基于低功耗器件的固态矢量地磁探测器

0　引言

运动载体上的地磁场矢量测量是亟待解决的关键技术[1]。目前,国内普遍使用磁通阀磁强计测量磁场矢量,但国内现有磁通阀磁强计产品基本上是基于静态测量要求设计的,主要在地磁观测台、科研实验室或野外地面磁场测量时使用,其响应速度慢,而且系统比较复杂,功耗、重量均较大。现有产品的频带范围在10 Hz左右,重量为几公斤,抗冲击性能不强,且使用前需要进行零点调校等,这些特点限制了其在运动载体上的应用。

本文对基于MSP430F、PNI11096等低功耗、高性能单片机的高性能固态三轴磁强计进行研究,该磁强计采用固态磁传感器作为敏感元件,基于微电子技术,对其动态响应特性、抗冲击能力、零点稳定性、功耗等技术性能的提高进行深入研究。

1　硬件低功耗技术原理

系统硬件原理框图如图1所示。

本设计以单片机MSP430F427为核心(MCU),完成数据通信、通道选择等控制。

各传感器子模块与MCU通过SPI串口总线通信,其硬件连接方式比较简单,传输距离长。扩展64 M数据存储器,整个系统具有较充裕的离线存储空间。预留RS-232串口,方便与计算机进行数据通信,可实现即时软件参数补偿、融合算法升级等[2]。

本系统晶振频率选择较低的32 768 Hz,并经分频,在特定的场合可输出更低的振荡频率,目的是充分降低功耗。

1.1　选取MSP430F437单片机作为系统核心

MSP430系列微处理器是TI公司推出的系列超低功耗单片机,用于本设计有显著优点[3]。首先,其功耗低,供电电压1.8~3.6 V,1 M的时钟条件下运行,耗电电流在0.1~400μA之间,因不同的工作模式而不同。其次,MSP430F437单片机集成SPI总线技术的同步串口,其硬件功能很强,而相关软件相当简单,使CPU有更多的时间处理其他事务。另外,MSP430F427具有丰富的中断口,片内资源丰富,有多种省电模式。

1.2　电源控制电路

电源控制电路为系统各部分模块提供稳压供电,并实现由单片机通过简单的逻辑电路控制各传感器组及各外围模块的二次上电,有效地降低功耗,如图2所示。

采用ICL1761作为稳压变换芯片,采用R23和R24分压产生+3.3 V电压,精度0.1%。计算公式如下:

式中,IADJ=30 nA(室温下),当R23=170 kΩ,R24=100 kΩ,输出电压为+3.295 V。

Q1采用IRF7509,实现极性转换电路兼使能开关电路,由MCU的P1.3引脚控制,实现模拟电路供电可控的同时,还实现单片机控制引脚高电平使能,使得系统低功耗设计更合理高效。

2　基于PNI芯片的三轴矢量磁传感器模块

采用PNI固态磁传感器SEN-L。具有较高灵敏度、量程宽、线性度好等优点,因是无源敏感器件,还降低系统电路功耗。另外,其响应时间快,有较好的抗干扰能力,受温度影响较小,零点稳定度高。采用专用IC 11096实现三轴数据采集[4]。子模块电路如图3所示。PNI 11096系列是在PNI公司的磁通传感器的基础上研制出的一种低磁测量应用专项集成电路,可以控制和测量3个分立的磁通传感器[5]。