡的情況。本設計中利用了單片機內部的低功耗RTC定時器產生基礎秒定時，再通過定時中斷計數累加的方式實現更長時間的定時。RTC定時器使用的是低功耗的內部38kHzRC時鐘振蕩器，在連續運行模式下的功耗也極低。

定時關機時間可以由用戶選擇以滿足不同應用場合的需要，最長可達24小時。

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，會導致漏液腐蝕儀器。如果是可充電電池，則可能導致電池永久損壞。在軟件設計中，通過片內ADC定時檢測電池電壓情況，判斷出電池的當前電壓值是否處于合適的范圍。一旦電池電壓過低，立即觸發聲光報警，提示用戶更換電池。同時，還啟動關機定時器，5分鐘后強制關機。

4.樣機性能測試

本設計的樣機設計完成后，通過標準磁場標定后進行了測試驗證。測試結果表明樣機均達到了預訂的設計目標。其主要技術參數如下：

（1）被測磁場范圍：0～±30Gs，分辨力：1mGs

（2）交流頻率響應：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7號AAA電池

（6）平均電流：約100uA

（7）電池壽命：＞3000小時

5.設計總結

本交直流弱磁場高斯計經過精心的硬件和軟件設計，借助TMR元件的優異性能，圓滿達到了預訂的設計目標。

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