便携式三分量磁场测量模块

王旭，陈凯，芦勇健，尹曜田

(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)

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。

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。

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 MagDAS-03组成部件

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

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 硬件原理框

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

表2 ADS1282参数

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 MagDAS-03电源拓扑结构

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 时钟同步原理

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 MCU程序框图

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 软件主界面(a)状态查询(b)设置界面(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 软件控制界面(a)数值显示(b)波形显示(c)

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

图8 噪声时域波形

图9 本底噪声功率谱密度

表3 本底噪声有效值及动态范围

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

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 MagDAS-03带宽测试

表5 Spectramag-6和MagDAS-03性能对比

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。