生物磁场强度测定仪

生物磁场强度测定仪

作者：徐哲刘姣张祥雪

来源：《现代电子技术》2013年第12期

摘要：生物磁场强度测定仪用于测定趋磁细菌产生的磁场，其硬件部分包含了磁场传感器、微控制器、显示部件、输入部件和实时时钟等，微控制器通过对磁场传感器配套的ASIC 进行读取获得当前方向磁场的强度，通过一定的运算后由直观的人机界面显示出来，并可通过微控制器的串口和上位机建立连接进行数据的传输。该系统用于磁场强度的测量可达到0.01 G，功耗小，显示直观。

关键词：磁场强度； HMC5843；趋磁细菌； STC89C516RD+

中图分类号： TN911⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）12⁃0029⁃02

地震往往给个人和社会带来严重的损失，如何准确地预测地震，减小地震造成的危害，一直是亟待解决的问题。但是就现在来说，不管国内还是国际上，地震预测仪器的研发仍在探索阶段。用于测定趋磁细菌磁场强度的生物磁场测定仪是一个典型的单片机系统。地球磁场的磁场强度很低，利用趋磁细菌的生物特性可以测量和放大地磁场信号有利于研究地震前异常地磁场的变化，以便将其更加广泛的应用。

1 生物磁场强度测定仪

1.1 系统框图及设计原理

整个系统中前端的磁阻传感器负责测量趋磁细菌磁场的大小并将磁场的变化转化为微弱的电流的变化，专用集成电路负责把磁阻传感器变化的电流（模拟量）转换成MCU可以识别的数字量，然后通过芯片内部的I2C总线上传给MCU。MCU将表征当前磁场大小的数字量通过LCD进行方位显示，同时数据可以通过串口的形式发送到上位机。使用单片机进行开发，整个系统的可扩展性比较强。

1.2 磁场信号的采集与处理

该部分主要完成对磁场的测量、A/D转换以及对数据的封包。磁场测量模组由霍尼威尔公司高可靠性的磁阻传感器及其专用集成电路组成，集成度非常高，三轴磁阻传感器和其开发的专用集成电路封装在同一个插件中[1]。霍尼威尔HMC5843磁阻传感器电路是三重传感器并应用特殊辅助电路用来测量磁场。其采用的各向异性磁阻技术是指通过施加供电电源，传感器可以将量测轴方向上的任何入射磁场转变成一种差动电压输出。在磁场存在的情况下，桥式电阻元件的变化将引起跨电桥输出电压的相应变动。因为输出只与一维轴的磁力成正比，并且另外的传感器位于正交方向，从而使任意方向的磁场强度精确测量成为可能。

整个信号处理电路中包含了3个主要的部分：前端信号处理：由于被测磁场非常的微弱，需要在信号采集前端加入信号放大和滤波整形电路，这样使得A/D能够准确测量当前磁场大小。A/D转换电路：这部分主要完成对磁阻传感器输出的模拟信号进行A/D转换。数据接口电路：这部分组要完成对A/D转换后得到的数据进行格式封装，并在上位STC89C516RD+的控制下进行数据传输。

1.3 系统软件

软件功能设计包括下位机单片机的固件程序设计和上位机的磁场分布测量分析软件程序设计。

1.3.1 主监控程序

整个系统中各个模块间存在一定的先后顺序且程序模块数量较少，为了减少系统的程序量，设计过程中系统的监控程序采用了传统的前后台方式[2]。整个监控程序主要由磁场测量模块驱动、液晶显示驱动、实时时钟驱动和串口驱动组成。整个系统监控程序流程如图2所示。系统上电后首先对各个部件进行初始化，初始化后对传感器模块进行读取，将得到的数据上传至MCU，控制器驱动LCD进行相应的显示，随后MCU将对系统键盘端口进行扫描，并根据扫描得到的键值进行相应的处理，reset键为低电平有效，当有键按下时，显示屏上的数据将即刷新一次。HMC5843采用I2C接口与MCU进行数据交换。整个模块驱动包括了读取HMC5843数据、处理数据、封装数据和通过I2C时序发送数据几个部分。该设计中，采用系统默认的增益设置，即HMC5843的配置寄存器B=0010 0000B，增益为1 300计数/mG，传感器输入磁场范围是±1.0 G。

1.3.2 磁场分布测量分析软件

通过串口传输数据到电脑后，利用LabVIEW软件编写上位磁场分布测量分析文件，本程序的核心部分使用VISA对串口进行配置并读取单片机采集的数据。

计算机需要通过串口发送命令给单片机以读取数据存储器中的数据。这部分程序是用LabVIEW来完成的。该软件专门用于将传输过来的数据进行实时监控，得到从当地检测到的磁场强度值，经过一定的数据处理过程，显示当前空间磁场强度，并绘制成二维图形，从而可以不断监测到连续的磁场强度，在得到二维图像的同时，添加Office控件，自动生成Excel表格记录数据，便于存档和实验分析，采集到的数据是保存在数据存储器中的。

2 结果与分析

实际测量了0.2 g趋磁细菌与地磁场的作用效果，首先在不放置趋磁细菌的条件下测量地磁场，后叠加趋磁细菌，磁场强度明显被抬高，并稳定在一个很小的波动范围内，撤走趋磁细菌，磁场强度恢复到原状态。通过实验确信，趋磁细菌有放大地磁场的能力，对趋磁细菌产生磁场的实时监控在一定程度上可以反映地磁场的微小变化。

3 结语

这种感应趋磁细菌磁场强度变化的生物磁场强度测定仪，具有占地小、成本低、干扰少的优点，深入探索工作原理及信号处理流程为今后利用趋磁细菌生物特性对地震预测更为复杂研究——生物传感器，提供了可能。

参考文献

[1] Honwell. HMC5843芯片手册.[EB/OL].[2010⁃04⁃27].http：

//www.honeywell⁃.

[2] 任哲.嵌入式实时操作系统μC/OS⁃Ⅱ原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[3] 特拉维斯·克林.LabVIEW大学实用教程[M].乔瑞萍，译.北京：电子工业出版社，2008.

[4] 姜伟，田杰生，李颖，等.趋磁细菌的特点及其纳米磁小体的合成条件[J].中国农业科技导报，2007，9（3）：24⁃31.

[5] 巩思亮，左秀婷，梁庆伟，等.μC/OS⁃Ⅱ基于动态优先级的时间片轮转任务调度策略[J].现代电子技术，2012，35（15）：123⁃126.

[6] 鄢仁辉.嵌入式实时操作系统μC/OS⁃Ⅱ的移植实例[J].现代电子技术，2011，34（22）：71⁃74.