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）

        摘要：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。實驗表明該磁場發(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。

　　關(guān)鍵詞：LabVIEW；直流磁場；PID控制；亥姆霍茲線圈

　　中圖分類號：TP273.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.023

　　引用格式：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］.微型機與應(yīng)用，2017,36（7）：78-80，87.

　　0引言

　　*基金項目：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)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。 “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］。基于該模型的磁納米溫度計，是溫度測量領(lǐng)域的全新技術(shù)［4］，其高精度的測溫特點，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

　　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。

　　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，因為它的中心磁場的均勻性及均勻區(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)繞線半徑/mm物理半徑/mm線圈常數(shù)/cm單線圈匝數(shù)/匝線圈電阻/Ω2.2455.950.093 084840.2891.3PID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：

　　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)。

　　基于計算機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：

　　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：

　　其中，uk為第k次采樣時刻的計算機輸出值，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)而由計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

　　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)、實際期望值(setpoint)以及微分時間(dt)，圖4PID控制模塊便能得到需要的輸出值(output)。本系統(tǒng)結(jié)合該PID.vi完成對輸出電壓信號的反饋控制。

　　1.4LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)

　　由系統(tǒng)工作原理可知，需要用LabVIEW編程實現(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)定滿足實際要求的PID參數(shù)。

　　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現(xiàn)對大功率反饋電阻電壓信號的實時采集；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。

2實驗結(jié)果與分析

　　在實驗中，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。　　

　　從圖7可以看出，經(jīng)過PID反饋調(diào)節(jié)，反饋電阻兩端實際采樣電壓值與設(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際中心磁場強度大小為13.5 Gs，磁場保持穩(wěn)定狀態(tài)。

　　上述實驗結(jié)果表明，采用串聯(lián)大功率反饋電阻的方法，結(jié)合PID控制原理可以實現(xiàn)對該直流磁場發(fā)生裝置穩(wěn)定性的實時監(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。實驗驗證，該裝置可實現(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。

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