基于DSP28335的質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

季 偉，趙鶴鳴，喬?hào)|海，杜愛(ài)民（. 蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院，蘇州 5006；. 中國(guó)科學(xué)院 聲學(xué)研究所，北京 0090；. 中國(guó)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

季 偉1，趙鶴鳴1，喬?hào)|海2，杜愛(ài)民3
（1. 蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院，蘇州 215006；2. 中國(guó)科學(xué)院 聲學(xué)研究所，北京 100190；3. 中國(guó)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(lái)測(cè)量地磁場(chǎng)的儀器。文章在分析了國(guó)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(jì)方案，著重介紹了數(shù)字控制板的設(shè)計(jì)和測(cè)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(jì)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(wèn)題，并完成了原理樣機(jī)的研制。最后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)關(guān)鍵的測(cè)頻技術(shù)進(jìn)行了針對(duì)性測(cè)試，測(cè)量精度達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

關(guān)鍵詞：質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀；DSP28335；測(cè)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(shí)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(lái)，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(dòng)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(lái)測(cè)量地磁場(chǎng)強(qiáng)度的儀器，一般由探頭、模擬信號(hào)處理電路、控制系統(tǒng)電路等3部分組成。其測(cè)量磁場(chǎng)的具體過(guò)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(wú)規(guī)則排列，當(dāng)施加極化信號(hào)后，氫質(zhì)子將沿極化磁場(chǎng)有規(guī)則地排列；極化信號(hào)消失后，質(zhì)子將受到地磁場(chǎng)的影響做旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)并在感應(yīng)電路上產(chǎn)生類似正弦信號(hào)的、幅度隨時(shí)間按指數(shù)衰減的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，旋進(jìn)的頻率與磁場(chǎng)的大小成正比，通過(guò)測(cè)量感應(yīng)信號(hào)的頻率值即可得到外界磁場(chǎng)的大小。質(zhì)子磁力儀就是根據(jù)這種原理設(shè)計(jì)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(diǎn)限制了質(zhì)子磁力儀的功能擴(kuò)展。近年來(lái)，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(shí)現(xiàn)硬件上的等精度測(cè)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(cè)頻計(jì)算。與傳統(tǒng)磁力儀相比，新型磁力儀大大簡(jiǎn)化了測(cè)頻電路，同時(shí)DSP處理器的硬件乘法器也使控制系統(tǒng)的計(jì)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(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

1　系統(tǒng)硬件電路

新設(shè)計(jì)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(cè)量電路、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、電源電路等，其總體框圖見(jiàn)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(hào)，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(duì)漆包線和絕緣漆無(wú)腐蝕、無(wú)溶解作用、橫向弛豫時(shí)間足夠長(zhǎng)的有機(jī)或無(wú)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(wú)磁性材料加工制作，探頭外殼為全密封結(jié)構(gòu)，同時(shí)選用2個(gè)反向串聯(lián)的多層空芯線圈作為極化線圈[5]。本設(shè)計(jì)采用的傳感器探頭實(shí)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(chǎng)中旋進(jìn)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較弱，通常為μV級(jí)[6]，且幅值隨時(shí)間的推移呈指數(shù)衰減，所以對(duì)感應(yīng)信號(hào)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(cè)量的方波信號(hào)[7]。這一部分工作由模擬電路板（見(jiàn)圖3）完成。

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

1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（控制電路板）

控制電路板是整個(gè)質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀的控制核心，也是本文介紹的重點(diǎn)。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(guò)模擬板放大、整形、鎖相后的方波信號(hào)；

2）對(duì)模擬板輸出的方波信號(hào)進(jìn)行測(cè)頻，之后計(jì)算出對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)值；

3）人機(jī)交互，顯示、存儲(chǔ)并傳輸磁場(chǎng)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?？刂葡到y(tǒng)以DSP28335為主控芯片，包含測(cè)頻模塊、存儲(chǔ)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(jì)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(chǔ)量大等優(yōu)點(diǎn)[8]；相比于ARM，DSP芯片可實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)頻，且不需要額外的同步控制電路；相比于FPGA，DSP芯片可通過(guò)ECAP功能配合相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)頻，且成本大大降低。

1.3.2測(cè)頻模塊

測(cè)頻主要由DSP28335片上系統(tǒng)的ECAP功能獨(dú)立完成，無(wú)需除芯片以外其他的同步電路，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。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(jì)基于ECAP功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)單周期測(cè)頻法的改進(jìn)，即通過(guò)測(cè)量多個(gè)單周期計(jì)數(shù)并經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的濾波算法進(jìn)行后期處理來(lái)得到準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)值，實(shí)現(xiàn)了等精度測(cè)頻。單次測(cè)頻的具體過(guò)程如下：

當(dāng)捕獲單元捕獲到信號(hào)的上升沿時(shí)，準(zhǔn)確記錄下此時(shí)定時(shí)器的計(jì)數(shù)值Tn1，當(dāng)再次遇到上升沿后，再將此時(shí)的定時(shí)器值保存至Tn2，則當(dāng)前標(biāo)頻周期計(jì)數(shù)值TN為Tn2-Tn1。假設(shè)此時(shí)定時(shí)器頻率（標(biāo)頻）設(shè)置為RHz，顯然被測(cè)信號(hào)的頻率為R/TN。因?yàn)橛糜诋a(chǎn)生標(biāo)頻的是獨(dú)立的專門配合ECAP的硬件定時(shí)器，完全以被測(cè)信號(hào)上升沿作為計(jì)數(shù)同步信號(hào)，解決了標(biāo)頻計(jì)數(shù)與被測(cè)信號(hào)不同步的問(wèn)題。其他處理器要做到這一點(diǎn)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(shí)間（約500ms）內(nèi)連續(xù)測(cè)量多個(gè)周期計(jì)數(shù)值TN，最終通過(guò)設(shè)計(jì)的正態(tài)濾波算法（具體過(guò)程不在本文論述）得到本次的標(biāo)頻計(jì)數(shù)值，進(jìn)而得到本次測(cè)量的頻率值。本設(shè)計(jì)中標(biāo)頻定時(shí)器的頻率被設(shè)定為150MHz，遠(yuǎn)大于被測(cè)旋進(jìn)信號(hào)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(diǎn)后4位。

1.4存儲(chǔ)模塊

與傳統(tǒng)磁力儀通過(guò)FLASH存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不同。為了方便數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移，本設(shè)計(jì)提供了USB接口，可用于連接USB設(shè)備進(jìn)行存儲(chǔ)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(shí)鐘模塊主要用于實(shí)時(shí)記錄測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)當(dāng)?shù)氐臅r(shí)間，本設(shè)計(jì)使用的RTC芯片為DS1307，可以提供秒、分、小時(shí)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(jì)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(jì)

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

從圖9控制板程序流程可看出，系統(tǒng)上電經(jīng)過(guò)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(guò)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(chǎng)測(cè)量，測(cè)量磁場(chǎng)并讀取RTC的時(shí)間信息顯示；

2）磁場(chǎng)測(cè)量（含實(shí)時(shí)存儲(chǔ)），除了1）中的功能以外每次測(cè)量后將數(shù)據(jù)保存在U盤或其他USB設(shè)備中；

3）噪聲測(cè)試，專用于野外測(cè)試時(shí)測(cè)量外界干擾信號(hào)；

4）數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，主要提供以下功能：

1）磁場(chǎng)數(shù)據(jù)以及測(cè)試時(shí)間的實(shí)時(shí)顯示；

2）數(shù)據(jù)文件（txt格式）的存儲(chǔ)與打開(kāi)；

3）根據(jù)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)動(dòng)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(cè)試與結(jié)果分析

數(shù)字控制板的核心功能就是對(duì)旋進(jìn)信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大、整形之后的方波信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)樾M(jìn)信號(hào)頻率的測(cè)量精度將直接影響最后磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量精度[10]，所以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)專門進(jìn)行了測(cè)頻技術(shù)的測(cè)試（見(jiàn)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(chǎng)信號(hào)）當(dāng)中；將線圈引出屏蔽筒接在波形發(fā)生器上，通過(guò)波形發(fā)生器產(chǎn)生幅度為60mV的不同頻率的正弦波來(lái)模擬不同地點(diǎn)的旋進(jìn)信號(hào)。

圖11　在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量旋進(jìn)信號(hào)頻率量Fig. 11　Precession signal measurement in laboratory

測(cè)試時(shí)，用波形發(fā)生器分別產(chǎn)生2000、3000 和4000Hz的正弦信號(hào)來(lái)模擬3個(gè)不同地點(diǎn)的旋進(jìn)信號(hào)。質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)輸出頻率為0.5Hz，即每2s輸出1個(gè)數(shù)據(jù)。每次實(shí)驗(yàn)時(shí)間約為30min。

根據(jù)公式B=2πf/γp（其中γp為旋磁比，是一個(gè)不變的常量，對(duì)于質(zhì)子，2π/γp約為23.4874），將測(cè)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(duì)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(cè)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(shuō)明，該系統(tǒng)在測(cè)量精度上達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

圖12　磁場(chǎng)測(cè)試值（2000Hz）Fig. 12　Test data of the geomagnetic field(2000Hz)

圖13　磁場(chǎng)測(cè)試值（3000Hz）Fig. 13　Test data of the geomagnetic field(3000Hz)

圖14　磁場(chǎng)測(cè)試值（4000Hz）Fig. 14　Test data of the geomagnetic field(4000Hz)

4　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)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(jì)和原理樣機(jī)的研制。其測(cè)頻電路和方法在保證了測(cè)量精度的同時(shí)簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、動(dòng)態(tài)曲線顯示以及保存。最后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)關(guān)鍵測(cè)頻技術(shù)進(jìn)行了測(cè)試，效果良好。

質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀作為測(cè)量未知磁場(chǎng)的重要儀器之一，要想在精度、靈敏度、測(cè)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。

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（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(jiǎn)介：季 偉（1990—），男，碩士研究生，專業(yè)研究方向?yàn)榍度胧健x表儀器。E-mail: 739780648@qq.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重大專項(xiàng): 深部資源探測(cè)，01子項(xiàng)目，衛(wèi)星磁測(cè)載荷（編號(hào)：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(hào)：P318.6+3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-1379(2016)02-0158-05