基于波形数据采样的中频磁场测量系统研究

摘要

随着交变磁场广泛应用，磁场测量有了很大发展，磁场测量技术已经广泛应用于地球物理、空间技术、军事工程、工业、生物学、医学、考古学等许多领域。目前市场上已经有了很多关于磁场测量的仪器和产品，基于磁场传感器的约束，大多数产品测量都是测量较大空间区域中心点的平均值，存在分辨率低、测量范围大、不能实现连续测量和显示空间点磁场测量等问题。
　　 本课题来源于国家自然基金项目“交变磁场中金属离子诱导肿瘤热疗新方法的研究”项目的后续研究。本文以波形数据采样为核心，以单片ARM微处理器和FIFO存储器完成数据处理和磁场强度的测量，解决了因整流滤波带来的非线性误差、反应不够灵敏等问题;通过信号重构理论，对采集到的波形数据进行信号波形重构显示，在时域上直观、形象地反映了被测点磁场的变化特性。
　　 本文首先阐述了课题的研究背景和意义，综述了交变磁场测量的国内外研究现状;讨论了目前交变磁场的测量方法，确定了系统测量的理论依据;分析了基于整理滤波原理的中频磁场测量装置存在的问题，为克服整流滤波带来的非线性误差，提出了基于波形数据采集的中频磁场测量系统的设计方案;详细叙述了系统的信号调理模块、数据采集模块、电源模块、频率检测整形电路、USB设备接口电路等硬件电路设计和软件实现流程以及信号重构理论与波形显示算法;最后对系统进行了相关测试，分析了系统的测量精度与波形显示以及存在的问题和改进方法。
　　 本文所研究的系统采用基于ARM(R)CortexTM-M3内核的微控制器LM3S1958，引入μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统，根据系统硬件电路模块创建不同的用户任务，由μC/OS-Ⅱ来完成系统各个任务的调度，充分利用LM3S1958的片上资源。μC/OS-Ⅱ的抢占式任务调度策略，保证了任务的实时性。实验表明，基于波形数据采集的中频磁场测量系统具有很好的测量精度和测量一致性，系统稳定性好，波形显示采用软件同步触发，在波形显示无明显失真，实时性强，满足中频磁场测量要求。

目录

摘要

Contents

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文主要研究的内容

第二章 系统理论基础及设计方案

2．1 交变磁场测量理论及方法

2．1．1 交变磁场测量基本方法

2．1．2 系统理论基础

2．2 信号频率测量和峰值检测方法

2．2．1 频率测量方法

2．2．2 信号峰值检测方法

2．3 信号采样基础

2．3．1 实时采样

2．3．2 等效时间采样

2．4 基于波形数据采样系统的方案

第三章 数据采集及控制模块设计

3．1 信号调理模块设计

3．1．1 双差分放大电路

3．1．2 低通滤波器和阻抗变换器

3．1．3 程控放大电路

3．1．4 直流电平偏置电路

3．2 A／D转换与控制模块设计

3．2．1 时钟产生与控制电路

3．2．2 A／D转换器

3．2．3 FIFO存储器

3．2．4 A／D转换与存储电路

3．3 同步触发的软件实现

第四章 数据处理模块硬件设计

4．1 微处理器接口电路设计

4．1．1 LM3S1958简介

4．1．2 复位电路设计

4．2 电源模块设计

4．3 频率检测整形电路设计

4．4 LCD显示控制模块设计

4．5 USB接口电路设计

第五章 信号重构及系统软件设计

5．1 信号重构理论

5．1．1 信号理想重构

5．1．2 信号保持重构

5．1．3 三种信号重构方法比较

5．2 插值法

5．2．1 拉格朗日插值法

5．2．2 正弦插值法

5．3 系统软件设计

5．3．1 信号采集任务设计

5．3．2 频率测量任务设计

5．3．3 数据存储任务设计

第六章 系统测试

6．1 磁场强度值测试

6．2 频率测试

6．3 波形显示测试与分析

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文及其他科研成果

声明

致谢