基于LabVIEW的直流磁场发生装置的设计*

苏日建，孟得光，李 思，杜中州，毛险峰

(1.郑州轻工业学院 计算机与通信工程学院，河南 郑州 450001；2.中国电子信息产业集团有限公司第六研究所，北京 100083)

基于LabVIEW的直流磁场发生装置的设计*

苏日建1，孟得光1，李 思1，杜中州1，毛险峰2

(1.郑州轻工业学院 计算机与通信工程学院，河南 郑州 450001；2.中国电子信息产业集团有限公司第六研究所，北京 100083)

磁纳米温度计有望为肿瘤热疗中无法准确测量人体内部组织与细胞温度的难题提供一种解决途径,然而磁纳米温度计在实际应用中由于直流磁场的非均匀性和波动导致测量误差大，稳定性差。针对直流磁场均匀性低所引起的测量误差较大、稳定性差的问题，设计了一种基于LabVIEW开发平台的直流磁场发生装置。实验表明该磁场发生装置的磁场波动小于0.04%，可满足磁纳米温度计测温误差小于0.1 K的磁场要求，改善了温度测量的精度和稳定性。

LabVIEW；直流磁场；PID控制；亥姆霍兹线圈

0 引言

据全国肿瘤登记中心2016年发布的数据显示，我国2015年新增癌症病例429.16万，癌症死亡病例281.42万，相当于每分钟就有8.3人得癌,5.2人死于癌症。数据显示，癌症仍然是发病死亡率最高的疾病。现代医学中，对于肿瘤的治疗大部分采用手术切除和放化疗的手段。手术切除手段一般适用于早期肿瘤，风险大，易感染；放化疗手段在杀死癌细胞的同时也会将正常细胞杀死，有极大的副作用。这两种手段都会给患者带来极其痛苦的体验。 “肿瘤热疗”[1]是继手术、放化疗之后的全新的治疗肿瘤“绿色疗法”，然而目前遇到一大瓶颈，即无法实时准确地测量组织细胞内部的温度，进而导致肿瘤热疗仪无法准确控制加热时间[2]，严重影响治疗效果。磁纳米温度计的出现有望解决这一瓶颈。

磁性纳米粒子用于浓度和温度测量始于2005年，德国学者Bernhard Gleich和Jurgen Weizenecker在Nature杂志上发表了一篇《利用磁性纳米颗粒的磁化曲线非线性实现层析成像》。2011年，华中科技大学刘文中教授等人从理论上证明了磁性纳米颗粒的温度敏感性，发现在直流磁场激励下的磁性纳米颗粒的直流磁化率的倒数与温度具有极强相关性，并提出了直流磁场激励下的磁纳米温度测量模型[3]。基于该模型的磁纳米温度计，是温度测量领域的全新技术[4]，其高精度的测温特点，对于“热疗”的发展和应用有着很大的促进作用。

然而磁纳米温度计在实际应用中存在测温误差较大、稳定性差的问题，研究发现直流激励磁场的波动性对于磁纳米温度计的测温误差和稳定性影响巨大。因此设计一种稳定性高、磁场波动性较小的直流磁场发生装置是目前亟需解决的问题。

1 系统设计

1.1 系统工作原理

图1 系统工作流程图

该直流磁场发生装置工作原理是：由LabVIEW编程控制程控直流电源输出作为直流磁场信号源，然后驱动亥姆霍兹线圈产生稳定的目标磁场。其中，为了解决直流磁场信号源输出稳定性问题，本文提出采用串联大功率电阻的方式实时监测激励电流，结合PID反馈控制算法以保证激励磁场的稳定性。系统工作流程如图1所示。

1.2 系统组成

该直流磁场发生装置主要由计算机LabVIEW、数据采集卡、程控电源和亥姆霍兹线圈、反馈电阻5部分组成，系统结构如图2所示。

图2 系统硬件结构图

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)[5]是NI 公司研制开发的一种可视化的开发工具，被广泛用于测量、控制等领域。本装置利用LabVIEW编写上位机程序，采集并处理输出与输入数据[6-7]；采用NI生产的数据采集卡( PXIe-6368)，该数据采集卡支持模拟输出和模拟输入，支持多路同步输入和输出。通过LabVIEW调用 NI-DAQmx模块模拟输出产生电压信号，同时同步采集反馈电阻电压值进行分析处理。本装置采用北京大华无线电仪器厂生产的程控直流稳压稳流电源(DH17-16A)作为直流磁场信号源，其设有两种通信方式供用户选择，分别是模拟接口(模拟遥控、模拟回读)方式和RS232接口方式。选用模拟信号接口用于对电源输出电压的遥控；考虑到产生一定强度的均匀磁场，使用亥姆霍兹线圈[8-9]作为磁场产生装置，因为它的中心磁场的均匀性及均匀区域均优于螺线管。选用由湖南永逸科技有限公司生产的亥姆霍兹线圈，线圈参数如表1；采用阻值为2 Ω的大功率电阻作为反馈电阻，通过调节反馈电阻两端的电压值改变整个回路电流值，从而得到输入不同电流值下的直流激励磁场。

表1 亥姆霍兹线圈参数

1.3 PID控制算法

PID 控制[10]是过程控制中广泛应用的一种控制算法，模拟PID控制系统工作原理如图3。由图3可以看出一个PID 控制系统由PID控制器和被控对象组成，模拟PID控制器的算式为：

(1)

其中，u(t)为PID控制器的输出，e(t)为PID控制器的输入，e(t)是设定值r(t)和被调量c(t)的偏差，Kp、Ti、Td分别为比例系数、积分时间常数、微分时间常数。

图3 模拟PID控制系统原理框图

基于计算机LabVIEW的PID控制[11-12]是一种采样控制，它根据采样时刻的偏差计算控制量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量。以T作为采样周期，k作为采样序号，则离散采样时间kT对应着连续时间t，即t≈kT，如果采样周期T比较小，在kT时刻的误差信号e(kT)的导数与积分就可以近似为：

(2)

(3)

将式(2)、(3)带入模拟PID算式后，整理得到离散PID控制表达式：

(4)

其中，uk为第k次采样时刻的计算机输出值，ek为第k次采样时刻输入的偏差值。经过上面化简计算，模拟PID控制变换为数字PID控制，进而由计算机进行数据处理。

图4 PID控制模块

NI提供了在LabVIEW中使用的PID控制工具包，可帮助开发者结合NI数据采集设备快速有效地搭建一个数字PID控制器。如图4，利用工具包中PID.vi即可搭建一个简单的数字PID控制器。在该vi的输入端输入PID的3个参数值(PID gains)[13]：系统反馈值(process variable)、实际期望值(setpoint)以及微分时间(dt)，便能得到需要的输出值(output)。本系统结合该PID.vi完成对输出电压信号的反馈控制。

1.4 LabVIEW程序实现

由系统工作原理可知，需要用LabVIEW编程实现对反馈电阻电压信号的采集、PID控制调节和输出稳定模拟电压信号等模块功能。LabVIEW程序设计分为前面板和程序框图两部分。

如图5为前面板设计，它提供了一个可视化操作界面，在前面板选择对应数据采集卡的反馈电阻电压采集通道和模拟电压输出通道，采样模式为连续采样，设置合适的采样率以及设定满足实际要求的PID参数。

图5 LabVIEW用户界面图

图6为LabVIEW后台程序图，LabVIEW采用的是模块化编程方式。如图6所示，本文设计的程序框图主要由三大模块组成：模拟信号输出模块、反馈电阻电压信号采集模块和PID反馈控制模块。模拟信号输出模块实现LabVIEW对直流程控电源输出电压的控制；反馈电阻电压信号采集模块实现对大功率反馈电阻电压信号的实时采集；PID反馈控制模块对前两个模块得到的电压信息进行转换计算，使输出信号稳定。

图6 LabVIEW后台程序图

2 实验结果与分析

在实验中，设定要产生1 A电流的直流激励磁场，此时通过LabVIEW设定反馈电阻电压值为2 V，选择合适的Kc、Ti、Td进行PID反馈调节，调节结果如图7。

图7 反馈电阻PID调节采样电压值与设定电压值波形图

从图7可以看出，经过PID反馈调节，反馈电阻两端实际采样电压值与设定电压值十分接近，其相对偏差小于0.04%，即此时磁场波动小于0.04%，此时用Coliy G100手持式高斯计测得实际中心磁场强度大小为13.5 Gs，磁场保持稳定状态。

上述实验结果表明，采用串联大功率反馈电阻的方法，结合PID控制原理可以实现对该直流磁场发生装置稳定性的实时监测，从而使直流目标磁场保持较高稳定性。

3 结束语

本文设计了一种基于LabVIEW的直流磁场发生装置，利用LabVIEW虚拟仪器技术通过数据采集卡实时采集反馈电阻电压信息，引入PID控制算法进行反馈控制有效地提高了直流磁场的稳定性。实验验证，该装置可实现输出电流可调的直流磁场，磁场波动小于0.04%。利用该直流磁场发生装置产生的目标磁场调节简单方便、稳定性高、运行状况良好。使用该磁场发生装置产生稳定的激励磁场有望解决磁纳米温度计在实际应用过程中存在的直流磁场均匀性低、稳定性差问题，降低磁纳米粒子温度测量系统的测温误差，为肿瘤热疗的发展提供了帮助；此外该装置可移植性较高，可以应用于其他对磁场稳定性有较高要求的应用场合。

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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

国家自然科学基金资助项目(61374014)；河南省科技攻关计划 (132102210056,16210241077)

TP273.5

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.07.023

苏日建，孟得光，李思，等.基于LabVIEW的直流磁场发生装置的设计[J].微型机与应用，2017,36(7)：78-80，87.

2016-11-14)

苏日建(1970-)，男，博士，副教授，主要研究方向：嵌入式系统、智能信息处理。

孟得光(1989-)，通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：信号与信息处理。E-mail:mengdeguang@qq.com。

李思(1993-)，女，硕士研究生，主要研究方向：智能信息处理。