【文章內(nèi)容簡介】 。 10 ? ? ? ，它不受外界因素如溫度、壓力、濕度的影響，并且有 相當(dāng)精確 的測定結(jié)果。 因而，由（ 2）得到， ?? 2 23 4 4 (23) 由該式，可以將磁場的測量轉(zhuǎn)換為探頭傳感器對于穩(wěn)定自由基質(zhì)子自旋頻率的測量。 探頭中感應(yīng)線圈 產(chǎn)生感應(yīng)電動勢信號分析 根據(jù) ，放置線圈使其軸線與 y軸方向一致，由電磁學(xué)公式有 ?? ) (24) 被磁化的研究對象通過接收線圈會產(chǎn)生磁通量，表示為 (25) 此式中， 為線圈匝數(shù)， A 為線圈面積。線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為 ? ?? ?? )+ 1 ?? ) (26) 由于式中括弧內(nèi)兩項之比遠(yuǎn)小于 1，故忽略余弦項，得到 中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 12 ? ?? ?? ) (27) 此式表示感應(yīng)電動勢隨時間呈現(xiàn)周期式變化，其角頻率 ω ，其大小隨著時間按 照指數(shù)規(guī)律衰減，被稱為自由感應(yīng)衰減 （ free induction decay，縮寫為 FID）信號。當(dāng) 、 一定時，感應(yīng)電動勢與時間呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律 （圖 ） 。 圖 感應(yīng)電動勢隨時間衰減 本章小結(jié) 本章首先對質(zhì)子旋進(jìn)現(xiàn)象進(jìn)行了解釋，闡述了溶液中質(zhì)子在自由狀態(tài)下以及 在外場作用下的運(yùn)動規(guī)律，給出了經(jīng)典解釋與量子力學(xué)解釋。在外場作用下溶液 會顯示出順磁特性，質(zhì)子會在沿外場方向上顯出磁性。接著文中詳細(xì)的介紹了對 溶液進(jìn)行極化，在撤掉外場后，質(zhì)子 空間中呈現(xiàn) 螺旋運(yùn)動 形勢衰減。 最后給出了探頭結(jié)構(gòu)以及線圈中感應(yīng)信號的衰減 形式，從理論上研究了整個極化過程以及旋進(jìn)信號特征 。 中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 13 第三章 Overhauser 質(zhì)子磁力儀結(jié)構(gòu)總體設(shè)計 國內(nèi)現(xiàn)有的磁力儀大多 是基于單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計，雖然其滿足 了功耗低、操作簡便等要求，但是可擴(kuò)展性較差、 功能單一，已經(jīng)難以滿足現(xiàn)在越來越高的測量要求。因此，為了使此次設(shè)計的 Overhauser磁力儀具有更加完善的功能，我基于ARM進(jìn)行了儀器結(jié)構(gòu)的設(shè)計。 質(zhì)子磁力儀由于需要在野外使用，因而功耗低、功能強(qiáng)、使用方便、穩(wěn)定性好成為其設(shè)計 所需要實現(xiàn)的主要目標(biāo)。其次，是否具有多樣化的功能也是一臺磁力儀設(shè)計是否優(yōu)秀的重要參考因素。 本章中主要介紹了 Overhauser磁力儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計，具體 設(shè)計了每一個主要的部分，同時給出了大致的設(shè)計電路連接圖作為參考。 儀器總體設(shè)計 圖 Overhauser質(zhì)子磁力儀總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖。 圖 Overhauser磁力儀總體結(jié)構(gòu)框圖 其中，主控 CPU采用低功耗 ARM芯片，頻率測量使用新型 CPLD器件設(shè)計以保證高精度測量。儀器內(nèi)建 GPS模塊，并擴(kuò)展 64M的 EEPROM存儲器。儀器通過 USB接口與PC相連，以進(jìn)行儀器升級、數(shù)據(jù)傳送等操作，同時 USB接口還可以連接 USB設(shè)備，如 U盤、移動硬盤等進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存讀取。設(shè)計存儲卡接口以方便數(shù)據(jù)的存儲與導(dǎo)出。 中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 14 主控 CPU 在本章開頭已經(jīng)講到，磁力儀主要用于野外測量，因而功能強(qiáng)、功耗低是磁力儀設(shè)計的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。因此，我選用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的超低功耗 32位 ARM處理器 STM32L152RB作為主控 CPU[13]。該處理器概述見表 。 表 STM32L152RB芯片概覽 型號 程序存儲器 RAM （ bytes） 數(shù)據(jù)EEPROM(bytes) A/D輸入 類型 容量 STM32L152RB FLASH （ Kbytes） ● 128 16K 4K 20179。 12bit I/O端口（大電流） LVD級別 封裝 供電電壓（ V） 51（ 51） 7 LQFP64/BGA64 ~ 串行接口 定時器功能 2xSPI, 2xI178。C, 3xUSART (IrDa， ISO 7816)， 1xUSB 16bit(IC/OC/PWM) 其他 8179。 16bit（ 16/16/16） SysTick，兩個看門狗， RTC 特殊功能 段式 LCD控制驅(qū)動器， USB，電壓調(diào)節(jié)， MPU，超低功耗振蕩器，硬件 RTC， 6種低功耗模式， 2個比較器，復(fù)位系統(tǒng) +BOR STM32L152RB芯片的主要性能特點如下 : ? ARM CortexM3 32MHz處理器 ? 內(nèi)置 128K字節(jié)閃存， 16K字節(jié) RAM和 4K字節(jié) EEPROM ? 2個子系列：子系列間管腳、軟件和外設(shè)兼容 ? 與 STM32F系列在引腳分布上兼容 (但 STM32L沒有 VBAT引腳 ) ? 超低能耗：低至 185μ A/DMIPS ? 供電電壓：帶低電壓檢測 (BOR)時為 ~(在掉電時可降低至 )，不帶低電壓檢測 (BOR)時為 ~ ? 6種超低功耗模式：功耗最低可達(dá) 270nA ? 超低功耗動態(tài)模式：低功耗運(yùn)行時功耗低至 A，低功耗睡眠且有 1個定時器運(yùn)行時功耗低至 A ? 運(yùn)行模式，代碼從 FLASH執(zhí)行加動態(tài)電壓調(diào)節(jié) (3種模式 )，經(jīng)濟(jì)功耗低達(dá) 中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 15 230μ A/MHz ? 豐富的高端模擬、數(shù)字外設(shè) ? 工作溫度范圍 40176。 C至 +85176。 C 通過以上描述，顯然， STM32L152RB芯片完全滿足 Overhauser質(zhì)子磁力儀的要求，其強(qiáng)大的擴(kuò)展性為在未來進(jìn)一步提升儀器的功能提供了條件。如有需要，完全可以為此儀器設(shè)計一 WIFI或 ZigBee模塊，使其具有無線控制功能，方便測量。ARM芯片強(qiáng)大的處理能力還能滿足簡單的數(shù)據(jù)處理要求。 在具有強(qiáng)大功能的同時， STM32L152RB芯片還具有超低的功耗，可以滿足野外長時間的測量任務(wù)。其功耗數(shù)據(jù)見表 。 表 STM32L152RB芯片功耗數(shù)據(jù) 運(yùn)行模式 STM32L152RB 典型值： 25℃ 典型值： 3V 25℃ 動態(tài)運(yùn)行于 FLASH（模式 1， 2， 3） 286， 265， 230uA/MHz 動態(tài)運(yùn)行于 RAM（模式 1， 2， 3） 270,218,186uA/MHz 運(yùn)行于 RAM低功耗模式 低功耗睡眠模式，使能一個定時器 使能了 RTC的停止模式 沒有使能 RTC的停止模式 使能了 RTC的待機(jī)模式 沒有使能 RTC的待機(jī)模式 可見，該芯片具有相當(dāng)?shù)偷墓摹，F(xiàn)在市面上具有較低功耗的單片機(jī)為 MSP430系列，其中， MSP430F149單片機(jī)工作電流為 250uA/MHz。通過對比，此設(shè)計所使用的 STM32L152RB芯片的功耗近似于或低于市面上的單片機(jī)功耗，因而，該儀器的控制系統(tǒng)功耗將會低于市面上的質(zhì)子磁力儀， ARM芯片先進(jìn)的電源管理系統(tǒng)也有助于降低系統(tǒng)功耗。因此，使用該芯片進(jìn)行設(shè)計完全可行。 系統(tǒng)中，基于 STM32L152RB芯片 設(shè)計的主控板除了要實現(xiàn)基本的測量和控制功能以外，還要能夠?qū)崿F(xiàn)測量數(shù)據(jù)的保存查詢、日期和時間， GPS定位顯示和日歷時鐘校準(zhǔn)，測量模式選擇，數(shù)據(jù)及其曲線顯示，與 PC機(jī)通訊，溫度監(jiān)控，電量檢測等功能。 信號 測量 探頭配諧 Overhauser磁力儀利用 LC并聯(lián)諧振回路進(jìn)行選頻測量 [14]，諧振公式為 12 √ (31) 中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 16 式中： 為 LC諧振回路的中心頻率； L為 Overhauser傳感器探頭的電感值； C為儀器中配諧的電容值。 L和 C相對準(zhǔn)確地配諧，就能使 f諧振在探頭中質(zhì)子旋進(jìn)頻率的附近。因地磁場在短時間內(nèi)變化較小，儀器利用這一特性實現(xiàn)了儀器選頻測量的自動跟蹤，即利用上一次測量的頻率值 (磁場值 T)，計算出下一次選頻測量的配諧電容值 C： 1 2 ) (32) 配諧較為常用的方法是通過主控 MCU的 I/O口控制多個繼電器來切換配諧電容以實現(xiàn)多種配諧，另外，還可以采用低導(dǎo)通電阻的模擬開關(guān)來切換配諧電容。 信號放大 信號放大器的作用是將探頭數(shù) uV級信號放大到 V級數(shù)供頻率計測量。放大電路要求低噪聲、高阻抗、低失調(diào)電流， 為此 使用專用儀器儀表放大器進(jìn)行放大。為保證信號的信噪比，獲取有用信號，設(shè)計前置帶通濾波器和后置帶通濾波對信號進(jìn)行濾波。在完成后置濾波后，將信號進(jìn)行整流檢波 ， 獲取正電壓部分，之后 即可以進(jìn)入頻率測量部分。 頻率測量 頻率測量采用等精度測頻來實現(xiàn)，其原理如圖 ?？紤]到功耗和成本，頻率計設(shè)計采用 MAX Ⅱ 系列 CPLD EPM240器件。其中的計數(shù)器為 32 bit，每次測量完成后會有兩組 32 bit數(shù)據(jù)輸出，標(biāo)準(zhǔn)信號采用 50 MHz。 在 KCNT信號有效 (為高電平 )期間，兩個計數(shù)器自零開始計數(shù)；在 KCNT信號撤去后，計數(shù)器 將會 停止計數(shù)，等待主控 MCU讀取。主控 MCU讀完計數(shù)器數(shù)據(jù)后，給出清零信號 KCLR(高有效 )，使其內(nèi)部計數(shù)器清零。 圖 等精度測頻原理框圖 等精度測頻方法 的 測量精度 與 被測信號的頻率無關(guān)。增大門控信號脈沖寬度或 者 提高標(biāo)準(zhǔn)信號頻率，可 以 提高測量精度。在預(yù)置門時間和常規(guī)測頻閘門時間中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 17 相同而被測信號頻率不同的情 況下，等精度測量法的 測量精度在整個測量范圍內(nèi)保持恒定不變，而常規(guī)的直接測頻法 (在低頻時用測周法，高頻時用測頻法 )，其精度會隨著被測信號的頻率 下降而下降。 因而，使用等精度測頻方法，可以最大限度保證測量精度與測量的穩(wěn)定性，滿足測量儀器的設(shè)計要求。 其他電路設(shè)計 為了滿足人機(jī)交互的需要，還設(shè)計了鍵盤和圖形 LCD顯示器。鍵盤控制由 ARM完成，液晶顯示器雖然 STM32L152RB芯片產(chǎn)品集成了 8179。 40段式 LCD控制驅(qū)動器，但是這顯然無法滿足儀器顯示的要求，故另外設(shè)計液晶顯示控制器。 液晶顯示器采用 型號為 TBM2401281SLYB3V的液晶驅(qū)動器 ，自帶 LED背光，模塊內(nèi)自帶 15 V負(fù)壓 用于 LCD的驅(qū)動電壓，帶 4179。 8 K SRAM顯存； GPS采用 GPS15L OEM產(chǎn)品，通過主控 MCU串口接受時間和位置信息 ；另外擴(kuò)展 64MB的 EEPROM存儲器作為擴(kuò)展存儲，以滿足數(shù)據(jù)存儲需要。 USB通訊接口由 STM32L152RB芯片產(chǎn)品自帶，只需要編寫相應(yīng)的控制驅(qū)動程序。片外存儲卡擴(kuò)展則由 MCU串口擴(kuò)展而成。 軟件開發(fā)設(shè)計 軟件部分的設(shè)計包括系統(tǒng)內(nèi)各個部分的驅(qū)動程序編寫、操作菜單編制、 PC上位機(jī)程序編寫。驅(qū)動程序以子函數(shù)形式由主控 CPU調(diào)用，主要為測量控制、外圍器件接口控制等；操作菜單主要包括測量模式設(shè)定、數(shù)據(jù)查詢與處理、儀器設(shè)置、關(guān)機(jī)等部分，還可以根據(jù)需要的功能另外編寫； PC上位機(jī)控制程序為 數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、以及儀器固件更新等部分。在儀器運(yùn)行過程中，由主控 MCU完成儀器的輸入、顯示、協(xié)調(diào)控制等工作。 本章小結(jié) Overhauser磁力儀傳感器探頭產(chǎn)生射頻磁場所需的能量很小，只有質(zhì)子磁力儀的 1／ 4，并且射頻磁場頻率位 于進(jìn)動信號頻率之外，從而最大程度地消除了噪聲。此外，極化過程和進(jìn)動信號觀測可同時進(jìn)行，從而提高了觀測效率。 儀器采用了意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的 STM32L152RB ARM芯片產(chǎn)品作為儀器主控 ，使儀器整體功耗降低，穩(wěn)定性增強(qiáng) ，功能更加全面多樣化 。 采用了新型 CPLD器件，實現(xiàn)了等精度頻率測量，保證了測量精度。另外，設(shè)計了 GPS接口、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、 PC通訊接口及上位機(jī)程序，使得整機(jī)功能得到了大大加強(qiáng)。 經(jīng)過理論論證，該設(shè)計方案能夠達(dá)到一個合格的 Overhauser質(zhì)子磁力儀的設(shè)計要求。 中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 18 第四章 激發(fā) 接收 系統(tǒng)設(shè)計 激發(fā)接收電路是 此次設(shè)計的主題，也是 Overhauser質(zhì)子磁力儀的重要組成部分。該設(shè)計的好壞直接關(guān)系到儀器的精度與功能性，因而不容忽視。 本章首先從整體上對激發(fā)接收系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，確定了設(shè)計框架與功能的實現(xiàn)過程，之后分別對激發(fā)系統(tǒng)和接收系統(tǒng)進(jìn)行了較為詳細(xì)的設(shè)計與介紹。在設(shè)計的過程中，確定了芯片的選型與電路元件型號的選擇，對部分芯片進(jìn)行了著重介紹。 針對部分模塊進(jìn)行了電路設(shè)計，并完成了電路仿真以驗證其功能優(yōu)良可靠。 激發(fā)接收系統(tǒng)整體設(shè)計 總體設(shè)計 激發(fā)接收系統(tǒng)的總體框圖設(shè)計如圖 ，主要包括了主控系統(tǒng)、模擬板 和可控高頻功率信號源三個部分 ，其中由主控系統(tǒng)控制模擬板 實現(xiàn)信號的采集放大和對探頭的監(jiān)測功能，可控高頻功率信號源由主控系統(tǒng)控制來對探頭進(jìn)行激發(fā) [15]。 圖 激發(fā)接收系統(tǒng)設(shè)計框圖 系統(tǒng)工作過程