連結資料紀錄器/磁力感測器　地磁紀錄器設計達陣

本文的目的在於製作一個可用於記錄地磁場變化的資料記錄器，其中包含三個主要部分：訊號調整器，作為輸入訊號與類比數位轉換器(ADC)之間的匹配；時間系統，通常是GPS用來確定訊號的精確性；資料儲存及傳輸裝置，包含類比數位訊號轉換器、資料處理單元等。

本文設計放大倍率為0.25之訊號濾波器(Filter)作為訊號調整器，之後透過Arduino結合GPS跟即時時鐘(RTC)以確保訊號的精確性，最後將三片ADC結合本實驗前面所做的GPS和RTC，使每筆震波資料可從類比轉換為數位，預期要達到每秒50筆資料並儲存於SD卡中。系統架構如圖1。

Data Logger各類元件功能說明

在Data Logger中主要的元件包含了訊號調整器、MCU、GPS、RTC、ADC和SD卡、三態閘74HC125等，以下逐一說明各個元件在Data Logger中的作用。訊號調整器：為配合Mag-13UL70三軸磁力感測器的+/-10V輸出訊號，本文設計衰減四倍30Hz低通濾波器作為訊號調整器。藉由德州儀器(TI)開發之Filter Pro 2.0軟體工具畫出電路圖以及波德圖(圖2)，使用的是Butterworth單端輸入(MFB Single-Ended)低通濾波器，截止頻率為30Hz。

・微控制器

選擇使用Arduino開發板Mega2560(圖3a)，其處理晶片為Microchip ATMega2560、8-bit AVR RISC-Based Microcontroller、有256KB的快閃記憶體、8KB的靜態隨機存取記憶體，和最高16MHz的程式運作頻率。此開發版有一組SPI、三組UART、一組I²C的通訊介面，以及54個數位輸入輸出可提供其他元件的連接。

・類比數位轉換器

本次實作的資料紀錄器，資料解析度需24位元、取樣率50sps(每一秒紀錄50筆資料)，並須使用三個ADC同時抓取地磁感測器的X、Y、Z三軸座標資料。本實驗選用Pmod AD5模組(圖3b)，ADC晶片為AD7193，這是一個∑-Δ型的ADC，其特性有高達24位元的解析度，最高4.8K的取樣率，有四個通道的差動輸入也可以切換成八個通道的共模輸入(Pseudo Differential Inputs)，資料傳輸由最高有效位元(Most Significant Bit)開始傳輸。這片模組有一個2.5V的參考電壓電路，使用的晶片為ADR441。此ADC可由使用者自由編程，裡面有許多暫存器控制ADC的讀取功能，其中較為重要的有：通訊暫存器、模式暫存器、 配置暫存器、數據暫存器。透過通訊暫存器(Communications Register)的讀取與寫入，可修改ADC中其他的暫存器以達到所需功能或是讀取各個暫存器內的數值，包含讀取儲存轉換完成資料的數據暫存器(Data Register)。而模式暫存器(Mode Register)主要有單次轉換或連續轉換的模式選取，內部或外部運作主時鐘的選取以及ADC的Output Data Rate的設置，其數值可到規格書查看對應到的輸出速率、雜訊大小、有效位元數。配置暫存器(Configuration Register)主要是調整增益大小，選擇使用差動輸入讀取或共模輸入讀取，選擇要讀取哪一個通道的資料。

・GPS模組

GPS除了提供位置訊息，也提供標準的時間資料，本實驗選用GY-NEO6MV2模組(圖3c)，此模組在通電、接收到GPS資訊後會自動將資料以Baud Rate 9600從TX腳位輸出，只要Arduino開啟UART接收的通道及其功能就可以讓MCU接受到資料做讀取。此模組使用晶片為u-blox的NEO-6M-0-001。利用TinyGPS++的標題檔，可從大量的GPS資料中，擷取出時間資訊，而本實驗在硬體中用一個N-Channel MOSFET AO3400作為開關，當GPS設定好時，切斷GPS的電源與關閉UART的接收功能，以達到省電的效果與避免訊號的干擾、影響MCU的運作。

・RTC模組

本實驗選用Grove-High Precision RTC(圖3d)，內部晶片為PCF85063TP，其工作電壓可使用5V或3.3V，電流消耗在工作電壓3.3V、溫度攝氏25度時為0.22μA，有一個CR1225電池座，當MCU斷電時也可以繼續供電，維持時間記錄運行，一年的時間飄移約為1秒，除了基本的I²C傳輸可設定時間之外，有個很重要很好用的功能：可編譯Clock Output Pin，在輸出頻率為1Hz的情況下其訊號上緣觸發與整秒同步，透過I²C的傳輸，修改RTC的CLK OUT的輸出頻率，使用整秒的上緣觸發，配合MCU的中斷功能，啟動紀錄器的紀錄。

・三態閘

由於此MCU只有一組SPI的介面可以使用，ADC與SD卡須共用一組SPI介面，在ADC整合測試中，三片ADC可以分別讀取，互相之間沒有干擾，但是加入SD卡之後，ADC讀取的資料都是FFFFFF，後來發現其原因是SD卡在未使用的狀態下，也就是在Chip Select Pin為High的情況下其MISO pin為High輸出，為了避免干擾ADC的讀取需要將SD卡的SPI腳位與ADC進行隔離，本實驗使用Low Active的Tri-state Logic IC 74HC125，可以隔絕ADC與SD卡共用MISO、MOSI和SCK，將SD卡與MCU的CS PIN作為74HC125的LOW Active開關，用一個100KΩ的電阻做上拉電阻，當要寫入SD卡時將SD卡的CS PIN\輸出LOW打開SD卡與MCU之間的通訊，在連接時須注意MISO、MOSI和SCK的傳輸方向。

地磁感測器電路分析

因為地磁感測器有三分量的資料，所以ADC需準備三個通道讀取，原本的設定是使用一片ADC開啟三個通道做轉換，但後來發現三個通道會依序轉換，並不會在同一時間擷取資料，地磁感測器三分量的數據會因此產生時間差，經詢問原廠公司後得知ADC同時抓取的方法，有兩個步驟連接：

1.先讓三片ADC的MCLK2連接在一起，透過編程ADC的模式暫存器，可將一片ADC的內部時鐘外接給其他兩片，一片輸出其他兩片接收，使這三片ADC的運作時鐘一致，此設定可看規格書的模式暫存器中的MR19、MR18。

2.ADC的晶片與模組上都有一個SYNC的腳位，經過一次下緣觸發與上緣觸發後，可使ADC重新抓取，只要讓三片ADC在到達抓取時間時，給予相同的同步訊號，就可以達成ADC同時擷取資料的功能。

由電源通電後開機MCU開始運作，首先抓取GPS時間資訊至RTC，並且初始化ADC的功能以達到設定之需求。本文的ADC設定為：首先，連續讀取模式。接下來，Main Clock的輸入輸出，因應同步功能進行設置。再者，取樣率為960Hz。接下來，使用共模輸入模式。最後，設定讀取為通道Channel 3，增益設置為1。

待GPS與RTC設置完成後，利用Arduino的中斷功能與前述提及的RTC Clock Output訊號，啟動資料紀錄。本實驗也利用Arduino內建的Timer功能，判斷每20ms抓取一次ADC的資料，並儲存在SD卡裡面。為了使前述的元件能夠與Arduino結合，本文也設計適用於本實驗的Arduino擴充板，電路圖如圖5，圖6為本次實驗的軟體主程式。

地磁記錄實驗成果

本實驗將資料紀錄器與磁力感測器連結，並以PC連線即時觀測數據並繪圖(圖7)，利用磁鐵在XY平面上繞行過一段時間後，改成繞行YZ平面，經過資料轉檔繪圖之後可看出，一開始X軸資料與Y軸資料有明顯變化，之後Y軸資料與Z軸資料也有明顯變化，由此可證明本實驗所研製的記錄器可以作為地磁記錄器使用。

(本文作者廖于嫺為國立臺灣海洋大學電機工程學系學生；陳穎龍為國立中央大學地球科學學系學生；李奇韋任職於中央研究院地球科學研究所)