【文章內容簡介】 。 10 ? ? ? ，它不受外界因素如溫度、壓力、濕度的影響，并且有 相當精確 的測定結果。 因而，由（ 2）得到， ?? 2 23 4 4 (23) 由該式，可以將磁場的測量轉換為探頭傳感器對于穩(wěn)定自由基質子自旋頻率的測量。 探頭中感應線圈 產生感應電動勢信號分析 根據 ，放置線圈使其軸線與 y軸方向一致，由電磁學公式有 ?? ) (24) 被磁化的研究對象通過接收線圈會產生磁通量，表示為 (25) 此式中， 為線圈匝數， A 為線圈面積。線圈中產生的感應電動勢為 ? ?? ?? )+ 1 ?? ) (26) 由于式中括弧內兩項之比遠小于 1，故忽略余弦項，得到 中南大學學士 學位論文 12 ? ?? ?? ) (27) 此式表示感應電動勢隨時間呈現(xiàn)周期式變化，其角頻率 ω ，其大小隨著時間按 照指數規(guī)律衰減，被稱為自由感應衰減 （ free induction decay，縮寫為 FID）信號。當 、 一定時，感應電動勢與時間呈現(xiàn)指數規(guī)律 （圖 ） 。 圖 感應電動勢隨時間衰減 本章小結 本章首先對質子旋進現(xiàn)象進行了解釋，闡述了溶液中質子在自由狀態(tài)下以及 在外場作用下的運動規(guī)律，給出了經典解釋與量子力學解釋。在外場作用下溶液 會顯示出順磁特性，質子會在沿外場方向上顯出磁性。接著文中詳細的介紹了對 溶液進行極化，在撤掉外場后，質子 空間中呈現(xiàn) 螺旋運動 形勢衰減。 最后給出了探頭結構以及線圈中感應信號的衰減 形式，從理論上研究了整個極化過程以及旋進信號特征 。 中南大學學士 學位論文 13 第三章 Overhauser 質子磁力儀結構總體設計 國內現(xiàn)有的磁力儀大多 是基于單片機進行設計，雖然其滿足 了功耗低、操作簡便等要求，但是可擴展性較差、 功能單一，已經難以滿足現(xiàn)在越來越高的測量要求。因此，為了使此次設計的 Overhauser磁力儀具有更加完善的功能，我基于ARM進行了儀器結構的設計。 質子磁力儀由于需要在野外使用，因而功耗低、功能強、使用方便、穩(wěn)定性好成為其設計 所需要實現(xiàn)的主要目標。其次，是否具有多樣化的功能也是一臺磁力儀設計是否優(yōu)秀的重要參考因素。 本章中主要介紹了 Overhauser磁力儀的結構設計，具體 設計了每一個主要的部分，同時給出了大致的設計電路連接圖作為參考。 儀器總體設計 圖 Overhauser質子磁力儀總體設計結構框圖。 圖 Overhauser磁力儀總體結構框圖 其中，主控 CPU采用低功耗 ARM芯片，頻率測量使用新型 CPLD器件設計以保證高精度測量。儀器內建 GPS模塊，并擴展 64M的 EEPROM存儲器。儀器通過 USB接口與PC相連，以進行儀器升級、數據傳送等操作，同時 USB接口還可以連接 USB設備，如 U盤、移動硬盤等進行數據轉存讀取。設計存儲卡接口以方便數據的存儲與導出。 中南大學學士 學位論文 14 主控 CPU 在本章開頭已經講到，磁力儀主要用于野外測量，因而功能強、功耗低是磁力儀設計的一個重要標準。因此，我選用意法半導體生產的超低功耗 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） 數據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控制驅動器， USB，電壓調節(jié)， MPU，超低功耗振蕩器，硬件 RTC， 6種低功耗模式， 2個比較器，復位系統(tǒng) +BOR STM32L152RB芯片的主要性能特點如下 : ? ARM CortexM3 32MHz處理器 ? 內置 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 270nA ? 超低功耗動態(tài)模式：低功耗運行時功耗低至 A，低功耗睡眠且有 1個定時器運行時功耗低至 A ? 運行模式，代碼從 FLASH執(zhí)行加動態(tài)電壓調節(jié) (3種模式 )，經濟功耗低達 中南大學學士 學位論文 15 230μ A/MHz ? 豐富的高端模擬、數字外設 ? 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質子磁力儀的要求，其強大的擴展性為在未來進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芯片強大的處理能力還能滿足簡單的數據處理要求。 在具有強大功能的同時， 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。其功耗數據見表 。 表 STM32L152RB芯片功耗數據 運行模式 STM32L152RB 典型值： 25℃ 典型值： 3V 25℃ 動態(tài)運行于 FLASH（模式 1， 2， 3） 286， 265， 230uA/MHz 動態(tài)運行于 RAM（模式 1， 2， 3） 270,218,186uA/MHz 運行于 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的待機模式 沒有使能 RTC的待機模式 可見，該芯片具有相當低的功耗?，F(xiàn)在市面上具有較低功耗的單片機為 MSP430系列，其中， MSP430F149單片機工作電流為 250uA/MHz。通過對比，此設計所使用的 STM32L152RB芯片的功耗近似于或低于市面上的單片機功耗，因而，該儀器的控制系統(tǒng)功耗將會低于市面上的質子磁力儀， ARM芯片先進的電源管理系統(tǒng)也有助于降低系統(tǒng)功耗。因此，使用該芯片進行設計完全可行。 系統(tǒng)中，基于 STM32L152RB芯片 設計的主控板除了要實現(xiàn)基本的測量和控制功能以外，還要能夠實現(xiàn)測量數據的保存查詢、日期和時間， GPS定位顯示和日歷時鐘校準，測量模式選擇，數據及其曲線顯示，與 PC機通訊，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)諧振回路進行選頻測量 [14]，諧振公式為 12 √ (31) 中南大學學士 學位論文 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相對準確地配諧，就能使 f諧振在探頭中質子旋進頻率的附近。因地磁場在短時間內變化較小，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，還可以采用低導通電阻的模擬開關來切換配諧電容。 信號放大 信號放大器的作用是將探頭數 uV級信號放大到 V級數供頻率計測量。放大電路要求低噪聲、高阻抗、低失調電流， 為此 使用專用儀器儀表放大器進行放大。為保證信號的信噪比，獲取有用信號，設計前置帶通濾波器和后置帶通濾波對信號進行濾波。在完成后置濾波后，將信號進行整流檢波 ， 獲取正電壓部分，之后 即可以進入頻率測量部分。 頻率測量 頻率測量采用等精度測頻來實現(xiàn)，其原理如圖 。考慮到功耗和成本，頻率計設計采用 MAX Ⅱ 系列 CPLD EPM240器件。其中的計數器為 32 bit，每次測量完成后會有兩組 32 bit數據輸出，標準信號采用 50 MHz。 在 KCNT信號有效 (為高電平 )期間，兩個計數器自零開始計數；在 KCNT信號撤去后，計數器 將會 停止計數，等待主控 MCU讀取。主控 MCU讀完計數器數據后，給出清零信號 KCLR(高有效 )，使其內部計數器清零。 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。增大門控信號脈沖寬度或 者 提高標準信號頻率，可 以 提高測量精度。在預置門時間和常規(guī)測頻閘門時間中南大學學士 學位論文 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，滿足測量儀器的設計要求。 其他電路設計 為了滿足人機交互的需要，還設計了鍵盤和圖形 LCD顯示器。鍵盤控制由 ARM完成，液晶顯示器雖然 STM32L152RB芯片產品集成了 8179。 40段式 LCD控制驅動器，但是這顯然無法滿足儀器顯示的要求，故另外設計液晶顯示控制器。 液晶顯示器采用 型號為 TBM2401281SLYB3V的液晶驅動器 ，自帶 LED背光，模塊內自帶 15 V負壓 用于 LCD的驅動電壓，帶 4179。 8 K SRAM顯存； GPS采用 GPS15L OEM產品，通過主控 MCU串口接受時間和位置信息 ；另外擴展 64MB的 EEPROM存儲器作為擴展存儲，以滿足數據存儲需要。 USB通訊接口由 STM32L152RB芯片產品自帶，只需要編寫相應的控制驅動程序。片外存儲卡擴展則由 MCU串口擴展而成。 軟件開發(fā)設計 軟件部分的設計包括系統(tǒng)內各個部分的驅動程序編寫、操作菜單編制、 PC上位機程序編寫。驅動程序以子函數形式由主控 CPU調用，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定、數據查詢與處理、儀器設置、關機等部分，還可以根據需要的功能另外編寫； PC上位機控制程序為 數據存儲、數據處理、以及儀器固件更新等部分。在儀器運行過程中，由主控 MCU完成儀器的輸入、顯示、協(xié)調控制等工作。 本章小結 Overhauser磁力儀傳感器探頭產生射頻磁場所需的能量很小，只有質子磁力儀的 1／ 4，并且射頻磁場頻率位 于進動信號頻率之外，從而最大程度地消除了噪聲。此外，極化過程和進動信號觀測可同時進行，從而提高了觀測效率。 儀器采用了意法半導體生產的 STM32L152RB ARM芯片產品作為儀器主控 ，使儀器整體功耗降低，穩(wěn)定性增強 ，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，設計了 GPS接口、數據存儲系統(tǒng)、 PC通訊接口及上位機程序，使得整機功能得到了大大加強。 經過理論論證，該設計方案能夠達到一個合格的 Overhauser質子磁力儀的設計要求。 中南大學學士 學位論文 18 第四章 激發(fā) 接收 系統(tǒng)設計 激發(fā)接收電路是 此次設計的主題，也是 Overhauser質子磁力儀的重要組成部分。該設計的好壞直接關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)進行設計，確定了設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)進行了較為詳細的設計與介紹。在設計的過程中，確定了芯片的選型與電路元件型號的選擇，對部分芯片進行了著重介紹。 針對部分模塊進行了電路設計，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)整體設計 總體設計 激發(fā)接收系統(tǒng)的總體框圖設計如圖 ，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)控制來對探頭進行激發(fā) [15]。 圖 激發(fā)接收系統(tǒng)設計框圖 系統(tǒng)工作過程