便攜式三分量磁場(chǎng)測(cè)量模塊

王旭，陳凱，蘆勇健，尹曜田

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.齊魯空天信息研究院，山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

高精度磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量一直是地球物理學(xué)家追求的目標(biāo)，主要用于地質(zhì)、地球物理、國(guó)防等領(lǐng)域。英國(guó)Bartington公司的Spectramag-6測(cè)量模塊可搭配磁通門測(cè)量，支持6通道24位高精度數(shù)據(jù)采集，是目前主流的三軸磁通門測(cè)量?jī)x器，但需要通過(guò)PC端交互，難以滿足野外便攜的應(yīng)用場(chǎng)景，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多臺(tái)儀器同步采集，時(shí)間一致性方面不夠完善，整機(jī)功耗(約9 W)較大。

綜合以上國(guó)內(nèi)外同行研究成果，針對(duì)野外便攜應(yīng)用場(chǎng)景，現(xiàn)有的測(cè)量?jī)x器在以下方面還存在升級(jí)空間：①野外測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，現(xiàn)有測(cè)量模塊功耗較大；②現(xiàn)有測(cè)量模塊體積較大，便攜性不夠；③難以滿足分布式測(cè)量，時(shí)間同步功能有待完善。借鑒國(guó)內(nèi)外同行先進(jìn)成果，研制了便攜式三分量磁場(chǎng)測(cè)量模塊MagDAS-03。主要在以下3方面開(kāi)展工作：①低功耗方面，采用低功耗設(shè)計(jì)，如低功耗ADC、MCU及磁通門傳感器，高效率電源管理技術(shù)；②高精度時(shí)間同步方面，引入GPS授時(shí)和高精度溫補(bǔ)晶振本地守時(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)測(cè)量模塊之間的時(shí)間一致性；③便攜性方面，硬件上增加Wifi模塊，軟件上開(kāi)發(fā)了手機(jī)端應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

1 硬件設(shè)計(jì)

MagDAS-03組成部件圖如圖1所示，由磁通門傳感器、采集模塊和手機(jī)組成，磁通門傳感器將采集到的磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳遞給采集模塊，采集模塊對(duì)電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)，手機(jī)端通過(guò)Wifi控制采集啟停、采集參數(shù)設(shè)置及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。

圖1 MagDAS-03組成部件

1.1 磁通門傳感器

常見(jiàn)弱磁傳感器包括感應(yīng)式線圈、SQUID、光泵、質(zhì)子、SERF等多種類型，綜合考慮噪聲、量程、體積、功耗、成本等因素，選擇高精度磁通門作為磁傳感器。相比其他類型傳感器，磁通門具有低噪聲、大量程、小體積、低功耗等優(yōu)勢(shì)。MagDAS-03兼容Bartington儀器公司的Mag-13、Mag-03等多種磁通門。MagDAS-03采用Mag-13磁通門對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。Mag-13探頭可對(duì)靜磁場(chǎng)、時(shí)變磁場(chǎng)進(jìn)行高精度低噪聲的測(cè)量，具有更大的帶寬、更高的精度和更低的內(nèi)部噪聲，且體積、質(zhì)量與Mag-03接近，便攜輕便。Mag-13磁通門傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 Mag-13磁通門傳感器參數(shù)

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

圍繞低噪聲、大動(dòng)態(tài)范圍、低功耗、時(shí)間同步及便攜使用的要求，研制的采集模塊內(nèi)部集成電源模塊、ADC模塊、CPLD模塊和MCU模塊，硬件原理框圖如圖2所示。

圖2 硬件原理框

磁通門將待測(cè)的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞到采集模塊，前端AFE實(shí)現(xiàn)信號(hào)衰減，輸出至A/D，A/D將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。CPLD模塊通過(guò)SPI協(xié)議與A/D采集模塊及MCU進(jìn)行通訊，對(duì)A/D采集模塊配置參數(shù)并整合采集數(shù)據(jù)傳輸給MCU，同時(shí)輸出高穩(wěn)時(shí)鐘信號(hào)至A/D芯片，減小數(shù)據(jù)漂移、提高測(cè)量精度。MCU采用STM32L452VEI6芯片，實(shí)現(xiàn)GPS授時(shí)、參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)查詢、啟?？刂?、采集存儲(chǔ)、Wifi通訊等功能。通過(guò)GPS校準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，由手機(jī)端控制對(duì)采集模塊進(jìn)行參數(shù)的配置、控制采集的啟停；通過(guò)獲取儀器狀態(tài)可知儀器周圍環(huán)境溫濕度以及剩余電量，滿足野外長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人看守的作業(yè)環(huán)境；通過(guò)LED指示開(kāi)機(jī)電源、Wifi、GPS和采集電路的工作狀態(tài)。

1.2.1 低噪聲設(shè)計(jì)

表2 ADS1282參數(shù)

1.2.2 低功耗設(shè)計(jì)

采集模塊的低功耗從電源管理及器件選擇上綜合考慮。圖3為MagDAS-03的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，MCU部分為值班電路，與CPLD、ADC等分開(kāi)供電，保證儀器在數(shù)據(jù)采集、信息交互的同時(shí)兼?zhèn)涞凸男阅堋agDAS-03在采集存儲(chǔ)時(shí)，儀器總功耗約為1 800 mW。電池分3組，每組8節(jié)，采用4串2并的組合方式，共計(jì)24節(jié)規(guī)格為18650的鋰電池，每個(gè)獨(dú)立電池組電壓為16.8V，電池組總?cè)萘繛?4 000 mAh，確保儀器在野外能夠連續(xù)工作一周。

圖3 MagDAS-03電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CPLD采用低功耗芯片MAXⅡ系列EPM570M100I5N，該芯片采用施密特觸發(fā)器，有效抑制噪聲輸入，且每個(gè)引腳可編程，支持熱插拔。MCU采用芯片STM32L452VEI6，該芯片為帶有FPU的超低功耗80MHz Arm Cortex-M4 MCU，具有512 RB Flash存儲(chǔ)器、USB設(shè)備和DFSDM。

1.2.3 時(shí)鐘同步技術(shù)

在觀測(cè)采集磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，保證多臺(tái)儀器的時(shí)間一致性。為使時(shí)間漂移小于±1 ms/day，一般使用恒溫晶振來(lái)保證時(shí)間同步，但恒溫晶振功耗較大，不滿足低功耗的設(shè)計(jì)需求，本文采用DDS配合TCXO微調(diào)技術(shù)，校正采樣時(shí)鐘并提高時(shí)鐘同步精度，使穩(wěn)定度達(dá)到±10 ppb，減少時(shí)鐘校準(zhǔn)工作的頻度，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)間上的準(zhǔn)確性。圖4為時(shí)鐘同步原理，通過(guò)GPS為CPLD提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘來(lái)校準(zhǔn)本地時(shí)鐘，CPLD將DDS提供的時(shí)鐘與GPS進(jìn)行對(duì)鐘得到時(shí)鐘偏差，STM32得到時(shí)鐘偏差并依據(jù)時(shí)鐘偏差對(duì)DDS進(jìn)行配置，從而達(dá)到時(shí)鐘同步。

圖4 時(shí)鐘同步原理

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括MCU程序和Android手機(jī)端程序，MCU程序主要實(shí)現(xiàn)接收串口命令、解析GPS信息以及數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)功能，基于Android Studio平臺(tái)開(kāi)發(fā)的Android手機(jī)端程序主要實(shí)現(xiàn)Wifi通信、參數(shù)配置、狀態(tài)檢測(cè)和啟?？刂乒δ?。

2.1 MCU程序

MCU程序框如圖5所示，MCU首先進(jìn)行外設(shè)初始化，然后進(jìn)行FreeRTOS初始化，最后進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，包含串口命令處理任務(wù)、GPS解析任務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)、時(shí)漂測(cè)量任務(wù)、電源檢測(cè)任務(wù)和空閑任務(wù)。通過(guò)解析Wifi模塊，獲得手機(jī)端的傳輸信號(hào)，對(duì)儀器進(jìn)行配置。通過(guò)解析GPS信號(hào)，產(chǎn)生PPS秒脈沖進(jìn)行CPLD對(duì)鐘，獲得時(shí)鐘偏差。MCU根據(jù)時(shí)鐘偏差對(duì)DDS進(jìn)行配置，修正時(shí)鐘頻率。SD卡對(duì)A/D的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

圖5 MCU程序框圖

2.2 Android手機(jī)端程序

采用Android手機(jī)端代替PC機(jī)提升便攜性，通過(guò)Wifi模塊與MagDAS-03信息交互，提升了工作人員在野外條件下現(xiàn)場(chǎng)交互效率。

打開(kāi)MagDAS-03Android手機(jī)端軟件，主界面顯示功能如圖6a所示，包括以太網(wǎng)通訊、狀態(tài)查詢、實(shí)時(shí)波形顯示、采集參數(shù)配置以及控制采集的啟停。狀態(tài)查詢?nèi)鐖D6b所示，包括設(shè)備ID、采樣率、增益、AC/DC輸入、設(shè)備IP、設(shè)備所在經(jīng)緯度及海拔、電池電壓和內(nèi)存容量。設(shè)置界面如圖6c所示，包括設(shè)備ID配置、采樣率設(shè)置、增益設(shè)置、磁場(chǎng)量程設(shè)置和AC/DC輸入選擇。采樣率設(shè)置包括250、500、1 000、2 000 Hz；增益可設(shè)置為1、2、4、8、16、32、64；磁場(chǎng)量程可設(shè)置為70 μT/10V、100 μT/10V、250 μT/10V、500 μT/10 V和1000 μT/10V。

圖6 軟件主界面(a)狀態(tài)查詢(b)設(shè)置界面(c)

控制面板如圖7a所示，包括PPS時(shí)鐘同步、采集啟停、Wifi關(guān)閉按鈕和軟件升級(jí)按鈕，若在軟件中關(guān)閉，Wifi需要在硬件中按下Wifi按鈕才能重啟Wifi。在控制面板中按下采集按鈕后，MagDAS-03開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)Wifi以數(shù)值形式和波形形式顯示在手機(jī)端，如圖7b和圖7c所示，當(dāng)不需要實(shí)時(shí)觀察數(shù)據(jù)，關(guān)閉Wifi即可降低設(shè)備功耗。

圖7 軟件控制界面(a)數(shù)值顯示(b)波形顯示(c)

3 測(cè)試

在MagDAS-03儀器的研發(fā)中，測(cè)試是驗(yàn)證方案可行性的重要環(huán)節(jié)。為驗(yàn)證儀器的性能指標(biāo)，對(duì)儀器的量程、本底噪聲、動(dòng)態(tài)范圍、功耗、帶寬等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。

3.1 量程測(cè)試

量程為采集電路測(cè)量的最大信號(hào)范圍，在測(cè)量過(guò)程中ADC增益設(shè)置為1，信號(hào)發(fā)生器輸出1Hz的正弦波差分信號(hào)，輸入信號(hào)并逐漸增大幅值直至采集波形出現(xiàn)飽和失真，測(cè)得量程約為20 Vpp。

3.2 本底噪聲及動(dòng)態(tài)范圍

圖8 噪聲時(shí)域波形

圖9 本底噪聲功率譜密度

表3 本底噪聲有效值及動(dòng)態(tài)范圍

3.3 功耗測(cè)試

如表4所示，僅采集模塊運(yùn)行時(shí)，功耗為600 mW；當(dāng)GPS、Wifi同時(shí)開(kāi)啟并采集數(shù)據(jù)時(shí)，功耗為1 000 mW。在12V電壓為MagDAS-03及磁通門傳感器供電時(shí)，功耗為2 140 mW。

表4 MagDAS-03功耗測(cè)試

3.4 帶寬測(cè)試

MCU設(shè)置采樣率為250 Hz，PGA為1，輸入10 Vpp、80 Hz正弦波，以10 Hz為頻率步長(zhǎng)逐漸增加，到100 Hz附近以1 Hz為頻率步長(zhǎng)逐漸增加，直至增加到110 Hz，測(cè)得帶寬約為103 Hz，帶寬測(cè)試結(jié)果如圖10所示。對(duì)Spectramag-6和MagDAS-03進(jìn)行性能對(duì)比，如表5所示。

圖10 MagDAS-03帶寬測(cè)試

表5 Spectramag-6和MagDAS-03性能對(duì)比

4 結(jié)論

結(jié)合高精度磁通門Mag-13，三分量磁場(chǎng)測(cè)量模塊MagDAS-03能夠獲得精確時(shí)間下高精度磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)變化。測(cè)試結(jié)果表明，MagDAS-03具有分辨率高、功耗低、噪聲小、時(shí)間一致性好等優(yōu)勢(shì)，且連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)計(jì)便攜、簡(jiǎn)單易用，適合野外測(cè)試使用。

未來(lái)將進(jìn)一步降低磁場(chǎng)測(cè)量模塊的本底噪聲水平，并搭載4G通信模塊，支持采集數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看，提高野外磁場(chǎng)測(cè)量效率。