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物探与化探, 2022, 46(6): 1528-1533 doi: 10.11720/wtyht.2022.1463

方法研究·信息处理·仪器研制

便携式三分量磁场测量模块

王旭,1, 陈凯1, 芦勇健2, 尹曜田,1

1.中国地质大学(北京) 地球物理与信息技术学院,北京 100083

2.齐鲁空天信息研究院,山东 济南 250000

Portable three-component magnetic field measurement module

WANG Xu,1, CHEN Kai1, LU Yong-Jian2, YIN Yao-Tian,1

1. School of Geophysics and Information Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China

2. Qilu Aerospace Information Research Institute,Jinan 250000,China

通讯作者: 尹曜田(1986-),男,副教授,主要从事电磁法勘探技术相关研究工作。Email:yyt86@163.com

责任编辑: 王萌

收稿日期: 2021-08-20   修回日期: 2022-06-12  

基金资助: 国家自然科学基金项目“海底MT的运动海水电磁噪声分离方法研究”(41804071)

Received: 2021-08-20   Revised: 2022-06-12  

作者简介 About authors

王旭(1998-),男,主要从事地球物理仪器开发及应用工作。Email:3466604515@qq.com

摘要

高精度磁场测量模块主要用于地质、地球物理、国防等科学领域。现有的三分量磁场测量模块存在便携性差(需要连接PC交互)、本底噪声水平高、续航时间短等不足。针对现有磁场测量模块的不足,对便携式三分量磁场测量模块进行研发,研制了高精度数据模块,开发了Android手机端控制程序,并进行了性能指标测试。测量模块支持Android手机端交互,具有本底噪声水平低(动态范围>121dB@fs=1 000 Hz)、同步精度高(时间漂移±0.87 ms/day)、续航时间长(可连续工作一周)、扩展性强(支持多种磁通门传感器)的特点。便携式三分量磁场测量模块设计便携、简单易用,适合野外测试使用。

关键词： 低功耗; 低噪声; 时钟同步

Abstract

The high-precision magnetic field measurement module is mainly used in the scientific fields such as geology, geophysics, and national defense. However, the existing three-component magnetic field measurement module suffers poor portability (requiring a PC for data acquisition), large background noise, and short operating time. Therefore, this study developed a portable three-component magnetic field measurement module:a high-precision data measurement module and an Android control program. The test results show that the measurement module supports the interactive control using Android mobile phones and enjoys the advantages of low background noise (dynamic range>121dB@fs=1,000Hz), high clock synchronization precision (time drift±0.87 ms/day), long operating time (for one-week continuous work), and high scalability (supporting multiple fluxgate sensors).Portable three-component magnetic field mesurement module is portable,simpk and easy to use,suitable for field testing.

Keywords： low power consumption; low noise; clock synchronization

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本文引用格式

王旭, 陈凯, 芦勇健, 尹曜田. 便携式三分量磁场测量模块[J]. 物探与化探, 2022, 46(6): 1528-1533 doi:10.11720/wtyht.2022.1463

WANG Xu, CHEN Kai, LU Yong-Jian, YIN Yao-Tian. Portable three-component magnetic field measurement module[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2022, 46(6): 1528-1533 doi:10.11720/wtyht.2022.1463

0 引言

高精度磁感应强度的测量一直是地球物理学家追求的目标,主要用于地质、地球物理、国防等领域。英国Bartington公司的Spectramag-6测量模块可搭配磁通门测量,支持6通道24位高精度数据采集,是目前主流的三轴磁通门测量仪器,但需要通过PC端交互,难以满足野外便携的应用场景,无法实现多台仪器同步采集,时间一致性方面不够完善,整机功耗(约9 W)较大。

张健[1]、刘斯等[2]、孙希[3]、杨圆圆[4]研制的高分辨度磁强计信号采集系统支持24位A/D采集,三通道噪声约为27.184 pT/Hz,采用液晶屏显示,具有高分辨率、高性价比的优势。李松鹤等[5]、翁孟超等[6]、李艳[7]、廉征环[8]研制的双三分量24位磁通门传感器采集系统续航时间长,集成度高。杨鹏飞等[9]、章志涛[10]、梁洪勇[11]、王一等[12]、王超[13]研制的基于三端式磁通门传感器的弱磁测量采集系统线性度好,谐波小,适合低频弱磁场信号测量。蔡璨[14]、李庆等[15]、周逢道[16]针对未爆弹探测研制的一种基于高分辨度磁通门传感器的同步采集系统,采用32位A/D采集芯片,配合数字滤波及斩波稳零技术,测量精度相比于24位采集卡提高1倍以上,噪声低于5 μVrms,时间一致性较好。以上国外引进及国内自主研发的地磁采集系统,在推动地球物理勘探、国防安全等领域发展中起到了重要作用。

综合以上国内外同行研究成果,针对野外便携应用场景,现有的测量仪器在以下方面还存在升级空间:①野外测量时间长,现有测量模块功耗较大;②现有测量模块体积较大,便携性不够;③难以满足分布式测量,时间同步功能有待完善。借鉴国内外同行先进成果,研制了便携式三分量磁场测量模块MagDAS-03。主要在以下3方面开展工作:①低功耗方面,采用低功耗设计,如低功耗ADC、MCU及磁通门传感器,高效率电源管理技术;②高精度时间同步方面,引入GPS授时和高精度温补晶振本地守时技术,实现多台测量模块之间的时间一致性;③便携性方面,硬件上增加Wifi模块,软件上开发了手机端应用程序,实现人机交互。

1 硬件设计

MagDAS-03组成部件图如图1所示,由磁通门传感器、采集模块和手机组成,磁通门传感器将采集到的磁信号转换成电信号传递给采集模块,采集模块对电信号进行数据采集及存储,手机端通过Wifi控制采集启停、采集参数设置及实时数据显示。

图1

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图1   MagDAS-03组成部件

Fig.1   Picture of MagDAS-03 component


1.1 磁通门传感器

常见弱磁传感器包括感应式线圈、SQUID、光泵、质子、SERF等多种类型,综合考虑噪声、量程、体积、功耗、成本等因素,选择高精度磁通门作为磁传感器。相比其他类型传感器,磁通门具有低噪声、大量程、小体积、低功耗等优势。MagDAS-03兼容Bartington仪器公司的Mag-13、Mag-03等多种磁通门。MagDAS-03采用Mag-13磁通门对磁场强度进行测量。Mag-13探头可对静磁场、时变磁场进行高精度低噪声的测量,具有更大的带宽、更高的精度和更低的内部噪声,且体积、质量与Mag-03接近,便携轻便。Mag-13磁通门传感器参数如表1所示。

表1   Mag-13磁通门传感器参数

Table 1  Fluxgate sensor parameters of Mag-13

参数测量范围
-3dB带宽DC~3k Hz
噪声<4 pT/Hz@1Hz
功耗1140 mW(+65 mA@12V, -30 mA@-12V)
量程±60~±1000 μT
线性度15 ppm
体积32(L)mm×32(W)mm×225(H)mm

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1.2 数据采集模块

围绕低噪声、大动态范围、低功耗、时间同步及便携使用的要求,研制的采集模块内部集成电源模块、ADC模块、CPLD模块和MCU模块,硬件原理框图如图2所示。

图2

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图2   硬件原理框

Fig.2   Hardwareblock diagram


磁通门将待测的磁场信号转换为电信号传递到采集模块,前端AFE实现信号衰减,输出至A/D,A/D将模拟信号转换为数字信号。CPLD模块通过SPI协议与A/D采集模块及MCU进行通讯,对A/D采集模块配置参数并整合采集数据传输给MCU,同时输出高稳时钟信号至A/D芯片,减小数据漂移、提高测量精度。MCU采用STM32L452VEI6芯片,实现GPS授时、参数设置、状态查询、启停控制、采集存储、Wifi通讯等功能。通过GPS校准时钟信号,由手机端控制对采集模块进行参数的配置、控制采集的启停;通过获取仪器状态可知仪器周围环境温湿度以及剩余电量,满足野外长时间无人看守的作业环境;通过LED指示开机电源、Wifi、GPS和采集电路的工作状态。

1.2.1 低噪声设计

Mag-13磁通门的噪声功率谱密度为4 pT/Hz@1Hz,灵敏度为100 μV/nT,因此电压噪声为400 nV/Hz。采集模块的低噪声从前端运放、A/D模块、参考电源、供电电源、布局布线方面综合设计。电源的质量将直接影响电路的稳定性,为达到更低的本底噪声水平,在电源中加上线性稳压器,提高电源反应速度、减小输出纹波。采用Texas Instruments生产的A/D芯片ADS1282,该芯片具有极低的非线性度和极小的谐波失真。如表2所示,ADS1282芯片在1 000 Hz处的信噪比为124 dB,功耗仅为25 mW。

表2   ADS1282参数

Table 2  Specification of ADS1282

参数名称具体指标
信噪比124dB@1000Hz
分辨率31bits
供电±2.5V
功耗25mW@±2.5V

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1.2.2 低功耗设计

采集模块的低功耗从电源管理及器件选择上综合考虑。图3为MagDAS-03的电源拓扑结构,MCU部分为值班电路,与CPLD、ADC等分开供电,保证仪器在数据采集、信息交互的同时兼备低功耗性能。MagDAS-03在采集存储时,仪器总功耗约为1 800 mW。电池分3组,每组8节,采用4串2并的组合方式,共计24节规格为18650的锂电池,每个独立电池组电压为16.8V,电池组总容量为84 000 mAh,确保仪器在野外能够连续工作一周。

图3

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图3   MagDAS-03电源拓扑结构

Fig.3   Power supply topology structure of MagDAS-03


CPLD采用低功耗芯片MAXⅡ系列EPM570M100I5N,该芯片采用施密特触发器,有效抑制噪声输入,且每个引脚可编程,支持热插拔。MCU采用芯片STM32L452VEI6,该芯片为带有FPU的超低功耗80MHz Arm Cortex-M4 MCU,具有512 RB Flash存储器、USB设备和DFSDM。

1.2.3 时钟同步技术

在观测采集磁场强度时,保证多台仪器的时间一致性。为使时间漂移小于±1 ms/day,一般使用恒温晶振来保证时间同步,但恒温晶振功耗较大,不满足低功耗的设计需求,本文采用DDS配合TCXO微调技术,校正采样时钟并提高时钟同步精度,使稳定度达到±10 ppb,减少时钟校准工作的频度,提高观测数据在时间上的准确性。图4为时钟同步原理, 通过GPS为CPLD提供标准时钟来校准本地时钟,CPLD将DDS提供的时钟与GPS进行对钟得到时钟偏差,STM32得到时钟偏差并依据时钟偏差对DDS进行配置,从而达到时钟同步。

图4

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图4   时钟同步原理

Fig.4   Time synchronization schematic


2 软件设计

软件设计包括MCU程序和Android手机端程序,MCU程序主要实现接收串口命令、解析GPS信息以及数据接收存储功能,基于Android Studio平台开发的Android手机端程序主要实现Wifi通信、参数配置、状态检测和启停控制功能。

2.1 MCU程序

MCU程序框如图5所示,MCU首先进行外设初始化,然后进行FreeRTOS初始化,最后进行任务调度,包含串口命令处理任务、GPS解析任务、数据存储任务、时漂测量任务、电源检测任务和空闲任务。通过解析Wifi模块,获得手机端的传输信号,对仪器进行配置。通过解析GPS信号,产生PPS秒脉冲进行CPLD对钟,获得时钟偏差。MCU根据时钟偏差对DDS进行配置,修正时钟频率。SD卡对A/D的采集数据进行存储。

图5

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图5   MCU程序框图

Fig.5   MCU program diagram


2.2 Android手机端程序

采用Android手机端代替PC机提升便携性,通过Wifi模块与MagDAS-03信息交互,提升了工作人员在野外条件下现场交互效率。

打开MagDAS-03Android手机端软件,主界面显示功能如图6a所示,包括以太网通讯、状态查询、实时波形显示、采集参数配置以及控制采集的启停。状态查询如图6b所示,包括设备ID、采样率、增益、AC/DC输入、设备IP、设备所在经纬度及海拔、电池电压和内存容量。设置界面如图6c所示,包括设备ID配置、采样率设置、增益设置、磁场量程设置和AC/DC输入选择。采样率设置包括250、500、1 000、2 000 Hz;增益可设置为1、2、4、8、16、32、64;磁场量程可设置为70 μT/10V、100 μT/10V、250 μT/10V、500 μT/10 V和1000 μT/10V。

图6

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图6   软件主界面(a)状态查询(b)设置界面(c)

Fig.6   Soft main menu(a),status query(b) and setting interface(c)


控制面板如图7a所示,包括PPS时钟同步、采集启停、Wifi关闭按钮和软件升级按钮,若在软件中关闭,Wifi需要在硬件中按下Wifi按钮才能重启Wifi。在控制面板中按下采集按钮后,MagDAS-03开始采集数据,并将数据通过Wifi以数值形式和波形形式显示在手机端,如图7b和图7c所示,当不需要实时观察数据,关闭Wifi即可降低设备功耗。

图7

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图7   软件控制界面(a)数值显示(b)波形显示(c)

Fig.7   Soft control menu(a),digital mode(b) and waveform mode(c)


3 测试

在MagDAS-03仪器的研发中,测试是验证方案可行性的重要环节。为验证仪器的性能指标,对仪器的量程、本底噪声、动态范围、功耗、带宽等关键指标进行了测试。

3.1 量程测试

量程为采集电路测量的最大信号范围,在测量过程中ADC增益设置为1,信号发生器输出1Hz的正弦波差分信号,输入信号并逐渐增大幅值直至采集波形出现饱和失真,测得量程约为20 Vpp。

3.2 本底噪声及动态范围

MagDAS-03采集电路本底噪声测试,首先输入对地短接,然后进行数据采集,设置采样率为250 Hz,增益为1,采集800 s噪声信号,得到如图8所示的噪声时域波形。采样率分别为250 Hz和1 000 Hz时,各通道的本底噪声有效值及动态范围如表3所示。计算的本底噪声功率谱密度(PSD)可表示其在频率域中的统计特性,从图9可以看出,MagDAS-03采集电路的本底噪声功率谱密度为600 nV/Hz@1Hz。

图8

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图8   噪声时域波形

Fig.8   Noisetime domain waveform


表3   本底噪声有效值及动态范围

Table 3  RMS of self-noise and dynamic range

采样率通道本底噪声有效值动态范围
x2.8740 μV127.82 dB
250 Hzy2.9094 μV127.71 dB
z2.8008 μV128.04 dB
x5.7232 μV121.84 dB
1000 Hzy5.4717 μV122.23 dB
z5.5558 μV122.10 dB

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图9

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图9   本底噪声功率谱密度

Fig.9   Self-noisepower spectral density


3.3 功耗测试

如表4所示,仅采集模块运行时,功耗为600 mW;当GPS、Wifi同时开启并采集数据时,功耗为1 000 mW。在12V电压为MagDAS-03及磁通门传感器供电时,功耗为2 140 mW。

表4   MagDAS-03功耗测试

Table 4  MagDAS-03 power test

工作模式功耗
采集存储600 mW
GPS、Wifi采集存储1000 mW
整机运行2140 mW

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3.4 带宽测试

MCU设置采样率为250 Hz,PGA为1,输入10 Vpp、80 Hz正弦波,以10 Hz为频率步长逐渐增加,到100 Hz附近以1 Hz为频率步长逐渐增加,直至增加到110 Hz,测得带宽约为103 Hz,带宽测试结果如图10所示。对Spectramag-6和MagDAS-03进行性能对比,如表5所示。

图10

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图10   MagDAS-03带宽测试

Fig.10   MagDAS-03 bandwidth test


表5   Spectramag-6和MagDAS-03性能对比

Table 5  Performance comparison between Spectramag-6 and MagDAS-03

Spectramag-6MagDAS-03
通道数63
采样率0.1~10000 Hz250、500、1000、2000 Hz
功耗9W1800 mW
上位机PCAndroid手机端
时间同步无有

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4 结论

结合高精度磁通门Mag-13,三分量磁场测量模块MagDAS-03能够获得精确时间下高精度磁场强度相对变化。测试结果表明,MagDAS-03具有分辨率高、功耗低、噪声小、时间一致性好等优势,且连续工作时间长、设计便携、简单易用,适合野外测试使用。

未来将进一步降低磁场测量模块的本底噪声水平,并搭载4G通信模块,支持采集数据远程实时查看,提高野外磁场测量效率。

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