蘇日建1，孟得光1，李思1，杜中州1，毛險峰2
（1.鄭州輕工業學院 計算機與通信工程學院，河南 鄭州 450001；2.中國電子信息產業集團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確測量人體內部組織與細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用中由于直流磁場的非均勻性和波動導致測量誤差大，穩定性差。針對直流磁場均勻性低所引起的測量誤差較大、穩定性差的問題，設計了一種基于LabVIEW開發平臺的直流磁場發生裝置。實驗表明該磁場發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定性。
關鍵詞：LabVIEW；直流磁場；PID控制；亥姆霍茲線圈
中圖分類號：TP273.5文獻標識碼：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的直流磁場發生裝置的設計［J］.微型機與應用，2017,36（7）：78-80，87.
0引言
*基金項目：國家自然科學基金資助項目(61374014)；河南省科技攻關計劃 (132102210056,16210241077)據全國腫瘤登記中心2016年發布的數據顯示，我國2015年新增癌癥病例429.16萬，癌癥死亡病例281.42萬，相當于每分鐘就有8.3人得癌,5.2人死于癌癥。數據顯示，癌癥仍然是發病死亡率最高的疾病。現代醫學中，對于腫瘤的治療大部分采用手術切除和放化療的手段。手術切除手段一般適用于早期腫瘤，風險大，易感染；放化療手段在殺死癌細胞的同時也會將正常細胞殺死，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、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，即無法實時準確地測量組織細胞內部的溫度，進而導致腫瘤熱療儀無法準確控制加熱時間［2］，嚴重影響治療效果。磁納米溫度計的出現有望解決這一瓶頸。
磁性納米粒子用于濃度和溫度測量始于2005年，德國學者Bernhard Gleich和Jurgen Weizenecker在Nature雜志上發表了一篇《利用磁性納米顆粒的磁化曲線非線性實現層析成像》。2011年，華中科技大學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，發現在直流磁場激勵下的磁性納米顆粒的直流磁化率的倒數與溫度具有極強相關性，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，是溫度測量領域的全新技術［4］，其高精度的測溫特點，對于“熱療”的發展和應用有著很大的促進作用。
然而磁納米溫度計在實際應用中存在測溫誤差較大、穩定性差的問題，研究發現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定性影響巨大。因此設計一種穩定性高、磁場波動性較小的直流磁場發生裝置是目前亟需解決的問題。
1系統設計
1.1系統工作原理
該直流磁場發生裝置工作原理是：由LabVIEW編程控制程控直流電源輸出作為直流磁場信號源，然后驅動亥姆霍茲線圈產生穩定的目標磁場。其中，為了解決直流磁場信號源輸出穩定性問題，本文提出采用串聯大功率電阻的方式實時監測激勵電流，結合PID反饋控制算法以保證激勵磁場的穩定性。系統工作流程如圖1所示。
1.2系統組成
該直流磁場發生裝置主要由計算機LabVIEW、數據采集卡、程控電源和亥姆霍茲線圈、反饋電阻5部分組成，系統結構如圖2所示。
LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)［5］是NI 公司研制開發的一種可視化的開發工具，被廣泛用于測量、控制等領域。本裝置利用LabVIEW編寫上位機程序，采集并處理輸出與輸入數據［67］；采用NI生產的數據采集卡（ PXIe6368），該數據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調用 NIDAQmx模塊模擬輸出產生電壓信號，同時同步采集反饋電阻電壓值進行分析處理。本裝置采用北京大華無線電儀器廠生產的程控直流穩壓穩流電源（DH17-16A）作為直流磁場信號源，其設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；考慮到產生一定強度的均勻磁場，使用亥姆霍茲線圈［89］作為磁場產生裝置，因為它的中心磁場的均勻性及均勻區域均優于螺線管。選用由湖南永逸科技有限公司生產的亥姆霍茲線圈，線圈參數如表1；采用阻值為2 Ω的大功率電阻作為反饋電阻，通過調節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亥姆霍茲線圈參數繞線半徑/mm物理半徑/mm線圈常數/cm單線圈匝數/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用的一種控制算法，模擬PID控制系統工作原理如圖3。由圖3可以看出一個PID 控制系統由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)是設定值r(t)和被調量c(t)的偏差，Kp、Ti、Td分別為比例系數、積分時間常數、微分時間常數。
基于計算機LabVIEW的PID控制［1112］是一種采樣控制，它根據采樣時刻的偏差計算控制量，而不能像模擬控制那樣連續輸出控制量。以T作為采樣周期，k作為采樣序號，則離散采樣時間kT對應著連續時間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)的導數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。經過上面化簡計算，模擬PID控制變換為數字PID控制，進而由計算機進行數據處理。
NI提供了在LabVIEW中使用的PID控制工具包，可幫助開發者結合NI數據采集設備快速有效地搭建一個數字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字PID控制器。在該vi的輸入端輸入PID的3個參數值（PID gains）［13］：系統反饋值(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)。本系統結合該PID.vi完成對輸出電壓信號的反饋控制。
1.4LabVIEW程序實現
由系統工作原理可知，需要用LabVIEW編程實現對反饋電阻電壓信號的采集、PID控制調節和輸出穩定模擬電壓信號等模塊功能。LabVIEW程序設計分為前面板和程序框圖兩部分。
如圖5為前面板設計，它提供了一個可視化操作界面，在前面板選擇對應數據采集卡的反饋電阻電壓采集通道和模擬電壓輸出通道，采樣模式為連續采樣，設置合適的采樣率以及設定滿足實際要求的PID參數。
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行轉換計算，使輸出信號穩定。
2實驗結果與分析
在實驗中，設定要產生1 A電流的直流激勵磁場，此時通過LabVIEW設定反饋電阻電壓值為2 V，選擇合適的Kc、Ti、Td進行PID反饋調節，調節結果如圖7。
從圖7可以看出，經過PID反饋調節，反饋電阻兩端實際采樣電壓值與設定電壓值十分接近，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，磁場保持穩定狀態。
上述實驗結果表明，采用串聯大功率反饋電阻的方法，結合PID控制原理可以實現對該直流磁場發生裝置穩定性的實時監測，從而使直流目標磁場保持較高穩定性。
3結束語
本文設計了一種基于LabVIEW的直流磁場發生裝置，利用LabVIEW虛擬儀器技術通過數據采集卡實時采集反饋電阻電壓信息，引入PID控制算法進行反饋控制有效地提高了直流磁場的穩定性。實驗驗證，該裝置可實現輸出電流可調的直流磁場，磁場波動小于0.04%。利用該直流磁場發生裝置產生的目標磁場調節簡單方便、穩定性高、運行狀況良好。使用該磁場發生裝置產生穩定的激勵磁場有望解決磁納米溫度計在實際應用過程中存在的直流磁場均勻性低、穩定性差問題，降低磁納米粒子溫度測量系統的測溫誤差，為腫瘤熱療的發展提供了幫助；此外該裝置可移植性較高，可以應用于其他對磁場穩定性有較高要求的應用場合。
參考文獻
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［2］ 李景華, 李振偉, 郭靜玉,等. 磁熱療腫瘤域溫度場分布的仿真研究［J］. 數理醫藥學雜志, 2016, 29(8):1107-1108.
［3］ 鐘景. 磁納米溫度測量理論與方法研究［D］. 武漢：華中科技大學, 2014.
［4］ 杜中州. 磁納米溫度測量關鍵技術及其應用研究［D］. 武漢：華中科技大學, 2015.
［5］ 豈興明, 周建興,矯津毅. LabVIEW 8.2中文版入門與典型
實例［M］. 北京：人民郵電出版社, 2010.
［6］ 龍華偉,伍俊, 顧永剛,等. LabVIEW數據采集與儀器控制［M］. 北京：清華大學出版社, 2016.