光泵磁力传感器的磁场信息解算方法和电子系统

技术领域

本发明涉及磁力传感器技术领域，尤其涉及一种光泵磁力传感器的磁场信息解算方法和电子系统。

背景技术

光泵磁力仪是以原子在外磁场中产生的塞曼分裂为基础，并采用光泵和磁共振技术研制成的磁力仪。原子在特定条件下发生磁共振吸收现象时，电场携带的拉莫尔频率与样品所在地的外磁场强度成比例关系。因此只要能准确测定这个频率，即可获取准确的外磁场强度。

传统的光泵磁力仪一般由光泵磁力传感器和电子单元组成。其中电子单元的输出一般为携带拉莫尔频率信息的周期电信号，如果要获取磁场信息往往需要在其后端连接频率计等仪器，而频率计成本较高。因此，对于普通用户来说获取磁场信息较为困难。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种光泵磁力传感器的磁场信息解算方法和电子系统，实现光泵磁力传感器的磁场信息的解算。

本发明提供一种光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统，包括：

信号调理电路、微控制器和上位机；

其中，所述信号调理电路与所述微控制器连接，所述信号调理电路用于将所述光泵磁力传感器输出的模拟信号转换为标准电压信号；

所述微控制器用于基于控制指令测量所述信号调理电路输出的标准电压信号的频率，并将所述频率转换为磁场信息；

所述上位机与所述微控制器连接，所述上位机用于向所述微控制器发送所述控制指令，并接收、存储和显示所述磁场信息。

根据本发明提供的一种光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统，该电子系统还包括：

与所述微控制器连接的通信接口和存储器，以及分别与所述信号调理电路和所述微控制器连接的电源模块；

其中，所述通信接口用于提供微控制器和上位机之间通信所需的硬件接口；

所述存储器用于存储所述磁场信息；

所述电源模块用于将电源转换为所述信号调理电路和所述微控制器所需电压，并为所述信号调理电路和所述微控制器供电。

根据本发明提供的一种光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统，所述信号调理电路包括：

依次连接的电压跟随器、低通滤波器和电压比较电路；

其中，所述电压跟随器用于电压跟随器用于进行信号缓冲与隔离，以及阻抗匹配；

所述低通滤波器用于去除所述光泵磁力传感器输出的模拟信号中的高频干扰源；

所述电压比较电路用于将所述低通滤波器输出的信号转换为标准电压信号。

根据本发明提供的一种光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统，所述微控制器包括：

频率测量模块、频率-磁场转换模块、通信模块和存储模块；

其中，所述频率-磁场转换模块分别与所述频率测量模块、所述通信模块和存储模块连接；

所述频率测量模块用于测量所述信号调理电路输出信号的频率；

所述频率-磁场转换模块用于将测量得到的频率转换为磁场信息；

所述通信模块用于实现所述微控制器与所述上位机之间的通信；

所述存储模块用于将所述磁场信息存储至所述存储器。

根据本发明提供的一种光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统，所述上位机包括：

指令发送模块、数据接收模块、存储模块和显示模块；

其中，所述指令发送模块用于向微控制器发送所述控制指令；

所述数据接收模块用于接收所述微控制器输出的磁场信息；

所述存储模块，用于将所述磁场信息存储至上位机；

所述显示模块，用于实时显示所述磁场信息。

根据本发明提供的一种光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统，所述电压比较电路包括：

电压比较器和电位器；

其中，所述电位器用于调节所述电压比较器的参考电平；

所述电压比较器用于根据所述参考电平将所述低通滤波器输出信号转换为标准电压信号。

根据本发明提供的一种光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统，所述通信接口包括以下至少一项：单端串口、差分串口和以太网口。

根据本发明提供的一种光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统，所述微控制器具体用于使用周期测量法对信号调理电路输出信号的频率进行测量。

根据本发明提供的一种光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统，所述电源模块、信号调理电路、通信接口、所述存储器和引脚连接器集成在底板上，所述信号调理电路和所述电源模块通过所述引脚连接器与所述微控制器连接。

本发明还提供一种光泵磁力传感器的磁场信息解算方法，应用于如前述任一项所述的电子系统，所述方法包括：

将所述光泵磁力传感器输出的模拟信号转换为标准电压信号；

测量所述标准电压信号的频率，并将所述频率转换为磁场信息。

本发明提供的光泵磁力传感器的磁场信息解算方法和电子系统，该系统包括：信号调理电路、微控制器和上位机；其中，所述信号调理电路与所述微控制器连接，所述信号调理电路用于将所述光泵磁力传感器输出的模拟信号转换为标准电压信号；所述微控制器用于基于控制指令测量所述信号调理电路输出的标准电压信号的频率，并将所述频率转换为磁场信息；所述上位机与所述微控制器连接，所述上位机用于向所述微控制器发送控制指令，并接收、存储和显示所述磁场信息；上述方案中通过对光泵磁力传感器输出的模拟信号的频率进行测量，实现了磁场信息的解算，通过微控制器实现快速获取磁场信息，可以解决现有光泵磁力传感器无法输出磁场信息的问题，实现方案简单，成本较低，而且可靠性较高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统的结构示意图之一；

图2是本发明提供的光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统的结构示意图之二；

图3是本发明提供的光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统的结构示意图之三；

图4是本发明提供的光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统的结构示意图之四；

图5是本发明提供的光泵磁力传感器的磁场信息解算方法的流程示意图之一。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

传统的光泵磁力仪一般由光泵磁力传感器和电子单元组成。其中电子单元的输出一般为携带拉莫尔频率信息的周期电信号，往往需要在其后端连接频率计等仪器。这种结构的光泵磁力仪具有体积大、功耗高、成本高、可靠性低等缺陷。

针对上述问题，本发明实施例提供了一种通用的光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统和方法，其解决了现有光泵磁力传感器无法输出磁场信息的问题，给出了一种实现光泵磁力仪的系统及方法，具有小型化、便捷化、可靠性高的优点，具有现实意义和良好的应用前景。

下面结合图1-图5以具体的实施例对本发明实施例的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1是本发明提供的光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统的结构示意图之一。如图1所示，本实施例提供的光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统，包括：

信号调理电路、微控制器和上位机；

其中，所述信号调理电路与所述微控制器连接，所述信号调理电路用于将所述光泵磁力传感器输出的模拟信号转换为标准电压信号；

所述微控制器用于基于控制指令测量所述信号调理电路输出的标准电压信号的频率，并将所述频率转换为磁场信息；

所述上位机与所述微控制器连接，所述上位机用于向所述微控制器发送所述控制指令，并接收、存储和显示所述磁场信息。

具体的，信号调理电路将光泵磁力传感器输出的模拟信号转换为标准电压信号；例如，5V或3.3V的标准电压信号；

所述微控制器基于上位机发送的控制指令测量信号调理电路输出的标准电压信号的频率，并将测量得到的频率转换为磁场信息，并输出至上位机；

所述上位机可以通过上位机软件结合相应的硬件实现发送控制指令，以及接收、存储和显示磁场信息。

本实施例的光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统，包括：信号调理电路、微控制器和上位机；其中，所述信号调理电路与所述微控制器连接，所述信号调理电路用于将所述光泵磁力传感器输出的模拟信号转换为标准电压信号；所述微控制器用于基于控制指令测量所述信号调理电路输出的标准电压信号的频率，并将所述频率转换为磁场信息；所述上位机与所述微控制器连接，所述上位机用于向所述微控制器发送控制指令，并接收、存储和显示所述磁场信息；上述方案中通过对光泵磁力传感器输出的模拟信号的频率进行测量，实现了磁场信息的解算，通过微控制器实现快速获取磁场信息，可以解决现有光泵磁力传感器无法输出磁场信息的问题，实现方案简单，成本较低，而且可靠性较高。

可选地，如图2所示，该光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统，还包括：

与所述微控制器连接的通信接口和存储器，以及分别与所述信号调理电路和所述微控制器连接的电源模块；

其中，所述通信接口用于提供微控制器和上位机之间通信所需的硬件接口；

所述存储器用于存储所述磁场信息；

所述电源模块用于将电源转换为所述信号调理电路和所述微控制器所需电压，并为所述信号调理电路和所述微控制器供电。

具体的，所述通信接口用于提供多种通信所需硬件接口，实现微控制器与上位机之间的通信；

所述存储器用于存储磁场信息；

所述电源模块用于将输入电源转换为系统各模块所需电压，为系统各模块供电。

可选地，所述通信接口包括以下至少一项：单端串口、差分串口和以太网口。

具体的，所述通信接口可以提供不同种类硬件接口，以实现微控制器与上位机之间的通信，可靠性较高。

上述实施方式中，通过通信接口提供的微控制器和上位机之间通信所需的硬件接口，能够实现微控制器与上位机之间的通信，而且可以利用存储器存储所述磁场信息，便于后续使用；通过电源模块为系统各模块供电，实现了一种较为便捷、可靠性较高的光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统。

可选地，所述信号调理电路包括：

依次连接的电压跟随器、低通滤波器和电压比较电路；

其中，所述电压跟随器用于进行信号缓冲与隔离，以及阻抗匹配；

所述低通滤波器用于去除所述光泵磁力传感器输出的模拟信号中的高频干扰源；

所述电压比较电路用于将所述低通滤波器输出的信号转换为标准电压信号。

具体的，电压跟随器接收光泵磁力传感器输出的模拟信号，实现信号缓冲与隔离，以及阻抗匹配功能；

电压跟随器是一种单位增益、同向缓冲的运算放大电路，其输出电压跟随输入电压不失真的变化，显著特点是输入阻抗高且输出阻抗低，因此可以起到信号缓冲与隔离作用，而且能够实现阻抗匹配功能。另外还具有提高功率和电流增益的优点，同时可避免电路中的加载效应。

低通滤波器用于去除光泵磁力传感器所输出的信号中的高频干扰源；电压比较电路用于将所述低通滤波器输出的信号转换为标准电压信号，例如可以使用5V、3.3V电平标准，两种电平标准之间可切换使用。

上述实施方式中，通过电压跟随器实现信号缓冲与隔离，以及阻抗匹配；进一步，利用低通滤波器去除所述光泵磁力传感器输出的模拟信号中的高频干扰源；利用电压比较电路将所述低通滤波器输出的信号转换为标准电压信号，从而实现了将光泵磁力传感器所输出的模拟信号转换为标准电压信号，便于获取磁场信息。

可选地，上述电源模块输出包括±5V输出、+5V输出，+3.3V输出；±5V输出用于电压跟随器、低通滤波器供电；+5V输出用于电压比较电路、微控制器供电；+3.3V输出用于电压比较电路、以太网口、存储模块供电。

可选地，所述微控制器包括：

频率测量模块、频率-磁场转换模块、通信模块和存储模块；

其中，所述频率-磁场转换模块分别与所述频率测量模块、所述通信模块和存储模块连接；所述频率测量模块还与所述通信模块连接；

所述频率测量模块用于测量所述信号调理电路输出信号的频率；

所述频率-磁场转换模块用于将测量得到的频率转换为磁场信息；

所述通信模块用于实现所述微控制器与所述上位机之间的通信；

所述存储模块用于将所述磁场信息存储至所述存储器。

具体的，频率测量模块测量所述信号调理电路输出信号的频率；频率测量模块可以基于上位机发送的控制指令进行测量；例如，控制指令可以指示测量的方式，起始时间，终止时间等信息。

频率-磁场转换模块用于将测量得到的频率转换为磁场信息，还可以将磁场信息发送至存储模块和通信模块；可选地，频率-磁场转换模块可以基于上位机发送的控制指令将测量得到的频率转换为磁场信息；例如，控制指令可以指示采用的具体转换方案。

通信模块可以将频率-磁场转换模块发送的磁场信息通过通信接口发送至上位机；

通信模块还可以将上位机发送的控制指令发送至频率测量模块和频率-磁场转换模块。

可选地，频率测量模块具体用于使用周期测量法对信号调理电路输出信号的频率进行测量。

周期测量法是指在一个被测信号的周期内，测量基准时钟的个数，从而得到被测信号的周期，进而将其转化为频率。

上述实施方式中，通过频率测量模块测量所述信号调理电路输出信号的频率，以及利用频率-磁场转换模块将测量得到的频率转换为磁场信息，从而实现了获取磁场信息，效率和可靠性较高。

可选地，所述上位机包括：

指令发送模块、数据接收模块、存储模块和显示模块；

其中，所述指令发送模块用于向微控制器发送所述控制指令；

所述数据接收模块用于接收所述微控制器输出的磁场信息；

所述存储模块，用于将所述磁场信息存储至上位机；

所述显示模块，用于实时显示所述磁场信息。

具体的，上述指令发送模块、数据接收模块、存储模块和显示模块可以通过上位机中运行的上位机软件实现；

指令发送模块与所述数据接收模块、存储模块和显示模块并行运行；指令发送模块用于向微控制器发送控制指令；数据接收模块接收所述微控制器输出的磁场信息，并利用存储模块将其存储至上位机，并通过显示模块实时显示磁场信息。

上述上位机中的程序流程为：数据接收模块首先使用生产者-消费者模式接收所述微控制器输出的磁场信息，存储模块新建文件并将磁场信息的数据写入该文件，在接收磁场信息的同时通过显示模块实时显示磁场测量结果。

生产者-消费者模式是指通过并行执行的两个线程，一个线程接收磁场信息，将接收到的磁场信息存储至上位机内存中的缓冲区，另一个线程将缓冲区中的磁场信息通过所述存储模块写入至文件中，执行效率较高。

示例性地，如图3所示，该光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统包括：至少一个信号调理电路、至少一个微控制器、至少一个通信接口、至少一个存储器、至少一个电源模块和至少一个上位机。

其中，所述信号调理电路包括：

电压跟随器、低通滤波器和电压比较电路；

例如，所述低通滤波器参数为通带增益0dB、通带20MHz(-3dB)、阻带100MHz(-60dB)和带内波动3dB。

可选地，电压比较电路包括：

电压比较器和电位器；

其中，所述电位器用于调节所述电压比较器的参考电平；

所述电压比较器用于根据所述参考电平将所述低通滤波器输出信号转换为标准电压信号。

具体的，所述电压比较电路使用电压比较器实现，所述电压比较器的参考电平通过电位器实现微调功能，电平标准提供5V和3.3V两种、可切换使用。需要说明的是，上述低通滤波器参数和上述电压比较电路实现方式和功能仅作为示例，并不作为对本发明实施例的限制。

可选地，所述微控制器包括：频率测量模块、频率-磁场转换模块、存储模块和通信模块。

具体的，频率测量模块接收前述信号调理电路输出的标准电压信号，并测量所述标准电压信号的频率，并将测量得到的频率数据传递至频率-磁场转换模块。所述频率-磁场转换模块与通信模块、存储模块相连，将测量得到的频率数据转换为磁场信息，并同时向存储模块和通信模块发送转换得到的磁场信息。所述通信模块接收并解析上位机所发送的指令，并将相应指令发送至频率测量模块、频率-磁场转换模块；同时通信模块接收磁场信息，并向上位机发送。

可选地，所述电源模块、信号调理电路、通信接口、所述存储器和引脚连接器集成在底板上，所述信号调理电路和所述电源模块通过所述引脚连接器与所述微控制器连接。

具体的，如图4所示，该光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统包括底板、核心板和上位机。所述底板包括电源模块、信号调理电路、通信接口、存储器和引脚连接器；所述核心板包括微控制器；所述上位机用于运行上位机软件。

所述底板与核心板通过引脚连接器连接；底板的电源模块和信号调理电通过引脚连接器与核心板的微控制器连接，用于向核心板提供电源和实现底板和核心板数据引脚的连接。

上述实施方式中，通过将电源模块、信号调理电路、通信接口、所述存储器和引脚连接器集成在底板上，通过引脚连接器与所述微控制器连接，实现了一种集成度较高，体积较小的光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统。

下面对本发明提供的光泵磁力传感器的磁场信息解算方法进行描述，下文描述的光泵磁力传感器的磁场信息解算方法与上文描述的光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统可相互对应参照。

图5是本发明提供的光泵磁力传感器的磁场信息解算方法的流程示意图。如图5所示，本实施例提供的方法，应用于如图1-图4任一所示的光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统中，该方法包括：

步骤501、将光泵磁力传感器输出的模拟信号转换为标准电压信号；

步骤502、测量标准电压信号的频率，并将频率转换为磁场信息。

具体的，利用光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统中的信号调理电路将光泵磁力传感器输出的模拟信号转换为标准电压信号；例如，5V或3.3V的标准电压信号；

利用光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统中微控制器基于该电子系统中上位机发送的控制指令测量信号调理电路输出的标准电压信号的频率，并将测量得到的频率转换为磁场信息。

本实施例的方法，将所述光泵磁力传感器输出的模拟信号转换为标准电压信号；进一步测量所述信号调理电路输出的标准电压信号的频率，并将所述频率转换为磁场信息；实现了磁场信息的解算，而且能够快速获取磁场信息，可以解决现有光泵磁力传感器无法输出磁场信息的问题，实现方案简单，效率和可靠性较高。

可选地，测量标准电压信号的频率可以通过如下方式实现：

使用周期测量法测量标准电压信号的频率。

周期测量法是指在一个被测信号的周期内，测量基准时钟的个数，从而得到被测信号的周期，进而将其转化为频率。

示例性地，光泵磁力传感器输出的模拟信号进行滤波，然后根据参考电平将滤波后的信号转换为标准电压信号。然后，基于上位机发送的控制指令对标准电压信号的频率进行测量；例如，控制指令可以指示测量的方式，起始时间，终止时间等信息。

进一步，可以基于上位机发送的控制指令将测量得到的频率转换为磁场信息；例如，控制指令可以指示采用的具体转换方案。

可选地，还可以将转换得到的磁场信息通过通信接口发送至上位机；

上述实施方式中，通过将光泵磁力传感器所输出的模拟信号转换为标准电压信号，便于获取磁场信息。

可选地，所述上位机包括：

指令发送模块、数据接收模块、存储模块和显示模块；

其中，所述指令发送模块用于向微控制器发送所述控制指令；

所述数据接收模块用于接收所述微控制器输出的磁场信息；

所述存储模块，用于将所述磁场信息存储至上位机；

所述显示模块，用于实时显示所述磁场信息。

具体的，上述指令发送模块、数据接收模块、存储模块和显示模块可以通过上位机中运行的上位机软件实现；

指令发送模块与所述数据接收模块、存储模块和显示模块并行运行；指令发送模块用于向微控制器发送控制指令；数据接收模块接收所述微控制器输出的磁场信息，并利用存储模块将其存储至上位机，并通过显示模块实时显示磁场信息。

上述上位机中的程序运行流程为：数据接收模块首先使用生产者-消费者模式接收所述微控制器输出的磁场信息，存储模块新建文件并将磁场信息的数据写入该文件，在接收磁场信息的同时通过显示模块实时显示磁场测量结果。

生产者-消费者模式是指通过并行执行的两个线程，一个线程接收磁场信息，将接收到的磁场信息存储至上位机内存中的缓冲区，另一个线程将缓冲区中的磁场信息通过所述存储模块写入至文件中，执行效率较高。

本发明实施例的方法，其可以通过前述任一光泵磁力传感器的磁场信息解算的电子系统实施例中的系统实现，其实现原理和技术效果类似，此次不再赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。