基于单片机的磁通门激励信号产生方法及磁通门激励电路pdf

  本发明公开了一种基于单片机的磁通门激励信号产生方法及磁通门励磁电路，其利用包含有定时/计数器T0和定时/计数器T1的单片机产生，单片机分别与磁通门磁力仪的相敏检波电路和激励信号功率驱动电路连接；定时/计数器T0工作在自动装载的工作模式0，其计数周期输出作为输入相敏检波电路的参考信号；定时/计数器T1工作在非自动装载的工作模式1，其计数周期输出作为磁通门激励信号。本发明利用单片机的两个定时/计数器产生激励信号和相敏检波器输入参考信号，并能实现对激励信号和参考信号的高精度相位调节，有助于提升磁通门的

  (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 CN 113359202 A (43)申请公布日 2021.09.07 (21)申请号 1.0 (22)申请日 2021.06.07 (71)申请人 中国地震局地球物理研究所 地址 100081 北京市海淀区民族学院南路5 号 (72)发明人 胡星星滕云田李彩华汤一翔 范晓勇胡刚何朝博沈晓宇 (74)专利代理机构 成都天既明专利代理事务所 (特殊普通合伙) 51259 代理人 彭立琼 (51)Int.Cl. G01V 3/40 (2006.01) G01V 3/38 (2006.01) G05B 19/042 (2006.01) 权利要求书3页 说明书9页 附图3页 (54)发明名称 基于单片机的磁通门激励信号产生方法及 磁通门激励电路 (57)摘要 本发明公开了一种基于单片机的磁通门激 励信号产生方法及磁通门励磁电路，其利用包含 有定时/计数器T0和定时/计数器T1的单片机产 生，单片机分别与磁通门磁力仪的相敏检波电路 和激励信号功率驱动电路连接；定时/计数器T0 工作在自动装载的工作模式0，其计数周期输出 作为输入相敏检波电路的参考信号；定时/计数 器T1工作在非自动装载的工作模式1，其计数周 期输出作为磁通门激励信号。本发明利用单片机 的两个定时/计数器产生激励信号和相敏检波器 输入参考信号，并能实现对激励信号和参考信号 A 的高精度相位调节，有助于提升磁通门的信号检 2 测精度；且由于不包含模拟电路，不会产生温漂， 0 2 9 有助于提升磁通门磁力仪的工作稳定性。 5 3 3 1 1 N C CN 113359202 A 权利要求书 1/3页 1.一种基于单片机的磁通门激励信号产生方法，其特征是利用包含有定时/计数器 T0和定时/计数器T1的单片机产生，单片机分别与磁通门磁力仪的相敏检波电路和激励信 号功率驱动电路连接；所述定时/计数器T0工作在自动装载的工作模式0，其计数周期输出 作为相敏检波电路的输入参考信号；所述定时/计数器T1工作在非自动装载的工作模式1， 其计数周期输出作为磁通门激励信号； 所述磁通门激励信号产生方法，由所述单片机按照以下步骤做相关操作： S1单片机初始化，设置定时/计数器T0和定时/计数器T1的中断功能； S2设置定时/计数器T0的计数初值寄存器TH0和TL0； S3启动定时/计数器T0； S4当定时/计数器T0溢出，进入定时/计数器T0中断响应程序； S5在定时/计数器T0中断响应中，设置输出参考信号的单片机IO引脚电平翻转，并将该 参考信号输出至与之连接的相敏检波电路； S6判断参考信号是否属于指定电平状态，若属于指定电平状态，进入步骤S7；否则退出 定时/计数器T0当前中断响应，返回步骤S4，等待定时/计数器T0下一次中断响应； S7设置定时/计数器T1的计数初值寄存器TH1和TL1； S8启动定时/计数器T1，并退出定时/计数器T0当前中断响应； S9当定时/计数器T1溢出，进入定时/计数器T1中断响应程序； S10在定时/计数器T1中断响应中，设置输出激励信号的单片机IO引脚电平翻转，并将 该激励信号输出至与之连接的激励信号功率驱动电路；然后退出定时/计数器T1当前中断 响应，返回步骤S4，等待定时/计数器T0下一次中断响应。 2.依据权利要求1所述的基于单片机的磁通门激励信号产生方法，其特征是单片机 初始化包括以下分步骤： S11设置定时/计数器T0和定时/计数器T1的模式寄存器； S12设置定时/计数器T0和定时/计数器T1均为定时模式； S13设置定时/计数器T0和定时/计数器T1的启动模式； S14设置定时/计数器T0和定时/计数器T1的输入计数脉冲频率； S15启动单片机系统中断功能和定时/计数器T0和定时/计数器T1的溢出中断功能。 3.依据权利要求1或2所述的基于单片机的磁通门激励信号产生方法，其特征是步骤 S2中，依据以下公式设置定时/计数器T0的计数初值： 式中，SYS_CLK为单片机系统频率，PSD_CLK为频率为2f 的输入磁通门相敏检波电路的 0 参考信号。 4.依据权利要求1所述的基于单片机的磁通门激励信号产生方法，其特征是步骤S6 中，根据当参考信号和激励信号同时输出时，相敏检波电路接收的磁通门探头感应线圈输 出的二次谐波信号与参考信号之间的相位差 来确定定时/计数器T1启动时刻的参考电 平状态，即指定电平状态： 2 2 CN 113359202 A 权利要求书 2/3页 (1)相位差 小于180°，指定电平状态为高电平，即当参考信号为高电平时启动定时/ 计数器T1； (2)当相位差 不小于180°，指定电平状态为低电平，即当参考信号为低电平时启动定 时/计数器T1。 5.依据权利要求4所述的基于单片机的磁通门激励信号产生方法，其特征是步骤S7 中，依据以下公式设置定时/计数器T1的计数初值： 式中，SYS_CLK为单片机系统频率；PSD_CLK为频率为2f 的磁通门相敏检波器PSD的参考 0 信号，％表示取余数。 6.一种基于单片机的磁通门激励电路，其特征是包括单片机，磁通门探头，激励信号 功率驱动电路以及信号检测电路； 单片机设置有激励信号输出端和参考信号输出端；磁通门探头包括铁芯以及铁芯上缠 绕的激励线圈和感应线圈；激励信号功率驱动电路输入端与单片机的激励信号输出端连 接，输出端与激励线圈两端连接；信号检测电路包括依次连接的输入电路、选频放大电路、 相敏检波电路PSD、积分电路和输出缓冲电路，积分电路进一步与反馈电路输入端连接，反 馈电路的输出端连接感应线圈的一端，并通过信号检测电路的输入电容与输入电路直流隔 开；输入电路输入端与感应线圈两端连接； 所述单片机包含定时/计数器T0和定时/计数器T1；所述定时/计数器T0的计数周期输 出作为相敏检波器的输入参考信号，所述定时/计数器T1的计数周期输出作为磁通门激励 信号。 7.依据权利要求5所述基于单片机的磁通门激励电路，其特征是所述定时/计数器T0 的设置包括： (1)设置定时/计数器T0的工作模式寄存器TMOD(TMOD.0～TMOD.3)：使TMOD.0＝0和 TMOD.1＝0，即定时/计数器T0工作在自动装载的工作模式0；设置TMOD.2＝0，即设置定时/ 计数器T0的计数/定时控制位 即选择定时/计数器T0为定时模式；设置TMOD.3＝0， 即设置定时/计数器T0的门控位GATE＝0，即采用控制寄存器TCON的TR0位置1(TR0＝1)的方 式启动定时/计数器T0工作； (2)设置单片机辅助寄存器AUXR的T0×12位为1，以单片机系统时钟频率SYS_CLK作为 定时/计数器T0的输入计数脉冲频率； (3)按下式设置定时/计数器T0的计数初值寄存器TH0和TL0： 式中，SYS_CLK为单片机系统频率；PSD_CLK为频率为2f 的磁通门相敏检波电路PSD的输 0 入参考信号；％表示取余数。 8.依据权利要求6所述的基于单片机的磁通门激励电路，其特征是定时/计数器T1的 3 3 CN 113359202 A 权利要求书 3/3页 设置包括： (1)设置单片机定时/计数器的工作模式寄存器TMOD(TMOD.4～TMOD.7)：使TMOD.4＝1 和TMOD.5＝0，即定时/计数器T1工作在16位非自动装载的工作模式1；设置TMOD.6＝0，即设 置定时/计数器T1的计数/定时控制位 即选择定时/计数器T1为定时模式；设置 TMOD.7＝0，即设置定时/计数器T1的门控位GATE＝0，即采用控制寄存器TCON的TR1位置1 (TR1＝1)的方式启动定时/计数器T1工作； (2)设置单片机辅助寄存器AUXR的T1×12位为1，以单片机系统时钟频率作为定时/计 数器T1的输入计数脉冲频率； (3)按下式设置定时/计数器T1的计数初值寄存器TH1和TL1： 式中，SYS_CLK为单片机系统频率；PSD_CLK为频率为2f 的磁通门相敏检波器PSD的参考 0 信号； 为参考信号和激励信号同时输出时，相敏检波电路接收的磁通门探头感应线圈输 出的二次谐波信号与参考信号之间的相位差。 4 4 CN 113359202 A 说明书 1/9页 基于单片机的磁通门激励信号产生方法及磁通门激励电路 技术领域 [0001] 本发明属于地磁观测技术领域，涉及地磁观测使用的磁通门磁力仪，具体涉及一 种基于单片机的磁通门激励信号产生方法及磁通门激励电路。 背景技术 [0002] 地磁观测是地震研究中一种重要的地球物理观测手段，需要在不同地点以一定空 间密度对地球磁场进行连续的、高精度的监测，其中主要是采用磁通门磁力仪作为地磁三分 量矢量观测的仪器。 [0003] 磁通门磁力仪是一种用以测量直流或低频磁场的向量式灵敏传感器，也是用来测 量准静态和缓慢变化向量磁场使用最为广泛的仪器。其基础原理是基于铁芯材料的非线性 磁化特性，其敏感元件为高磁导率、易饱和材料制造成的铁芯，铁芯上有两个绕组线圈：一个 是激励线圈，另一个是感应线圈。在激励线圈中的频率为f 的交变激励信号EXC_CLK的磁化 0 作用下，铁芯的导磁特性发生周期性饱和与非饱和的变化，从而使感应线圈感应出反映外 界磁场的信号，该信号包括激励信号基波f 以及其他各次谐波成分，其中偶次谐波含有外 0 磁场的信息。在磁通门信号检测电路中，感应线圈输出信号经选频放大和相敏检波电路 PSD，从各次谐波中选出幅度与被测磁场成比例的二次谐波信号2f 并整流，输出比例于被 0 测磁场的电压信号。在具有选频特性的相敏检波器PSD电路中，需要一个与二次谐波信号 2f 频率相同、相位一致的参考电压信号PSD_CLK。 0 [0004] 实际中磁通门激励信号EXC_CLK和相敏检波的参考信号PSD_CLK由同一信号产生 电路经不同分频后产生，但激励信号和感应线圈的二次谐波信号经前端信号处理电路后带 来附加相移，使二次谐波信号2f 和相敏检波器参考信号PSD_CLK之间具有相位差而使得检 0 波效率降低甚至引起磁通门信号检测电路系统工作的不稳定，因此要对参考信号PSD_CLK 或激励信号EXC_CLK进行移相使二次谐波信号和参考信号相位相同。当前的移相方法主要 有模拟电路移相和数字电路移相。 [0005] 基于模拟移相的磁通门激励信号产生电路如图1所示，信号产生电路输出的高频 信号一路经分频器一后获得输出频率为2f 的相敏检波器输入参考信号PSD_CLK。另一路经 0 另一分频器二后获得频率为f 的信号，再经波形变换为正弦波或三角波等，经模拟移相电 0 路进行移相，由驱动输出电路进行功率放大作为磁通门激励信号EXC_CLK。然而，基于模拟 移相的激励信号产生电路结构较为复杂，所需用元器件数量较多，不利于降低功耗和减小 系统体积；更主要的是模拟电路元件参数易受气温变化影响，使磁通门输出信号产生较大 温漂。 [0006] 基于数字电路移相的磁通门激励信号产生电路如图2所示。信号产生电路输出的 高频信号一路经分频器一分频后输出频率为2f 的信号作为相敏检波器的输入参考信号 0 PSD_CLK；另一路经分频器二分频后得到频率为f 的信号，再经数字移相电路进行移相后， 0 由驱动输出电路进行功率放大作为磁通门的激励信号EXC_CLK。然而，基于数字电路移相的 激励信号产生电路结构较为复杂，所需用元器件数量较多，不利于减小电路体积；而且，数 5 5 CN 113359202 A 说明书 2/9页 字电路移相时由多位开关设置移相量大小，移相精度受开关位数和电路复杂度制约。 [0007] 综上所述，传统模拟移相电路由于元器件参数易受温度影响往往带来温漂，而数 字电路移相精度不高，且电路较复杂；有的数字移相电路仍需要加入RC电阻电容模拟电路 延时单元，给磁通门磁力仪系统带来了温漂。因此，怎么来实现对参考信号PSD_CLK或激励信 号EXC_CLK相位精确调整的同时，避免引入温漂，简化电路结构，对于提升磁通门磁力仪的 地磁观测精度、开展地磁观测研究，具有十分重要的意义。 发明内容 [0008] 本发明目的旨在针对传统磁通门激励信号产生电路存在的电路复杂、移相精度不 高、易受温度影响、所用元器件数量较多电路体积较大、功耗大、成本高等问题，提供一种基 于单片机的磁通门激励信号产生方法，通过单片机在产生激励信号EXC_CLK和相敏检波器 输入参考信号PSD_CLK的同时可以对参考信号PSD_CLK进行精确的相位调节，提高了相敏检 波效率，有利于磁通门信号检测精度的提高，且具有电路简单、工作稳定、相位调节精度高、 温漂小、体积小、成本低等特点。 [0009] 本发明的另一目的旨在提供一种基于单片机的磁通门激励电路，用于产生磁通门 激励信号。 [0010] 本发明中，磁通门激励信号产生是磁通门磁力仪的一个重要组成部分，关系到磁 通门磁力仪系统的工作稳定性、分辨率、温漂、功耗、体积和成本等多个角度的技术指标。在 磁通门激励电路中，要输出两路信号，一路是频率为f 的供给磁通门激励线 EXC_CLK，另一路是频率为2f 的作为相敏检波器的输入参考信号PSD_CLK。在有被测外磁场 0 信号时，磁通门感应线圈输出的包含外磁场信息的频率为激励信号的二次谐波的信号经信 号处理后，往往与磁通门相敏检波器的输入参考信号PSD_CLK之间产生相位差 使得相敏 检波效率降低，噪声增大，严重时还会使得工作不稳定。本发明中，在信号处理电路中引入 单片机，对激励信号或相敏检波器的输入参考信号进行移相处理。 [0011] 本发明提供的基于单片机的磁通门激励信号产生方法，其利用包含有定时/计数 器T0和定时/计数器T1的单片机产生，单片机分别与磁通门磁力仪的相敏检波电路和激励 信号功率驱动电路连接；所述定时/计数器T0工作在自动装载的工作模式0，其计数周期输 出作为相敏检波电路的输入参考信号；所述定时/计数器T1工作在非自动装载的工作模式 1，其计数周期输出作为磁通门激励信号； [0012] 所述磁通门激励信号产生方法，由所述单片机按照以下步骤做相关操作： [0013] S1单片机初始化，设置定时/计数器T0和定时/计数器T1的中断功能； [0014] S2设置定时/计数器T0的计数初值寄存器TH0和TL0； [0015] S3启动定时/计数器T0； [0016] S4当定时/计数器T0溢出，进入定时/计数器T0中断响应程序； [0017] S5在定时/计数器T0中断响应中，设置输出参考信号的单片机IO引脚电平翻转，并 将该参考信号输出至与之连接的相敏检波电路； [0018] S6判断参考信号是否属于指定电平状态，若属于指定电平状态，进入步骤S7；否则 退出定时/计数器T0当前中断响应，返回步骤S4，等待定时/计数器T0下一次中断响应； [0019] S7设置定时/计数器T1的计数初值寄存器TH1和TL1； 6 6 CN 113359202 A 说明书 3/9页 [0020] S8启动定时/计数器T1，并退出定时/计数器T0当前中断响应； [0021] S9当定时/计数器T1溢出，进入定时/计数器T1中断响应程序； [0022] S10在定时/计数器T1中断响应中，设置输出激励信号的单片机IO引脚电平翻转， 并将该激励信号输出至与之连接的激励信号功率驱动电路；然后退出定时/计数器T1当前 中断响应，返回步骤S4，等待定时/计数器T0下一次中断响应。 [0023] 上述步骤S1中，单片机初始化包括以下分步骤： [0024] S11设置定时/计数器T0和定时/计数器T1的模式寄存器； [0025] S12设置定时/计数器T0和定时/计数器T1均为定时模式； [0026] S13设置定时/计数器T0和定时/计数器T1的启动模式； [0027] S14设置定时/计数器T0和定时/计数器T1的输入计数脉冲频率； [0028] S15启动单片机系统中断功能和定时/计数器T0和定时/计数器T1的溢出中断功 能。 [0029] 上述步骤S2中，依据以下公式设置定时/计数器T0的计数初值： [0030] [0031] [0032] 式中，SYS_CLK为单片机系统频率，PSD_CLK为频率为2f 的输入磁通门相敏检波电 0 路的参考信号，这里取其频率2f 。 0 [0033] 步骤S6中，根据当参考信号和激励信号同时输出时，相敏检波电路接收的磁通门 探头感应线圈输出的二次谐波信号与参考信号之间的相位差 来确定定时/计数器T1启 动时刻的参考电平状态，即指定电平状态： [0034] (1)相位差 小于180°，指定电平状态为高电平，即当参考信号为高电平时启动定 时/计数器T1； [0035] (2)当相位差 不小于180°，指定电平状态为低电平，即当参考信号为低电平时启 动定时/计数器T1。 [0036] 上述步骤S8中，依据以下公式设置定时/计数器T1的计数初值： [0037] [0038] [0039] 式中，SYS_CLK为单片机系统频率；PSD_CLK为频率为2f 的磁通门相敏检波器PSD 0 的参考信号，％表示取余数。 [0040] 本发明提供的基于单片机的磁通门激励电路，其包括单片机，磁通门探头，激励信 号功率驱动电路以及信号检测电路； [0041] 单片机设置有激励信号输出端和参考信号输出端；磁通门探头包括铁芯以及铁芯 上缠绕的激励线圈和感应线圈；激励信号功率驱动电路输入端与单片机的激励信号输出端 连接，输出端与激励线圈两端连接；信号检测电路包括依次连接的输入电路、选频放大电 路、相敏检波电路PSD、积分电路和输出缓冲电路，积分电路进一步与反馈电路输入端连接， 反馈电路的输出端连接感应线圈的一端，并通过信号检测电路的输入电容与输入电路直流 7 7 CN 113359202 A 说明书 4/9页 隔开；输入电路输入端与感应线] 所述单片机包含定时/计数器T0和定时/计数器T1；所述定时/计数器T0的计数周 期输出作为相敏检波器的输入参考信号PSD_CLK，所述定时/计数器T1的计数周期输出作为 磁通门激励信号EXC_CLK。 [0043] 上述基于单片机的磁通门激励电路，所述定时/计数器T0的设置包括： [0044] (1)设置定时/计数器T0的工作模式寄存器TMOD(TMOD.0～TMOD.3)：使TMOD.0＝0 和TMOD.1＝0，即定时/计数器T0工作在自动装载的工作模式0；设置TMOD.2＝0，即设置定 时/计数器T0的计数/定时控制位 即选择定时/计数器T0为定时模式；设置TMOD.3 ＝0，即设置定时/计数器T0的门控位GATE＝0，即采用控制寄存器TCON的TR0位置1(TR0＝1) 的方式启动定时/计数器T0工作； [0045] (2)设置单片机辅助寄存器AUXR的T0×12位为1(T0×12＝1)，使以单片机系统时 钟频率SYS_CLK作为定时/计数器T0的输入计数脉冲频率； [0046] (3)按下式设置定时/计数器T0的计数初值寄存器TH0和TL0： [0047] [0048] [0049] 式中，SYS_CLK为单片机系统频率；PSD_CLK为频率为2f 的磁通门相敏检波电路 0 PSD的输入参考信号，这里取其频率2f ；％表示数学模运算，意思是取余数。 0 [0050] 上述基于单片机的磁通门激励电路，定时/计数器T1的设置包括： [0051] (1)设置单片机定时/计数器的工作模式寄存器TMOD(TMOD.4～TMOD.7)：使TMOD.4 ＝1和TMOD.5＝0，即定时/计数器T1工作在16位非自动装载的工作模式1；设置TMOD.6＝0， 即设置定时/计数器T1的计数/定时控制位 即选择定时/计数器T1为定时模式；设 置TMOD.7＝0，即设置定时/计数器T1的门控位GATE＝0，即采用控制寄存器TCON的TR1位置1 (TR1＝1)的方式启动定时/计数器T1工作； [0052] (2)设置单片机辅助寄存器AUXR的T1×12位为1(T1×12＝1)，以单片机系统时钟 频率作为定时/计数器T1的输入计数脉冲频率； [0053] (3)按下式设置定时/计数器T1的计数初值寄存器TH1和TL1： [0054] [0055] [0056] 式中，SYS_CLK为单片机系统频率；PSD_CLK为频率为2f 的磁通门相敏检波器PSD 0 的参考信号，这里取其频率2f ； 为参考信号和激励信号同时输出时，相敏检波电路接收 0 的磁通门探头感应线圈输出的二次谐波信号与参考信号之间的相位差。 [0057] 本发明提供的基于单片机的磁通门激励信号产生方法及磁通门激励电路具有以 下有益效果： [0058] (1)本发明在磁通门激励电路中设置与激励线圈和相敏检波电路连接的单片机， 利用单片机的两个定时/计数器产生激励信号和相敏检波器输入参考信号，并能实现对激 8 8 CN 113359202 A 说明书 5/9页 励信号和参考信号的高精度相位调节；且由于不包含模拟电路，不会产生温漂，有助于提升 磁通门磁力仪的工作稳定性。 [0059] (2)本发明使用具有自动装载功能的单片机定时/计数器T0作为输出频率为2f 的 0 相敏检波器输入参考信号的定时器，另一定时/计数器T1作为输出频率为f 的激励信号 0 EXC_CLK的定时器；定时/计数器T1的启动时机由磁通门探头感应线圈的二次谐波信号与参 考信号之间的相位差 确定，并根据相位差的大小确定定时/计数器T1的计数初值，从而 可以在一定程度上完成对激励信号和参考信号相位的高精度调节。 附图说明 [0060] 下述描述中的附图仅针对本申请的部分实施例。对于本领域技术人员来说，在不 付出创造性劳动的前提下，还可根据附图获得其他附图。 [0061] 图1为基于模拟移相的磁通门激励信号产生电路。 [0062] 图2为基于数字电路移相的磁通门激励信号产生电路。 [0063] 图3为基于单片机的磁通门激励电路原理框图。 [0064] 图4为定时/计数器T0设置及功能框图。 [0065] 图5为定时/计数器T1设置及功能框图。 [0066] 图6为基于单片机的磁通门激励信号产生方法原理示意图。 具体实施方式 [0067] 以将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述 实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领 域普通技术人员在没做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发 明。 [0068] 实施例1 [0069] 本实施例提供的基于单片机的磁通门激励电路，如图3所示，其包括单片机，磁通 门探头，激励信号功率驱动电路以及信号检测电路。 [0070] 单片机设置有激励信号输出端和参考信号输出端。磁通门探头包括铁芯以及铁芯 上缠绕的激励线圈和感应线圈。激励信号功率驱动电路输入端与单片机的激励信号输出端 连接，输出端与激励线圈两端连接。信号检测电路包括依次连接的输入电路、选频放大电 路、相敏检波电路PSD、积分电路和输出缓冲电路，积分电路进一步与反馈电路输入端连接， 反馈电路的输出端连接感应线圈的一端，并通过信号检测电路的输入电容与输入电路直流 隔开。输入电路输入端与感应线] 本实施例由单片机产生的信号包括向激励线圈输出的频率为f 的激励信号EXC_ 0 SLK和向相敏检波电路PSD输出的频率为2f 的参考信号PSD_CLK。 0 [0072] 本实施例使用的单片机型号为STC公司增强型8051单片机STC11F04E，其包括定 时/计数器T0和定时/计数器T1。除了该型号的单片机外，其他具有两个或两个以上定时/计 数器的单片机或控制处理器均可作为本发明的激励信号产生电路器件。 [0073] 这里，输出激励信号EXC_CLK和相敏检波器输入参考信号PSD_CLK也不限定于使用 单片机某一特定的定时/计数器，任一具有自动装载功能即定时/计数器工作模式0的定时/ 9 9 CN 113359202 A 说明书 6/9页 计数器作为输出频率为2f 的相敏检波器输入参考信号PSD_CLK的定时器，另一具有定时/ 0 计数器工作模式1的定时/计数器作为输出频率为f 的激励信号EXC_CLK的定时器即可。本 0 实施例采用定时/计数器T0的计数周期输出作为相敏检波器的参考输入信号PSD_CLK，定 时/计数器T1的计数周期输出作为磁通门激励信号EXC_CLK。 [0074] 定时/计数器T0的设置如图4所示。设置定时/计数器T0的工作模式寄存器TMOD (TMOD.0～TMOD.3)：使TMOD.0＝0和TMOD.1＝0，即定时/计数器T0工作在自动装载的工作模 式0；设置TMOD.2＝0，即设置定时/计数器T0的计数/定时控制位 即选择定时/计数 器T0为定时模式；设置TMOD.3＝0，即设置定时/计数器T0的门控位GATE＝0，即采用控制寄 存器TCON的TR0位置1(TR0＝1)的方式启动定时/计数器T0工作。设置单片机辅助寄存器 AUXR的T0×12位为1(T0×12＝1)，使以单片机系统时钟频率SYS_CLK作为定时/计数器T0的 输入计数脉冲频率。按下式设置定时/计数器T0的计数初值寄存器TH0和TL0： [0075] [0076] [0077] 式中，SYS_CLK为单片机系统频率；PSD_CLK为频率为2f 的磁通门相敏检波电路 0 PSD的输入参考信号；％表示数学模运算，意思是取余数。 [0078] 定时/计数器T1的设置如图5所示。设置单片机定时/计数器的工作模式寄存器 TMOD(TMOD.4～TMOD.7)：使TMOD.4＝1和TMOD.5＝0，即定时/计数器T1工作在16位非自动装 载的工作模式1；设置TMOD.6＝0，即设置定时/计数器T1的计数/定时控制位 即选 择定时/计数器T1为定时模式；设置TMOD.7＝0，即设置定时/计数器T1的门控位GATE＝0，即 采用控制寄存器TCON的TR1位置1(TR1＝1)的方式启动定时/计数器T1工作。设置单片机辅 助寄存器AUXR的T1×12位为1(T1×12＝1)，以单片机系统时钟频率作为定时/计数器T1的 输入计数脉冲频率。按下式设置定时/计数器T1的计数初值寄存器TH1和TL1： [0079] [0080] [0081] 式中，SYS_CLK为单片机系统频率；PSD_CLK为频率为2f 的磁通门相敏检波器PSD 0 的参考信号； 为参考信号和激励信号同时输出时，相敏检波电路接收的磁通门探头感应 线圈的二次谐波信号与参考信号之间的相位差；％表示数学模运算，意思是取余数。 [0082] 本实施例中磁通门电路系统中，除了单片机激励电路部分，均采用磁通门磁力仪 产品中已经披露公开的电路。 [0083] 实施例2 [0084] 如图6所示，本实施例提供了一种磁通门激励信号产生方法，由实施例1提供的单 片机按照以下步骤做相关操作： [0085] S1单片机初始化，设置定时/计数器T0和定时/计数器T1的中断功能；包括以下分 步骤： [0086] S11设置定时/计数器T0和定时计数器T1的模式寄存器TMOD，TMOD.0～TMOD.7。 10 10 CN 113359202 A 说明书 7/9页 [0087] 本步骤，按照实施例1中定时/计数器T0和定时/计数器T1的模式寄存器TMOD要求， 分别对两者的模式寄存器进行设置，使定时/计数器T0工作在自动装载的工作模式0，定时/ 计数器T1工作在16位非自动装载的工作模式1。 [0088] S12设置定时/计数器T0和定时/计数器T1均为定时模式。 [0089] 本步骤，按照实施例1中定时/计数器T0和定时/计数器T1的模式寄存器TMOD要求， 设置定时/计数器T0和定时/计数器T1的计数/定时控制位 即选择两个定时/计数 器均为定时模式。 [0090] S13设置定时/计数器T0和定时/计数器T1的启动模式。 [0091] 本步骤，按照实施例1中定时/计数器T0和定时/计数器T1的模式寄存器TMOD要求， 设置定时/计数器T0和定时/计数器T1的门控位GATE＝0，即采用单片机定时/计数器控制寄 存器TCON的TRx位置1(TR0＝1或TR1＝1)的方式启动定时/计数器工作。 [0092] S14设置定时/计数器T0和定时/计数器T1的输入计数脉冲频率。 [0093] 本步骤，设置定时/计数器T0和定时计数器T1的辅助寄存器AUXR，即T0×12＝1和 T1×12＝1，使定时/计数器T0和定时/计数器T1的输入计数脉冲频率为不分频的系统频率， 以提高相位调节精度。 [0094] S15启动单片机系统中断功能和定时/计数器T0和定时/计数器T1的溢出中断功 能。 [0095] 本步骤，按照常规操作启动单片机系统中断功能和定时/计数器T0和定时/计数 器T1的溢出中断功能。 [0096] S2设置定时/计数器T0的计数初值寄存器TH0和TL0。 [0097] 本步骤，依据前面给出的式(1)和(2)设置定时/计数器T0的计数初值TH0和TL0。 [0098] S3启动定时/计数器T0，开始计时。 [0099] S4当定时/计数器T0溢出，进入定时/计数器T0中断响应。 [0100] 这里，设置定时/计数器T0的控制寄存器TCON的TR0＝1，启动定时/计数器T0进入 计数工作状态。定时/计数器T0以设置的计数初值开始计数直至计数器溢出周期性产生中 断响应。 [0101] 这里，相敏检波电路输入参考信号PSD_CLK不限定于使用某一特定的单片机引脚， 可用单片机任一具有输出功能的IO口作为相敏检波电路输入参考信号PSD_CLK的输出引 脚。 [0102] S5在定时/计数器T0中断响应中，设置输出参考信号的单片机IO引脚电平翻转，并 将该参考信号输出至与之连接的相敏检波电路。 [0103] 在定时/计数器T0的中断响应程序中，通过步骤S5，设置单片机某一输出引脚电平 翻转输出作为磁通门相敏检波电路PSD的参考信号，向磁通门相敏检波电路PSD输出频率为 2f 参考信号PSD_CLK。通过步骤S6‑S8，判定定时/计数器T1的启动时机，设置定时/计数器 0 T1的计数初值寄存器TH1和TL1，然后启动定时/计数器T1。 [0104] S6判断参考信号是否属于指定电平状态，若属于指定电平状态，进入步骤S7；否则 退出定时/计数器T0当前中断响应，返回步骤S4，等待定时/计数器T0下一次中断响应。 [0105] 本实施例中，根据当参考信号和激励信号同时输出时，相敏检波电路接收的磁通 门探头感应线圈输出的二次谐波信号与参考信号之间的相位差 来确定定时/计数器T1 11 11 CN 113359202 A 说明书 8/9页 启动时刻的参考电平状态，即指定电平状态： [0106] (1)相位差 小于180°，指定电平状态为高电平，即当参考信号为高电平时启动定 时/计数器T1； [0107] (2)当相位差 不小于180°，指定电平状态为低电平，即当参考信号为低电平时启 动定时/计数器T1。 [0108] 相位差 可以在磁通门激励电路调试阶段确定，具体确定方式为： [0109] 首先，为了可以使定时/计数器T1在定时/计数器T0几乎同时输出相同的电平信号 (例如同时输出低电平)，可以赋予定时/计数器T1一个很小的计数次数(例如1次)，并基于 此设置定时/计数器T1的计数初值。这样当定时/计数器T0溢出且输出低电平信号时，定时/ 计数器T1同时启动，输出低电平信号；单片机定时/计数器T0输出的参考信号输入至相敏检 波电路PSD； [0110] 其次，单片机定时/计数器T1输出的激励信号通过功率放大电路后驱动磁通门探 头的激励线圈；磁通门探头感应线圈输出感应信号经输入电路和选频放大电路，选出频率 为2f 的二次谐波信号(即磁通门探头感应线圈输出的二次谐波信号)，输送至相敏检波电 0 路PSD； [0111] 然后，通过对比观测相敏检波电路PSD接收的磁通门探头感应线圈输出的二次谐 波信号和参考信号，便可得到磁通门探头感应线圈输出的二次谐波信号与参考信号之间的 相位差 [0112] 通过这一个相位差 便可确定定时/计数器T1是在参考信号PSD_CLK正半周(即高 电平)还是在参考信号PSD_CLK负半周(即低电平)启动定时/计数器T1，并按照公式(3)和 (4)确定定时/计数器T1的计数初值。在调试阶段，能够最终靠重复上述操作，以消除磁通门探 头感应线圈输出的二次谐波信号与参考信号之间的相位差，实现高精度相移调节，提升磁 通门磁力仪的测量精度和工作稳定性。 [0113] S7设置定时/计数器T1的计数初值寄存器TH1和TL1。 [0114] 本步骤，依据前面给出的式(3)和(4)设置定时/计数器T1的计数初值TH1和TL1。 [0115] S8启动定时/计数器T1，并退出定时/计数器T0当前中断响应。 [0116] S9当定时/计数器T1溢出，进入定时/计数器T1中断响应。 [0117] 这里，设置定时/计数器T1的控制寄存器TCON的TR1＝1，启动定时/计数器T1进入 计数工作状态。定时/计数器T1以设置的计数初值开始计数直至计数器溢出产生中断响应。 [0118] 在定时/计数器T1的中断响应程序中，通过步骤S10，设置单片机某一输出引脚作 为磁通门激励信号的输出端，向磁通门探头的激励线圈输出频率为f 的激励信号EXC_CLK； 0 [0119] S10在定时/计数器T1中断响应中，设置输出激励信号的单片机IO引脚电平翻转， 并将该电平信号作为激励信号输出至与之连接的激励信号功率驱动电路；然后退出定时/ 计数器T1当前中断响应，返回步骤S4，等待定时/计数器T0下一次中断响应。 [0120] 这里，输出激励信号EXC_CLK不限定于使用某一特定的单片机引脚，可用单片机任 一具有输出功能的IO口作为激励信号EXC_CLK的输出引脚。 [0121] 实施例3 [0122] 结合图3，本实施例提供了实施例1提供的磁通门激励电路操控方法，包括以下步 12 12 CN 113359202 A 说明书 9/9页 骤： [0123] L1单片机按照实施例2中的步骤S1‑S10产生从IO引脚P1.0输出的相敏检波电路的 参考信号PSD_CLK(频率为2f)和从IO引脚P1.1输出的磁通门激励信号EXC_CLK(频率为f)； 0 0 [0124] L2单片机产生的激励信号通过功率放大电路后驱动磁通门探头的激励线磁通门探头感应线圈输出感应信号经信号解调的输入电路和选频放大电路，选 出包含被测外磁场信息的频率为2f 的二次谐波信号，再经相敏检波电路PSD解调出磁场信 0 号，经积分电路平滑滤波后进行输出，同时通过反馈电路反馈至感应线圈，保持信号检测的 稳定和改善线性等特性，并使磁通门探头铁芯处于近零磁场状态。 [0126] 在地震研究中，需要长期连续地对地磁场进行高精度观测。而磁通门磁力仪是地 磁观测中一种应用最为广泛的弱磁场矢量观测仪器，提高磁通门磁力仪的观测精度、减小 温漂是研制高精度磁通门磁力仪所面临的一个重要的技术问题。磁通门磁力仪系统由多个 技术模块组成，其中磁通门激励电路是磁通门磁力仪信号检测系统的一个重要组成部分， 关系到磁通门磁力仪系统的工作稳定性、分辨率、温漂、功耗、体积和成本等多个角度的技 术指标。在磁通门激励电路中，要输出两路信号，一路是频率为f 的供给磁通门激励线 激励信号EXC_CLK，另一路是频率为2f 的作为相敏检波器的输入参考信号PSD_CLK，同时还 0 要对激励信号EXC_CLK或相敏检波器的输入参考信号PSD_CLK进行移相控制。通过本发明的 技术方案，可以用一片单片机等少数元器件为磁通门磁力仪提供工作稳定、能实现高精度 移相调节、无温漂的激励信号EXC_CLK和相敏检波器的输入参考信号PSD_CLK，为高精度的 磁通门磁力仪的实现提供技术基础。同时本技术方法还具有所用元器件数量少电路简单、 体积小、成本低等特点。 [0127] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为帮助读者理解本发 明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的 普通技术人员能够准确的通过本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各 种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。 13 13 CN 113359202 A 说明书附图 1/3页 图1 图2 图3 14 14 CN 113359202 A 说明书附图 2/3页 图4 图5 15 15 CN 113359202 A 说明书附图 3/3页 图6 16 16

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