蘇日建1,，孟得光1,，李思1，杜中州1,，毛險(xiǎn)峰2

　?。?.鄭州輕工業(yè)學(xué)院 計(jì)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）

        摘要：磁納米溫度計(jì)有望為腫瘤熱療中無法準(zhǔn)確測(cè)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(jì)在實(shí)際應(yīng)用中由于直流磁場(chǎng)的非均勻性和波動(dòng)導(dǎo)致測(cè)量誤差大，穩(wěn)定性差,。針對(duì)直流磁場(chǎng)均勻性低所引起的測(cè)量誤差較大,、穩(wěn)定性差的問題，設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW開發(fā)平臺(tái)的直流磁場(chǎng)發(fā)生裝置,。實(shí)驗(yàn)表明該磁場(chǎng)發(fā)生裝置的磁場(chǎng)波動(dòng)小于0.04%,，可滿足磁納米溫度計(jì)測(cè)溫誤差小于0.1 K的磁場(chǎng)要求,，改善了溫度測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。

　　關(guān)鍵詞：LabVIEW,；直流磁場(chǎng),；PID控制；亥姆霍茲線圈

　　中圖分類號(hào)：TP273.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(chǎng)發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,，2017,36（7）：78-80,，87.

　　0引言

　　*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61374014)；河南省科技攻關(guān)計(jì)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(duì)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(xiǎn)大,，易感染,；放化療手段在殺死癌細(xì)胞的同時(shí)也會(huì)將正常細(xì)胞殺死，有極大的副作用,。這兩種手段都會(huì)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(shí)準(zhǔn)確地測(cè)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(shí)間［2］,，嚴(yán)重影響治療效果,。磁納米溫度計(jì)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(cè)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(chǎng)激勵(lì)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(chǎng)激勵(lì)下的磁納米溫度測(cè)量模型［3］。基于該模型的磁納米溫度計(jì),，是溫度測(cè)量領(lǐng)域的全新技術(shù)［4］,，其高精度的測(cè)溫特點(diǎn)，對(duì)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(jì)在實(shí)際應(yīng)用中存在測(cè)溫誤差較大,、穩(wěn)定性差的問題，研究發(fā)現(xiàn)直流激勵(lì)磁場(chǎng)的波動(dòng)性對(duì)于磁納米溫度計(jì)的測(cè)溫誤差和穩(wěn)定性影響巨大,。因此設(shè)計(jì)一種穩(wěn)定性高,、磁場(chǎng)波動(dòng)性較小的直流磁場(chǎng)發(fā)生裝置是目前亟需解決的問題。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1系統(tǒng)工作原理

　　該直流磁場(chǎng)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(chǎng)信號(hào)源,，然后驅(qū)動(dòng)亥姆霍茲線圈產(chǎn)生穩(wěn)定的目標(biāo)磁場(chǎng),。其中，為了解決直流磁場(chǎng)信號(hào)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(shí)監(jiān)測(cè)激勵(lì)電流,，結(jié)合PID反饋控制算法以保證激勵(lì)磁場(chǎng)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(chǎng)發(fā)生裝置主要由計(jì)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,。

　　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(cè)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(hào),，同時(shí)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(chǎng)信號(hào)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(hào)接口用于對(duì)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(chǎng),，使用亥姆霍茲線圈［89］作為磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置，因?yàn)樗闹行拇艌?chǎng)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(gè)回路電流值,，從而得到輸入不同電流值下的直流激勵(lì)磁場(chǎng),。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(gè)PID 控制系統(tǒng)由PID控制器和被控對(duì)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(shí)間常數(shù),、微分時(shí)間常數(shù)。

　　基于計(jì)算機(jī)LabVIEW的PID控制［1112］是一種采樣控制,，它根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差計(jì)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(hào),，則離散采樣時(shí)間kT對(duì)應(yīng)著連續(xù)時(shí)間t,，即t≈kT，如果采樣周期T比較小,，在kT時(shí)刻的誤差信號(hào)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(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值,，ek為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值,。經(jīng)過上面化簡(jiǎn)計(jì)算，模擬PID控制變換為數(shù)字PID控制,，進(jìn)而由計(jì)算機(jī)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(gè)數(shù)字PID控制器,。如圖4,，利用工具包中PID.vi即可搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字PID控制器,。在該vi的輸入端輸入PID的3個(gè)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(shí)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P(yáng)ID.vi完成對(duì)輸出電壓信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)反饋電阻電壓信號(hào)的采集,、PID控制調(diào)節(jié)和輸出穩(wěn)定模擬電壓信號(hào)等模塊功能,。LabVIEW程序設(shè)計(jì)分為前面板和程序框圖兩部分。

　　如圖5為前面板設(shè)計(jì),，它提供了一個(gè)可視化操作界面，在前面板選擇對(duì)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6為LabVIEW后臺(tái)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(jì)的程序框圖主要由三大模塊組成：模擬信號(hào)輸出模塊,、反饋電阻電壓信號(hào)采集模塊和PID反饋控制模塊。模擬信號(hào)輸出模塊實(shí)現(xiàn)LabVIEW對(duì)直流程控電源輸出電壓的控制；反饋電阻電壓信號(hào)采集模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率反饋電阻電壓信號(hào)的實(shí)時(shí)采集,；PID反饋控制模塊對(duì)前兩個(gè)模塊得到的電壓信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算,，使輸出信號(hào)穩(wěn)定,。

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(lì)磁場(chǎng)，此時(shí)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,?！　?/p>

　　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(duì)偏差小于0.04%,，即此時(shí)磁場(chǎng)波動(dòng)小于0.04%，此時(shí)用Coliy G100手持式高斯計(jì)測(cè)得實(shí)際中心磁場(chǎng)強(qiáng)度大小為13.5 Gs,，磁場(chǎng)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(duì)該直流磁場(chǎng)發(fā)生裝置穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),，從而使直流目標(biāo)磁場(chǎng)保持較高穩(wěn)定性,。

3結(jié)束語

　　本文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的直流磁場(chǎng)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(shí)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(chǎng)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(chǎng),，磁場(chǎng)波動(dòng)小于0.04%,。利用該直流磁場(chǎng)發(fā)生裝置產(chǎn)生的目標(biāo)磁場(chǎng)調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單方便、穩(wěn)定性高,、運(yùn)行狀況良好,。使用該磁場(chǎng)發(fā)生裝置產(chǎn)生穩(wěn)定的激勵(lì)磁場(chǎng)有望解決磁納米溫度計(jì)在實(shí)際應(yīng)用過程中存在的直流磁場(chǎng)均勻性低、穩(wěn)定性差問題,，降低磁納米粒子溫度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)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(duì)磁場(chǎng)穩(wěn)定性有較高要求的應(yīng)用場(chǎng)合,。

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