采用TMR探头的弱磁场高斯计的设计

沈阳仪表科学研究院有限公司 张 军 徐海宁 常 伟 张 娜 张海军 何 方

文章从硬件和软件两个方面介绍了一种采用TMR磁阻元件作为磁场检测元件的交直流弱磁场高斯计的设计方案。本方案中的线性TMR芯片构成的探头具有微功耗、高频响应、高灵敏度、体积小巧的特点，可以取代传统的磁通门探头和EMF低频交流磁场探头。以STM8L151单片机、宽带运算放大器、真有效值转换IC等构成的外围电路，配合软件，在功能、性能、功耗上达到了理想的平衡。方案的最终技术指标为：测量范围0－20Gs，分辨力1mGs，频率响应DC－500kHz，工作电流<1mA。本高斯计设计方案充分发挥了TMR的优势，将弱磁场的交直流测量合二为一，为地磁场、ELF磁场的测量开辟了新的途径。

1.引言

高斯计是用于测量磁场的仪器，又名特斯拉计。在微弱磁场测量领域，目前主要有两种型式的高斯计：第一种以磁通门技术为测量原理，用途包括：地磁场测量、环境磁场测量、实验室磁场源校准(亥姆霍兹线圈、螺线管)、岩石弱磁场测量等，所测磁场均为直流磁场；第二种以电磁感应为原理，用来测量空间环境的低频电磁波辐射，又称为“EMF”，所测磁场为交流低频磁场。由于测量原理的差异，使得直流和交流弱磁场的测量需要使用不同的探头，两种仪器的测量原理和电路设计没有通用性，无法整合到一台仪器中。本设计基于高灵敏度高稳定性TMR磁阻元件，充分利用TMR微功耗、高频响应、高灵敏度的特点，制成了体积小巧的一体化探头，再配合外围电路，构成了交直流一体式弱磁场高斯计，大大方便了用户的使用，也为弱磁场测量开辟了一条新的途径。

2.硬件电路设计部分

本弱磁场高斯计的的硬件电路部分主要包括电源管理电路、单片机、探头信号调理、AD转换器、键盘接口、液晶显示接口等几部分构成，主要功能模块如下：

2.1 电源管理电路

电源管理部分主要实现电源稳压、低电压报警、辅助电源控制几个功能。

在电源稳压部分，因为采用3节干电池供电，因此选用3.0V输出的LDO芯片做电源稳压。LDO芯片采用线性稳压方式，输出电压纹波小，可以实现uA级的静态电流，特别适合测量电路使用。根据低功耗的目标，本设计选用了HT7330稳压芯片，该芯片的静态电流典型值为4uA，电压降典型值为45mV，可以满足电路部分设计的需要。

低电压报警部分，通过大阻值电阻对电池供电电压分压取样，再连接到单片机内比较器输入端，与单片机内部的基准电压进行比较，可以判断出电池电压是否过低。该比较器消耗电流不足1uA，对整机功耗的影响完全可以忽略，另外取样电路部分为间歇工作模式，可进一步降低电能消耗。

辅助电源控制部分，通过单片机对所有外围芯片的电源进行控制：一种是直接以单片机的IO口输出电压，用于微功耗的芯片或电路，如按键、液晶驱动、模拟开关等，另外一种是以单片机的IO口驱动MOS开关管，用于电能消耗较大的模拟电路，如TMR供电、运算放大器、AD转换器等。相比直接控制的方式，此种方式负载能力较强，芯片的供电电压非常接近于电源电压，且不受单片机IO口电流输出能力的限制。

通过以上的电源管理设计，整机的电源简洁、实用、稳定，功耗控制灵活有效。

2.2 单片机

本设计中采用的STM8L151超低功耗单片机，是一款8位超低功耗单片机，内部集成高达64k的Flash存储器和2K字节的EEPROM，以及实时时钟RTC、多功能定时器、比较器、温度传感器、ADC、SPI、IIC、USART等丰富的外设。该单片机内核先进，器采用的哈佛结构、三级流水线和最高16MHz的时钟频率保证单片机的强大的处理能力。STM8L151系列单片机可在低至1.65V电源电压下工作而不损失性能。除了强大的处理能力，低功耗特性也是该单片机的一大亮点。该系列单片机采用了先进的EnergyLite技术，具备多种低功耗模式：如低功耗运行模式、低功耗等待模式、暂停模式等，实现了1uA以下的待机电流。该单片机唤醒速度极快，4μs内即可从从停止模式唤醒，从零功耗切换到全速运行。

在以单片机为核心的低功耗设计中，普遍采用运行+等待的处理模式。即：单片机和电路绝大多数时间处于低功耗待机模式，由外部事件唤醒后完成数据处理操作，结束后再次进入待机模式。整体上，单片机实际运行时间占比极低，通常为1%～2%。虽然运行时功耗可达到数mA，但是平均功耗能然能够维持在μA数量级上。

本设计还用到了该单片机内部PVD比较器和ADC，用于电池掉电检测和电池电压检测。

2.3 模拟信号调理

模拟信号的最前端为探头内的线性TMR元件，元件采用3V供电，在10Gs磁场下典型输出为180mV，相比传统的霍尔元件，灵敏度提高了几百倍，即使相比目前广泛使用的AMR磁阻元件，灵敏度也提高了10倍以上。

TMR输出信号通过微功耗模拟开关切换给直流信号调理电路和交流信号调理电路。

TMR的输出灵敏度高，但是输出阻抗为数百kΩ，不适合直接连接AD转换器，因此直流信号调理电路主要目的是对TMR的输出信号进行阻抗变换，将TMR的信号转换为低阻抗信号，降低AD转换误差。本设计中选择的是精密仪表放大器IC—AD623。该芯片能够将差动输入信号转化为单端输出信号，输入阻抗极高，精度和温度特性都十分优秀。

交流信号调理电路需要将交流信号转化为直流信号，本设计中选用了高精度真有效值转换IC——LTC1966，该IC的有效带宽带到800kHz，且具有155uA的低静态电流和0.02%的转换精度，可以满足本设计的要求。

2.4 模数转换器

较早的仪器中多采用双积分式模数转换芯片，典型的如ICL7135以及ICL7129，通常用于数字面板表应用。最新的ADC芯片通常带有IIC或者SPI接口与单片机集成是实现更大的灵活性。在本设计中，采用的ADS1248是高集成度的24位精密多功能AD转换器，数据转换率最高可达2ksps，输出数据有效位数可达20位，并且可以实现单周期稳定。ADS1248内部集成了双路精密恒流DAC，适合为桥式传感器提供恒流供电。芯片内部集成的精密电压基准实现了最大10ppm的温度稳定性，这在一般的ADC芯片中是不多见的。ADS1248的数字电源和模拟电源相互独立，电源范围为：2.7V～5.25V，特别适合与当前流行的3.3V低压单片机接口。

ADS1248具有4路差分模拟信号输入通道，具有1～128倍的低噪声可编程增益放大器。ADS1248的耗电极低，典型功耗仅为2.56mW。借助于ADS1248的高数据转换率和单周期稳定的特性，仅利用1%～2%的时间即可完成测量，其余时间ADC处于休眠状态。

2.5 液晶驱动芯片

本设计中采用了具有极低功耗的动态液晶驱动芯片BU9792。该芯片相比广泛使用的HT1621芯片，功耗降低了10倍以上，真正实现了uA级的液晶驱动电流。传统电池供电的仪器仪表，由于液晶片处于全时点亮状态，因此液晶驱动IC的电流不可忽略，典型的HT1621的耗电值为60～90uA。BU9792芯片通过合理的优化，使得耗电降低到7.5uA。由于其优异的低功耗特性，目前该芯片在三表应用特别广泛。

3.软件设计

软件设计也是本设计的重要组成部分。合理的硬件选型为软件设计优化奠定了坚实的基础，使得软件部分先进、简洁、高效、灵活、稳定。

3.1 外围芯片电源控制

在单片机待机期间，需要将外围电路的电源关闭。模拟部分电路由单片机IO口控制MOS开关管关闭电压输出。数字电路部分由单片机的IO口之家输出低电平关闭电源。另外还要处理好与外围芯片的IO口线电平，根据需要设置为高低电平，防止IO口线产生漏电流。经过电源控制后外围芯片器在单片机待机状态下的耗电完全可以忽略不计。

3.2 单片机低功耗模式的利用

本设计充分利用了STM8L151单片机的低功耗特性，与外围芯片的电源控制综合，实现最小的功率消耗。在模拟电路、ADC电路工作和测量期间，单片机处于待机状态，基本上不耗电。此时电路电流消耗主要来自于模拟电路。一旦ADC转换完成，单片机会受到中断信号，该信号可唤醒单片机。弹片式被唤醒以后，立即关闭外围模拟电路，然后读取ADC的数据转换结果，之后配置ADC为休眠状态。最后单片机进行数据处理后，将数据发送到液晶驱动IC，而后自身进入待机状态。

3.3 按键电路的低功耗设计

本设计中的按键较少，仅有4个，因此直接连接到单片机的通用IO口。将单片机的IO口设置为输入功能，使能上拉电阻，同时使能下降沿中断。按键未被按下时，IO口线为高电平。一旦按键被按下，将产生中断并唤醒待机中的单片机。单片机被唤醒后，启动按键去抖处理，并执行相关子程序。待按键处理子程序结束运行后，单片机依旧进入待机状态。

3.4 软件定时关机

软件定时关机是智能仪器一种常用的功能，可以避免由于用户疏忽导致的电量耗尽的情况。本设计中利用了单片机内部的低功耗RTC定时器产生基础秒定时，再通过定时中断计数累加的方式实现更长时间的定时。RTC定时器使用的是低功耗的内部38kHzRC时钟振荡器，在连续运行模式下的功耗也极低。

定时关机时间可以由用户选择以满足不同应用场合的需要，最长可达24小时。

3.5 电池低电检测

电池过放电会带来很大的危害。如果是普通一次性电池，会导致漏液腐蚀仪器。如果是可充电电池，则可能导致电池永久损坏。在软件设计中，通过片内ADC定时检测电池电压情况，判断出电池的当前电压值是否处于合适的范围。一旦电池电压过低，立即触发声光报警，提示用户更换电池。同时，还启动关机定时器，5分钟后强制关机。

4.样机性能测试

本设计的样机设计完成后，通过标准磁场标定后进行了测试验证。测试结果表明样机均达到了预订的设计目标。其主要技术参数如下：

（1）被测磁场范围：0～±30Gs，分辨力：1mGs

（2）交流频率响应：800kHz

（3）显示方式：41/2位段码式液晶，带磁极显示功能

（4）测量精度：±(2%F.S.+5digit)

（5）供电电源：3节7号AAA电池

（6）平均电流：约100uA

（7）电池寿命：＞3000小时

5.设计总结

本交直流弱磁场高斯计经过精心的硬件和软件设计，借助TMR元件的优异性能，圆满达到了预订的设计目标。

在若干年前，TMR还只是停留在硬盘中，走向工业和民用只不过是几年的事情。随着科技人员的不断认识与发掘，TMR元件的应用领域会越来越广泛，具有良好的市场前景。