基于LabVIEW的直流磁場發(fā)生裝置的設(shè)計*

蘇日建，孟得光，李 思，杜中州，毛險峰

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院 計算機(jī)與通信工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所，北京 100083)

基于LabVIEW的直流磁場發(fā)生裝置的設(shè)計*

蘇日建1，孟得光1，李 思1，杜中州1，毛險峰2

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院 計算機(jī)與通信工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所，北京 100083)

磁納米溫度計有望為腫瘤熱療中無法準(zhǔn)確測量人體內(nèi)部組織與細(xì)胞溫度的難題提供一種解決途徑,然而磁納米溫度計在實(shí)際應(yīng)用中由于直流磁場的非均勻性和波動導(dǎo)致測量誤差大，穩(wěn)定性差。針對直流磁場均勻性低所引起的測量誤差較大、穩(wěn)定性差的問題，設(shè)計了一種基于LabVIEW開發(fā)平臺的直流磁場發(fā)生裝置。實(shí)驗(yàn)表明該磁場發(fā)生裝置的磁場波動小于0.04%，可滿足磁納米溫度計測溫誤差小于0.1 K的磁場要求，改善了溫度測量的精度和穩(wěn)定性。

LabVIEW；直流磁場；PID控制；亥姆霍茲線圈

0 引言

據(jù)全國腫瘤登記中心2016年發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，我國2015年新增癌癥病例429.16萬，癌癥死亡病例281.42萬，相當(dāng)于每分鐘就有8.3人得癌,5.2人死于癌癥。數(shù)據(jù)顯示，癌癥仍然是發(fā)病死亡率最高的疾病。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，對于腫瘤的治療大部分采用手術(shù)切除和放化療的手段。手術(shù)切除手段一般適用于早期腫瘤，風(fēng)險大，易感染；放化療手段在殺死癌細(xì)胞的同時也會將正常細(xì)胞殺死，有極大的副作用。這兩種手段都會給患者帶來極其痛苦的體驗(yàn)。 “腫瘤熱療”[1]是繼手術(shù)、放化療之后的全新的治療腫瘤“綠色療法”，然而目前遇到一大瓶頸，即無法實(shí)時準(zhǔn)確地測量組織細(xì)胞內(nèi)部的溫度，進(jìn)而導(dǎo)致腫瘤熱療儀無法準(zhǔn)確控制加熱時間[2]，嚴(yán)重影響治療效果。磁納米溫度計的出現(xiàn)有望解決這一瓶頸。

磁性納米粒子用于濃度和溫度測量始于2005年，德國學(xué)者Bernhard Gleich和Jurgen Weizenecker在Nature雜志上發(fā)表了一篇《利用磁性納米顆粒的磁化曲線非線性實(shí)現(xiàn)層析成像》。2011年，華中科技大學(xué)劉文中教授等人從理論上證明了磁性納米顆粒的溫度敏感性，發(fā)現(xiàn)在直流磁場激勵下的磁性納米顆粒的直流磁化率的倒數(shù)與溫度具有極強(qiáng)相關(guān)性，并提出了直流磁場激勵下的磁納米溫度測量模型[3]?；谠撃Ｐ偷拇偶{米溫度計，是溫度測量領(lǐng)域的全新技術(shù)[4]，其高精度的測溫特點(diǎn)，對于“熱療”的發(fā)展和應(yīng)用有著很大的促進(jìn)作用。

然而磁納米溫度計在實(shí)際應(yīng)用中存在測溫誤差較大、穩(wěn)定性差的問題，研究發(fā)現(xiàn)直流激勵磁場的波動性對于磁納米溫度計的測溫誤差和穩(wěn)定性影響巨大。因此設(shè)計一種穩(wěn)定性高、磁場波動性較小的直流磁場發(fā)生裝置是目前亟需解決的問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)工作原理

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

該直流磁場發(fā)生裝置工作原理是：由LabVIEW編程控制程控直流電源輸出作為直流磁場信號源，然后驅(qū)動亥姆霍茲線圈產(chǎn)生穩(wěn)定的目標(biāo)磁場。其中，為了解決直流磁場信號源輸出穩(wěn)定性問題，本文提出采用串聯(lián)大功率電阻的方式實(shí)時監(jiān)測激勵電流，結(jié)合PID反饋控制算法以保證激勵磁場的穩(wěn)定性。系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)組成

該直流磁場發(fā)生裝置主要由計算機(jī)LabVIEW、數(shù)據(jù)采集卡、程控電源和亥姆霍茲線圈、反饋電阻5部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)[5]是NI 公司研制開發(fā)的一種可視化的開發(fā)工具，被廣泛用于測量、控制等領(lǐng)域。本裝置利用LabVIEW編寫上位機(jī)程序，采集并處理輸出與輸入數(shù)據(jù)[6-7]；采用NI生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡( PXIe-6368)，該數(shù)據(jù)采集卡支持模擬輸出和模擬輸入，支持多路同步輸入和輸出。通過LabVIEW調(diào)用 NI-DAQmx模塊模擬輸出產(chǎn)生電壓信號，同時同步采集反饋電阻電壓值進(jìn)行分析處理。本裝置采用北京大華無線電儀器廠生產(chǎn)的程控直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源(DH17-16A)作為直流磁場信號源，其設(shè)有兩種通信方式供用戶選擇，分別是模擬接口(模擬遙控、模擬回讀)方式和RS232接口方式。選用模擬信號接口用于對電源輸出電壓的遙控；考慮到產(chǎn)生一定強(qiáng)度的均勻磁場，使用亥姆霍茲線圈[8-9]作為磁場產(chǎn)生裝置，因?yàn)樗闹行拇艌龅木鶆蛐约熬鶆騾^(qū)域均優(yōu)于螺線管。選用由湖南永逸科技有限公司生產(chǎn)的亥姆霍茲線圈，線圈參數(shù)如表1；采用阻值為2 Ω的大功率電阻作為反饋電阻，通過調(diào)節(jié)反饋電阻兩端的電壓值改變整個回路電流值，從而得到輸入不同電流值下的直流激勵磁場。

表1 亥姆霍茲線圈參數(shù)

1.3 PID控制算法

PID 控制[10]是過程控制中廣泛應(yīng)用的一種控制算法，模擬PID控制系統(tǒng)工作原理如圖3。由圖3可以看出一個PID 控制系統(tǒng)由PID控制器和被控對象組成，模擬PID控制器的算式為：

(1)

其中，u(t)為PID控制器的輸出，e(t)為PID控制器的輸入，e(t)是設(shè)定值r(t)和被調(diào)量c(t)的偏差，Kp、Ti、Td分別為比例系數(shù)、積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)。

圖3 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖

基于計算機(jī)LabVIEW的PID控制[11-12]是一種采樣控制，它根據(jù)采樣時刻的偏差計算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量。以T作為采樣周期，k作為采樣序號，則離散采樣時間kT對應(yīng)著連續(xù)時間t，即t≈kT，如果采樣周期T比較小，在kT時刻的誤差信號e(kT)的導(dǎo)數(shù)與積分就可以近似為：

(2)

(3)

將式(2)、(3)帶入模擬PID算式后，整理得到離散PID控制表達(dá)式：

(4)

其中，uk為第k次采樣時刻的計算機(jī)輸出值，ek為第k次采樣時刻輸入的偏差值。經(jīng)過上面化簡計算，模擬PID控制變換為數(shù)字PID控制，進(jìn)而由計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖4 PID控制模塊

NI提供了在LabVIEW中使用的PID控制工具包，可幫助開發(fā)者結(jié)合NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備快速有效地搭建一個數(shù)字PID控制器。如圖4，利用工具包中PID.vi即可搭建一個簡單的數(shù)字PID控制器。在該vi的輸入端輸入PID的3個參數(shù)值(PID gains)[13]：系統(tǒng)反饋值(process variable)、實(shí)際期望值(setpoint)以及微分時間(dt)，便能得到需要的輸出值(output)。本系統(tǒng)結(jié)合該P(yáng)ID.vi完成對輸出電壓信號的反饋控制。

1.4 LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)

由系統(tǒng)工作原理可知，需要用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)對反饋電阻電壓信號的采集、PID控制調(diào)節(jié)和輸出穩(wěn)定模擬電壓信號等模塊功能。LabVIEW程序設(shè)計分為前面板和程序框圖兩部分。

如圖5為前面板設(shè)計，它提供了一個可視化操作界面，在前面板選擇對應(yīng)數(shù)據(jù)采集卡的反饋電阻電壓采集通道和模擬電壓輸出通道，采樣模式為連續(xù)采樣，設(shè)置合適的采樣率以及設(shè)定滿足實(shí)際要求的PID參數(shù)。

圖5 LabVIEW用戶界面圖

圖6為LabVIEW后臺程序圖，LabVIEW采用的是模塊化編程方式。如圖6所示，本文設(shè)計的程序框圖主要由三大模塊組成：模擬信號輸出模塊、反饋電阻電壓信號采集模塊和PID反饋控制模塊。模擬信號輸出模塊實(shí)現(xiàn)LabVIEW對直流程控電源輸出電壓的控制；反饋電阻電壓信號采集模塊實(shí)現(xiàn)對大功率反饋電阻電壓信號的實(shí)時采集；PID反饋控制模塊對前兩個模塊得到的電壓信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換計算，使輸出信號穩(wěn)定。

圖6 LabVIEW后臺程序圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定要產(chǎn)生1 A電流的直流激勵磁場，此時通過LabVIEW設(shè)定反饋電阻電壓值為2 V，選擇合適的Kc、Ti、Td進(jìn)行PID反饋調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)結(jié)果如圖7。

圖7 反饋電阻PID調(diào)節(jié)采樣電壓值與設(shè)定電壓值波形圖

從圖7可以看出，經(jīng)過PID反饋調(diào)節(jié)，反饋電阻兩端實(shí)際采樣電壓值與設(shè)定電壓值十分接近，其相對偏差小于0.04%，即此時磁場波動小于0.04%，此時用Coliy G100手持式高斯計測得實(shí)際中心磁場強(qiáng)度大小為13.5 Gs，磁場保持穩(wěn)定狀態(tài)。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用串聯(lián)大功率反饋電阻的方法，結(jié)合PID控制原理可以實(shí)現(xiàn)對該直流磁場發(fā)生裝置穩(wěn)定性的實(shí)時監(jiān)測，從而使直流目標(biāo)磁場保持較高穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于LabVIEW的直流磁場發(fā)生裝置，利用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)通過數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時采集反饋電阻電壓信息，引入PID控制算法進(jìn)行反饋控制有效地提高了直流磁場的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該裝置可實(shí)現(xiàn)輸出電流可調(diào)的直流磁場，磁場波動小于0.04%。利用該直流磁場發(fā)生裝置產(chǎn)生的目標(biāo)磁場調(diào)節(jié)簡單方便、穩(wěn)定性高、運(yùn)行狀況良好。使用該磁場發(fā)生裝置產(chǎn)生穩(wěn)定的激勵磁場有望解決磁納米溫度計在實(shí)際應(yīng)用過程中存在的直流磁場均勻性低、穩(wěn)定性差問題，降低磁納米粒子溫度測量系統(tǒng)的測溫誤差，為腫瘤熱療的發(fā)展提供了幫助；此外該裝置可移植性較高，可以應(yīng)用于其他對磁場穩(wěn)定性有較高要求的應(yīng)用場合。

[1] 黃培, 周菊英. 熱療在腫瘤治療中的研究進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代腫瘤醫(yī)學(xué), 2010, 18(7):1460-1462.

[2] 李景華, 李振偉, 郭靜玉,等. 磁熱療腫瘤域溫度場分布的仿真研究[J]. 數(shù)理醫(yī)藥學(xué)雜志, 2016, 29(8):1107-1108.

[3] 鐘景. 磁納米溫度測量理論與方法研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué), 2014.

[4] 杜中州. 磁納米溫度測量關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué), 2015.

[5] 豈興明, 周建興,矯津毅. LabVIEW 8.2中文版入門與典型實(shí)例[M]. 北京：人民郵電出版社, 2010.

[6] 龍華偉,伍俊, 顧永剛,等. LabVIEW數(shù)據(jù)采集與儀器控制[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2016.

[7] 胡寶權(quán), 趙榮珍, 馬再超. 基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與反饋控制通訊系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2011(12):32-34.

[8] 朱力奧. 勻強(qiáng)磁場產(chǎn)生裝置的設(shè)計[J]. 大學(xué)物理, 2014，33(4):49-52.

[9] 王之魁, 樊慶文, 王德麾,等. 基于亥姆霍茲線圈的均勻磁場發(fā)生器設(shè)計分析及應(yīng)用[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 2014, 35(10):1-3.

[10] 黃堅. 自動控制原理及其應(yīng)用[M]. 北京:高等教育出版社, 2009.

[11] 楊智, 陳雨琴. 基于LabVIEW的PID自整定控制器設(shè)計[J]. 化工自動化及儀表, 2015(11):1188-1191.

[12] 劉偉立, 孟文俊,王鵬錦. PID算法在LabVIEW中的實(shí)現(xiàn)[J]. 成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化, 2007, 24(4):60-62.

[13] 劉鎮(zhèn),姜學(xué)智, 李東海. PID控制參數(shù)整定方法[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 1997，23(5):4-6.

Design of DC magnetic field generating device based on LabVIEW

Su Rijian1，Meng Deguang1， Li Si1， Du Zhongzhou1, Mao Xianfeng2

(1.College of Computer and Communication Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450001, China;2.The 6th Research Institute of China Electronics Corporation, Beijing 100083, China)

The magnetic nanometer thermometer is expected to solve the problem about the accurate temperature measurement in the internal tissues and cells of the human body which the hyperthermia can’t achieve. In a practical application, there are still some problems such as the low measurement accuracy and poor stability of the magnetic nanometer thermometer because of the non-uniformity and fluctuation of the DC magnetic field. On the basis of LabVIEW platform, a DC magnetic field generating device is proposed in order to solve the problems caused by low homogeneity and poor stability of DC magnetic field. Experimental results show that the magnetic field fluctuation of the magnetic field generating device is less than 0.04%, which meets the requirements that the measurement error of magnetic nanometer thermometer is less than 0.1 K. At the same time, it improves the accuracy and stability of temperature measurement.

LabVIEW；DC magnetic field；PID controlling；Helmholtz coils

國家自然科學(xué)基金資助項目(61374014)；河南省科技攻關(guān)計劃 (132102210056,16210241077)

TP273.5

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.07.023

蘇日建，孟得光，李思，等.基于LabVIEW的直流磁場發(fā)生裝置的設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(7)：78-80，87.

2016-11-14)

蘇日建(1970-)，男，博士，副教授，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)、智能信息處理。

孟得光(1989-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：信號與信息處理。E-mail:mengdeguang@qq.com。

李思(1993-)，女，碩士研究生，主要研究方向：智能信息處理。