基于SOPC三维强磁场测量仪的系统设计

摘要

随着社会经济的发展，在医学应用、无损检测和电磁干扰测量等领域，中频强磁场的应用越来越广泛，但目前强中频点磁场仍是测量领域一个难题。本课题源于“交变磁场中金属粒子诱导肿瘤热疗新方法的研究”这一国家基金项目的后续研究。本课题组已经研究出基于精密整流滤波的中频交变强磁场检测仪，但存在无法实现磁场的三维测量和测量时无法排除信号发生畸变等问题，因此，本文提出利用FPGA设计了一款基于可编程片上系统(SOPC)的三维中频强磁场点测量装置，实现三维中频强磁场的高精度测量。
　　 本论文根据中频强磁场的测量需求，综述了当前国内外的交变磁场测量现状，分析了三维中频强磁场测量仪的研究意义、三维磁场测量仪的主要测量方法和FPGA在仪器中应用的可行性，最终确定使用电磁感应法测量三维中频强磁场。在阐述三维电磁感应测量法的基本原理后，提出了基于SOPC的三维中频强磁场仪的系统架构。
　　 论文主要从如何提高三维中频强磁场检测仪的测量准确度、稳定性入手，主要研究以下几个关键技术问题:(1)提出利用数字频率合成技术(DDS)产生的特定频率和幅值的正弦波，实现系统自检和数据采集电路的自动校准，从而提高信号采集电路的稳定性和一致性;(2)重点阐述了采用自适应采样频率、频谱变换和频谱校正的方法来测量三维中频磁场的感应强度，通过Matlab和Modelsim理论仿真证明，用频谱变换加频谱校正法获取磁场感应强度，其具有较好的测量准确度、抗干扰性和实时性;(3)、利用等精度频率测量方法测量交变磁场频率，在50MHz系统时钟下，该测量方法的理论测量误差为0.0002％，等精度频率测量法的应用能直接提高交变磁场频率的测量准确度，同时由于交变磁场频率和磁场感应强度计算有关，从而也间接地提高磁场感应强度的测量准确度。
　　 通过仿真和实验证明，本论文设计的基于SOPC的三维中频强磁场测量仪，在一片芯片中实现频谱变换加频谱校正、系统调理电路自校正和等精度频率测量等功能，可以达到较高的测量准确度、抗干扰测量能力和较高的稳定性，同时仪器也拥有较好的便携性。

目录

摘要

Contents

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

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

1．2．3 FPGA技术在仪器中应用

1．3 论文主要研究内容

第二章 磁场测量原理和测量仪系统架构

2．1 交变磁场的测量方法

2．2 电磁感应法的测量原理

2．3 三维探头

2．4 交变磁场测量仪的系统架构

第三章 数据采集电路及其自校正

3．1 数据采集电路框架

3．2 数据采集电路

3．2．1 信号调理电路设计

3．2．2 直流电平偏置电路

3．2．3 A／D转换器

3．3 数据采集电路自校正

3．3．1 数字频率合成原理

3．3．2 数字频率合成正弦波的实现

3．3．3 DDS仿真调试

3．3．4 数字频率合成在磁场测量仪中的应用

第四章 磁场感应强度测量模块

4．1 磁感应强度测量框架

4．2 快速傅里叶变换的原理

4．2．1 基2频域抽取FFT算法

4．2．2 信号真实频率和幅值的计算

4．3 FFT运算输出幅值校正探究

4．3．1 采用自适应采样频率提高频率分辨率

4．3．2 对信号加窗以减少泄露

4．3．3 频谱校正法

4．4 快速傅里叶变换的实现

4．5 FFT仿真验证

4．5．1 准确性仿真

4．5．2 实时性仿真

4．6 实时性改进措施

第五章 基于SOPC磁场测量仪的数字系统设计

5．1 基于SOPC的数字系统设计概述

5．2 NIOS Ⅱ与AVALON总线

5．3 磁场测量仪Kernel配置

5．3．1 通用I／O接口器件的配置

5．3．2 自定义等精度测量模块

5．4 基于UC／OS的上层应用程序开发

5．5 程序下载

第六章 实验分析

6．1 磁感应强度测试

6．2 磁场方向测试

6．3 频率模块测试

6．4 USB通讯模块测试

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文及其它科研成果

声明

致谢