（通信与信息系统专业论文）脉冲、恒定和交变磁场发生器的研制.pdf

摘要 摘要 生物磁学是一门研究磁场与生物特性和生命活动之间相互联系与相互影响的边缘 科学，经过近几十年发展，目前己在农学、环保、医学及生物工程等领域得到较广泛的 应用。在农业科学领域内，不同磁场类型、不同磁场作用时间的磁处理，对促进种子萌 发、生长、提高抗逆性、改善经济现状有重要影响。 信号发生器是一种十分重要的仪器，它能够产生不同波形、不同频率和幅度的信号， 在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途，除供通信、仪表和自动控制系统测试用 外，还广泛用于其他非电测量领域。本论文中三种信号发生器作为磁场的信号源，为磁 场线圈中电磁转化提供能量。 论文中的三种信号发生器：脉冲、恒定、交变信号发生器，均是采用单片机控制外 围电路来实现，微控制器通过将设置好的控制字传送给d a 转换器，完成数字信号到模 拟信号的转换。输出的模拟信号经过波形处理电路和功率放大电路后送给外部磁场线 圈，为线圈磁场中微生物的发酵实验提供磁环境。 系统中的难点是交变信号的产生，设计中采用了直接数字频率特性合成( d d s ) 芯 片a d 9 8 5 0 来实现，通过设置外围电路使发生器输出幅度为1 v 定值的正弦波。系统最 终输出波形信号幅值的调节，采用了乘法器芯片a d 6 3 3 ，芯片的一路输入通道接入1 v 正 弦波信号，另一路输入通道接入t l c 5 6 1 5 的输出信号，控制器通过调节t l c 5 6 1 5 来实 现对正弦信号的幅值控制。这种设计方式大大简化了外围电路设计，有利于缩小仪器体 积、减轻重量、降低成本。 论文中的三个设计装置，电路主要部分均经过了实际测试，通过对实验结果进行分 析表明，设备性能基本能够满足预期要求。 关键词：信号发生器；生物磁学；d d s ；a d 6 3 3 ；线圈磁场 a b s t r a c t a b s t r ac t b i 0 1 0 9 i c a jm a g n e t i s mi s o n eo fm ei n t e r d i s c i p l i n a d ，s c i e n c eb a s i co nt l l e s t l l d yo f m a g n e t i cf i e l d s ，i t s a _ b o u tt l l ec o r u l e c t i o n 锄dm u t u a li n n u e n c eb e t w e e nm eb i 0 1 0 9 i c a l c h a r a c t e r i s t i ca n dv i t a la c t i v i t ) ，a 舭rn e a r l yt e ny e a r sd e v e l o p m e 咄i t sa l r e a d y 诵d e s p r e a d l y 印p l i c a t i o n e do na g r o n o m y ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，m e d i c i n ea n db i o e n g i n e e r i n g i nm e a 酊c u l n 砌s c i e n c ed o m a j n ，m ed i 腩r e n t 咖eo fm a g n e t i c f i e i da n dd i 位r e n tt i m e s m a g n e t i s mp r o c e s s i n go nm a g n e t i cf i e l d ，h a v et l l e m a t e r i a le f r e c to np r o m o t i n gt h es e e dt o s p r o u t 、 g r o 、n h 、 e n h a n c et h er e s i s t a n c ea n di m p r o v et h ea c m a le c o n o m i cc o n d i t i o n s i g i l a lg e n e r a t o ri so n eo fv e r yi m p o n a n ti 1 1 s t m m e n t ，w h i c hc a i lp r o d u c ed i 艉r e ms i 印a l w a v e f o m s ，丘e q u e n c ya n d 锄p l i t l l d e t h a ti sw i d e l yu s e di nt 1 1 ec i r c u i te x p e r i m e n ta n d e q u i p m e n tt e s t i n g i na d d i t i o nt 0c o m m u 面c a t i o n s ，i n s t m m e n t a t i o na i l da u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e mo ft e s t i n g ，i ta l s o 州d e l yu s e di i l o t l l e rn o n - e l e c t r i cm e a s u r e m e n t i nt l l i sp 印e r ，m r e e l ( i n d so fs i g n a lg e n e r a t o r 嬲as i g m ls o u r c eo ft h em a 印e t i cf i e l d ，u 恤c ho 疏re n e 唱yf o r e l e c 仃o m a g n e t i cf i e l d sc o n v e r s i o ni nm em a g n e t i cf i e l dc o i l 1 1 1 ed e s i 印o fp u l s e d 、c o n s t 锄ta i l da cm a g l l e t i cf i e l ds i 印a lg e n e r a t o ri i lm ep a p e r ，m a t s a l lr e a l i z e db yt i l ec o n t r o lo fm c u t l l r o u 曲 t r a n s m i t e dt ot l l ed as w i t c h ，c o m p l e t e sm e s i m u i a t e ds i g n a l t l l ec o n t r o lo fm c u t h ec o n t r o lw o r d sw 2 l s r a n s f o 肌a t i o nb e 似e e nd i g i t a ls i 盟a l st ot h e t h es y s t e m sd i 衔c u l t yi st h ep r o d u c t i o no ft h es i n u s o i d a ls i g n a l i tu s e st l l ed i r e c td i g i t a l f 托q u e n c yc h a r a c t e r i s t i cs y n m e s i s ( d d s ) c 1 1 i pa d 9 8 5 0t 0 r e a j i z et h ed e s i g 玛t h r o u 曲 e 颤b l i s h i n gt l l ep e r i p h e r a lc i r c u i tt oc a u s em eg e n e r a t o ro u t p u t i n ga m p l i t u d ew h i c hi sa1v d e f i n i t ev a l u es i n ew a v e t h es i g n a lw a v e f o n np e a k t 0 一p e a kv a l u e s 硼u s t 】 i l e n to fm es y s t e m u s e sm u l t i p l i e rc h i pa d 6 3 3f i n a l l y ，t h ec h i p o n ec h a l l n e li i a st 啪e do nt l l e1 vs i l 砣w a v e s i g l l a l ，锄ma i l o 也e ri n p u tc h 黜1 e lh a st 啪e d0 nt h eo u t p u ts i g n a l 舶mt l c 5 6 l5 ，恤 c o n 舡o l l e rt h r o u 曲a 由u s t i i l gt l c 5 6 l5t or e a l i z et 1 1 es i n u s 0 i d a ls i g n a l sa m p l i t u d ec o n 昀1 1 1 l i sd e s i 印s i m p l i f i e dt h ep e r i p h e r a lc i r c u i t 铲e a t l y ni sa d v a l l t a g e o u si 1 1t h er e d u c t i o n i n s t m m e n tv o l 岫e ，r e d u c i n gt h e 、e i g h ta l l dt h ec o s t t h et h r e em a g n e t i cf i e l ds i g n a lg e n e r a t o r si nt h ed e s i g n ，t h em a i np a r t so fe l e c t r i cc i r c u i t a r ea c t u a l l yt e s t e d ，t h r o u 曲t 1 1 ea 1 1 a l y s i st 0t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ；i n d i c a t em a tt h ee q u i p m e n t p e 、o m a j l c ec a nb a s i c l ys a t i s 黟t h ea n t i c i p a t e dr e q u e s t i o n k e yw o r d s ：s i 印a lg e n e 咖r ：b i o l o g i c a lm a g n e t i s m ：d d s ：a d 6 3 3 ；m a g n e t i cf i e i d s 河北大学 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教育机构的学位或证书所 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了致谢。 作者签名： 习固童 日期：作者签名： 到) 驾望 日期： 卫毕名月半日 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年月同解密后适用本授权声明。 2 、不保密。 ( 请在以上相应方格内打“”) 作者签名：三4 豆i 室0 一日期： 导师签名：日期： 保护知识产权声明 本人为申请河北大学学位所提交的题目为锵冲怛宾校妻磙锄笈倦瞄回神学位 论文，是我个人在导师夺顿) 指导并与导师合作_ f 取得的研究成果，研究工作及墨得 的研究成果是在河北大学所提供的研究经费及导师的研究经费资助下完成的。本人完全 了解并严格遵守中华人民共和国为保护知识产权所制定的各项法律、行政法规以及河北 大学的相关规定。 本人声明如下：本论文的成果归河北大学所有，未经征得指导教师和河北大学的书 面同意和授权，本人保证不以任何形式公开和传播科研成果和科研工作内容。如果违反 本声明，本人愿意承担相应法律责任。 声明人：匀且l 日期：日年上月 日 作者签名： 导师签名： 日期：珥年月上f i j 日期：幽年上月上只 第1 章引言 1 1 课题的来源及研究意义 第1 章引言 本论文源于省农林科学院植物保护研究所的一个横向课题，“外加磁场对苏云金芽 孢杆菌发酵毒力效价的影响”的子课题_ 夕i 、加磁场的研制。 生物磁学是近几十年发展起来的一门研究磁性、磁场与生物特性和生命活动之间相 互联系与相互影响的边缘科学。目前，已在农学、医学、环保及生物工程等领域得到较 广泛的应用。在农业科学领域内，磁处理可促进种子萌发、促进根系和幼苗生长、提高 作物抗逆性、改善经济现状等，这些磁生物效应已引起人们的关注，这方面的研究不但 提供了农作物增产的新途径，也丰富了生物磁学研究的内容，已成为生物磁学中一个十 分活跃的领域。 国外早在2 0 世纪6 0 年代，生物磁学就得到了广泛的应用和深入的发展，并且开始 了磁场和磁化水在农业上的应用，并取得了较大进展。我国于7 0 年代中期也开始了磁 化水浸种和灌溉试验；8 0 年代开始了磁场处理种子和磁性肥料的研究，并在分子水平上 探讨磁效应的作用机理：9 0 年代后开始注重磁处理对作物抗旱性和抗寒性的系统研究， 同时，用于大面积农业生产的磁性肥料投放市场，这些都为生物磁学在农业上的应用研 究和实际生产提供了便利条件【l l 。 横向课题中所要研究的苏云金芽孢杆菌( b a c i l l u sm u r i n g i e n s i s ，简称b t ) ，是一种革 兰氏阳性、产生杀虫晶体蛋白( i i l s e c t i c i d a lc r y s t a l ，简称i c p ) 及其他杀虫毒素，并能 寄生于昆虫体内引起虫体发病的芽孢杆菌。由于b t 具有卓越的杀虫效果和可以在人工 条件下大规模工厂化发酵生产的特点，自1 9 1 5 年被正式定名以来，在杀虫微生物领域 长期为世人所关注，进行了大量研究和应用。目前国际上b t 杀虫剂已有十几个品种， 其商品化生产主要集中在美国、法国、比利时和丹麦等国，而独联体国家和我国主要用 于本国防止害虫的需要。在整个微生物杀虫剂的市场份额中，b t 杀虫剂占9 0 以上，已 成为世界上研究与应用最广泛的微生物杀虫剂，在害虫生物防治中发挥了重要作用。从 某种意义上来说，b t 杀虫剂的研究和应用水平在一定程度上代表了一个国家在微生物杀 虫剂方面的发展水平。 生物磁学在农业上的应用研究范围目前只涉及到主要粮食作物、果树、蔬菜、食用 1 河北大学丁学硕十学位论文 菌和家畜、家禽饲养等方面，也报道了磁场对土壤微生物的影响。但有关磁场对苏云金 芽孢杆菌发酵的影响还未见报道，苏云金芽孢杆菌是一种重要的杀虫微生物，世界上广 泛用于防治多种害虫，苏云金芽孢杆菌和其他生物一样，在受到磁环境影响的情况下， 其生理特性必然发生变化f 2 1 。 为了提高苏云金芽孢杆菌发酵的毒力效价，河北省农林科学院植物保护研究所早期 以采用不同型号的磁化杯进行b t ( g 0 2 菌株) 发酵实验研究，结果表明部分磁化杯中 发酵液的毒力效价比对照高1 倍左右，这说明外加磁场可提高b t 发酵的毒力。为了深 入研究磁场对苏云金芽孢杆菌发酵毒力的影响，明确影响苏云金芽孢杆菌生长发育的磁 场参数，农科院植保所以筛选出的高毒力b t 菌株为研究对象，依据生物磁学在农业应 用原理和实验室在磁化杯中发酵效价提高的前期研究基础，提出外加磁场对苏云金芽孢 杆菌发酵毒力效价的影响的研究。研究内容如下： 1 不同磁场环境( 类型、强度、频率) 对苏云金芽孢杆菌生长发育的影响，明确不同 磁场参数与b t 菌株生长发育的关系； 2 不同磁场处理时间对b t 产生半孢晶体的影响； 3 外加磁场对苏云金芽孢杆菌发酵效价的影响，从而确立适宜苏云金芽孢杆菌发酵 的最佳磁场参数，为苏云金芽孢杆菌产业化发酵提供重要的科学依据。 磁场发生器作为以上研究中的一种重要的工具，其种类繁多。目前，市场卜用于产 生磁场的装置很多，按照结构来划分有：载流线圈，永久磁铁和电磁铁磁场等。磁场按 照信号源波形化分有：恒定磁场、交变磁场和脉冲磁场。按磁场强度的大小分有：微弱 磁场( 小于1 0 母t ) ，弱磁场( 1 0 9 1 0 4 t ) ，中强磁场( 1 0 4 1 0 t ) 和超强磁场( 大于 l o t ) 等【3 】。 在研究苏云金芽孢杆菌在磁场环境下的发酵毒力特性时，采用不同的磁场形式和磁 场大小会产生不同的效价影响，在植保所的横向课题研究中，采用的是载流线圈形式的 磁场发生装置，磁场大小为1o - 2 t 左右，属于中强磁场范围。 本课题就是在以上的研究背景下设计出定性、定量的磁场信号发生器，为进行苏云 金芽孢杆菌的研究提供良好的磁场环境，磁场信号发生器主要包括以下三个独立信号发 生器的设计： ( 1 ) 恒定磁场发生器的设计 ( 2 ) 脉冲磁场发生器的设计 2 第1 章引言 ( 3 ) 交变磁场发生器的设计 1 2 本论文主要内容及章节安排 本论文的任务是根据信号发生器的特点和应用情况，在确定了磁场发生装置的类型 和磁场强度的大小之后，结合新一代高性能芯片设计了一种使用简单、性能优良的信号 发生器。设计中的三个装置，独立的用于苏云金芽孢杆菌发酵毒力效价研究，通过观察 测试以分析在恒流、脉冲、交变三种不同形式、不同强度的磁场下杆菌的发酵情况。论 文中主要做了以下几方面工作： ( 1 ) 脉冲磁场发生器的硬件电路设计。介绍了脉冲宽度和脉冲周期均可调节的脉冲信 号发生器的硬件电路原理，对按键输入和液晶屏显示模块电路详细研究，同时分析了 i g b t 驱动电路的工作原理。 ( 2 ) 恒定磁场发生器的硬件电路设计。介绍了外接磁场线圈电流控制在2 a 以内的恒 定信号发生器的硬件结构，着重分析了p i d 调节电路的工作原理和参数设定，同时在磁 场强度信号的采集过程中，采用了双霍尔传感器的差分运放采集计算方式，大大提高了 测量的精度。 ( 3 ) 交变磁场发生器的硬件系统设计。首先介绍了装置的核心器件一a d 9 8 5 0 信号发 生电路的原理结构，为了满足信号的幅度可控性，采用了a d 6 3 3 设计了a m 模拟调制 电路，并设计了信号放大和滤波电路。在反馈信号采集电路中，运用了峰值检测电路， 很好的实现了磁场信号的整流，滤波，最后转换为直流模拟信号送给单片机。 ( 4 ) 系统的软件设计。介绍了三种磁场发生器中软件设计的具体实现方式，分别对三 个设计系统按功能模块从总体上进行了程序流程划分。并对设计中的主要部分做了重点 说明。 ( 5 ) 系统设计总结。对系统的测试结果进行分析说明，介绍系统在设计过程中遇到的 问题以及改进的方法，对设计中不足之处进行列举说明并提出日后的改进方向。 河北人学下学硕十学何论文 第2 章脉冲磁场发生器的电路设计 2 1 脉冲磁场发生器的总体结构概述 ：dz 2 c 存储器电路 液晶显示问 单 片 机 两。 控 制 单 t = = = h 元 岁【功率驱动电路 卜= 键盘控制 莎 e = = = 十 = = 图2 1 脉冲磁场发生器总体框图 脉冲磁场发生器主要由以下四大模块组成：液晶显示模块、键盘控制模块、，2 c 存 储模块以及功率驱动模块。其中人机交互界面由液晶和键盘控制模块来完成，单片机控 制单元实时扫描按键输入，根据输入的按键控制字执行相应的操作，液晶显示模块完成 数据的显示和装置当前状态。进行装置数据参数的设置调节后，设置参数自动保存到 ，2 c 存储电路中，以备同后数据的调用分析。功率驱动部分主要完成信号由小功率到大 功率的转变，是电路设计的重点部分。 2 2 脉冲磁场发生器各部分硬件电路详解 2 2 1 微控制器a t 8 9 c 5 2 考虑到系统设计的需要，我们选用了a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 2 作为控制系统的核心。 a t 8 9 c 5 2 芯片内含8 k 字节的可反复擦写的程序存储器( f l a s h ) ，以及2 5 6 字节的随机 存取数据存储器( r a m ) ，是一款低电压高性能c m o s8 位单片机。器件采用了高密度、 非易失性存储生产技术，与标准m c s 5 1 指令系统及8 0 5 2 产品引脚兼容，芯片内置通 用8 位中央处理器( c p u ) 和f l a s h 存储单元，a t 8 9 c 5 2 单片机适用于许多较复杂系统 的控制应用场创4 】。 4 第2 章脉冲磁场发生器的电路设计 主要性能参数： 8 k 字节可重复擦写f l a s h 闪速存储器 2 5 6 8 字节内部r a m 3 2 个可编程i o 口线 3 个1 6 位定时计数器 8 个中断源 与m c s 5 l 产品指令和引脚完全兼容 1 0 0 0 次擦写周期 全静态操作：0 h z 2 4 m h z 三级加密程序存储器 可编程串行u a r t 通信 低功耗空闲和掉电模式 微控制器a t 8 9 c 5 2 在本系统中处于核心的控制地位，脉冲信号发生器以及后面两 个设计中的所有控制功能，都是通过对其编程实现的，它是整个系统的灵魂所在。 2 2 2l c d 液晶显示模块接口电路 1 t 6 9 6 3 c 图形液晶显示模块的电路特性【蛐】 随着电子技术的迅速发展，点阵式液晶显示技术也同趋完善。点阵式液晶显示器以 其体积小、功耗低、开发周期短、使用灵活、安全可靠等优点，在智能仪表中得到越来 越广泛的应用。本系统中采用的是内置t 6 9 6 3 图形液晶显示控制器的y l f 1 2 8 6 4 点阵 式液晶显示模块，它不但可以显示数字、字符，而且可以显示汉字及图形曲线，实现了 在智能仪表操作过程中的人机对话。 内置t 6 9 6 3 c 控制器型液晶显示模块的驱动控制系统主要包括以下几部分：行驱动 器组、列驱动器组、液晶驱动偏压电路、液晶显示控制器t 6 9 6 3 c 及周边电路。t 6 9 6 3 c 的最大特点是具有独特的硬件初始值设置功能，一些显示驱动参数如驱动传输字节数、 占空比系数、行及字符的字体选择等均可由硬件设置。t 6 9 6 3 c 支持4 种字体显示方式， 可用图形方式、文本方式及图形和文本合成方式进行显示，并支持屏拷贝功能。内置 t 6 9 6 3 c 的单屏点阵图形液晶显示模块结构如图2 2 所示： 河北大学t 学硕七学位论文 捧劁亟纠 。l - h ， = _ 行驱动器组 卜 卜 ny 数据总笃 ： p t 6 9 6 3 c 器 浏列驱动器组| “= d ny 芯片 d b 0 - d b 7 1 8 kl 汕 y 电源线 图2 2 内置t 6 9 6 3 c 的点阵图形液晶显示模块原理图 点阵式液晶显示控制器t 6 9 6 3 c 具有以下特点： ( 1 ) 液晶显示控制器t 6 9 6 3 c 能够直接与8 0 系列的8 位微处理器接口； ( 2 ) t 6 9 6 3 c 液晶图形显示控制器具有内部字符发生器c g r o m ，共有1 2 8 个a s c i i 码字符； ( 3 ) t 6 9 6 3 c 占空比为1 1 6 到1 1 2 8 可调； ( 4 ) t 6 9 6 3 c 液晶图形显示控制器可以管理6 4 kr a m 作为显示缓冲区及字符发生器 c g r a m ，允许单片机随时访问显示缓冲区，并能够进行换位操作。 由于以上特点，点阵式液晶显示模块成为智能仪表设计中不可缺少的一部分。 2 a t 8 9 c 5 2 与t 6 9 6 3 c 液晶显示模块的接口设计 内景t 6 9 6 3 控制器的液晶显示模块与单片机通信通常有两种接口方式，一种为直接 访问方式，一种为间接访问方式。直接访问方式中，单片机以访问存储器或者设备 的方式操作液晶显示模块，显示模块的数据线与单片机的数据总线相连，片选及寄存器 选择信号由单片机的地址总线提供，读和写操作由单片机的读写信号控制。间接访问方 式是液晶显示模块与单片机系统中某个并行i o 接口连接，通过对该i o 接口的操作间 接的完成对液晶模块所需时序的操作和数据的传输7 1 。间接控制方式在硬件电路上需要 一个8 位并行接口与液晶模块的数据线相连，作为数据总线，还需要一个3 位并行接口 作为时序控制线。在本设计以及后面两个设计的屏操作电路中，均采用的是直接访问方 式，接口电路如图2 3 所示： 6 第2 章脉冲磁场发生器的电路设计 7 图2 3 液晶屏接口电路 以上电路中，电阻r 2 是一个可调电阻，用于控制液晶屏的亮暗度。单片机的c d 接口用于选择对液晶屏是进行数据操作还是指令操作，其中接口电平为低时进行数据操 作，为高电平时进行指令操作。i 爪佩为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平 时进行写操作。当c d 和r d 佩佩共同为低电平时，可以向l c d 写入指令或者显示地 址，当c d 为低电平r d 爪r 为高电平时可以读忙信号，当c d 为高电平r d 厂v 限低电 平时可以向l c d 写入数据。c e 端为片选使能端，由低电平跳变成高电平时，液晶模 块执行命令操作。接口a d o a d 7 是8 位双向数据线，和单片机的数据口直接相连。通 过对电路的各个元件进行地址规划，设定液晶屏的指令通道地址为o x 0 1 0 0 ，数据通道地 址为o x 0 0 0 0 ，这样就可以通过对设置地址直接操作来实现对液晶模块的数据通信。 2 2 3 外接，2 c 存储器电路模块 在本设计中的一些参数，比如设定的脉冲波形的周期、个数等，不仅要求能够进行 实时修改，而且要求在断电后数据能够不丢失，保证它下次上电时能够读取原来的数据 并恢复原来的状态。本设计中选用，! c 总线进行! 尸尺d m 串行扩展，考虑到存储量大 小，芯片选用a t 2 4 c 0 4 ，4 k 存储空间，它与单片机a t 8 9 c 5 2 的接口电路如图2 - 4 所示： 7 河北人学下学硕+ 学位论文 图2 4 ，2 c 存储器电路模块 j 2 c 总线是一种简单的双向二线制同步串行总线，它只需要两根线( 串行时钟线和 串行数据线) 即可在连接于总线上的器件之间进行信息的传输。，2 c 总线上的器件都可 由软件以唯一的地址寻址阳3 。其中，s c l 为模拟时钟输入信号，s d a 为双向数据线，在 模拟时钟信号s c l 的作用下，可实现对a t 2 4 c 0 4 芯片5 1 2 字节地址范围内的寻址，能对 任意地址空间进行读和写。采用，2 c 总线控制简单，数据传送时采用由高位到低位的发 送方式。 2 2 4 按键接口电路模块 在人机交互系统中键盘是不可缺少的输入设备，它是由若干个按键组成的开关矩 阵，操作人员可以通过键盘灵活的输入各种设置参数以调节系统的运行，方便的实现人 机对话。在本设计中采用的是独立式按键输入，这是一种最简单的键盘控制，每个按键 单独占用一根i o 口线，各个i o 口的工作状态都不会受其他i o 口的影响，m c u 只需 通过检测输入引脚的电平状态就能判断按键状态1 9 】。 独立式键盘的电路设计简单灵活，软件调试也较容易，但由于每个按键需占用一个 i o 口，当按键数量较多时，会占用大量的i o 口资源。因此，独立式键盘一般应用于 按键较少或者要求操作数量较多的场合。本设计中接入了三个按键用于进行输入参数的 3 第2 章脉冲磁场发生器的电路设计 设置和装置的运行，参数设置主要针对脉冲周期、脉冲宽度、终止时间等。硬件电路中 在每个i o 口上都增加了上拉电阻。软件设计中采用了查询方式结构，先逐位查询每根 i o 口线的电平状态，如果检测到某一根i o 口线为低电平，则可确定该i o 口线所对应 的按键已按下，然后转向该键的功能处理程序执行相应操作。在处理程序中增加了消抖 程序，大大提高了键值读取的正确性。 按键与单片机a t 8 9 c 5 2 的接口模块电路如图2 5 所示，电路中按键输入低电平有效， 上拉电阻保证按键断歼时，i o 口线有确定的高电平。当i o 口线内部有上拉电阻时， 外电路可不接上拉电阻。 2 2 5 功率驱动电路模块 图2 5 按键接口电路 1 驱动芯片i r 2 1 1 0 简介 在设计中为了增大输出回路的驱动能力，我们采用了i g b t 功率放大电路。对于驱 动m o s f e t 和i g b t 电压型功率器件，国内外已经推出了多种具有保护功能的智能型驱 动器。它们有许多优点，如具有多种保护功能、隔离驱动、电路参数一致性好、运行稳 定可靠等。本设计中采用的是i i 毪1 l o ，该芯片是一种双通道、栅极驱动、高压高速功率 器件的单片式集成驱动模块，芯片内采用了高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑 电路的可靠性。同时具有自举浮动电源，使得驱动电路非常简单，只用一路电源就可同 9 河北大学丁学硕七学伊论文 时驱动上、下桥臂f l o j 。 i r 2 1 1 0 采用c m o s 工艺制作，逻辑电源电压范围为5 2 0 v ，适应t t l 或者c m o s 逻辑信号输入，具有独立的高端和低端2 个输出通道。由于逻辑信号均通过电平耦合电 路连接到各自的通道上，允许逻辑电路参考地( v s s ) 与功率电路参考地( c o m ) 之间 有5 v 和+ 5 v 的偏移量，并且能屏蔽小于5 0 i l s 的脉冲，这样有较理想的抗噪声效果。采 用c m o s 施密特触发输入，以提高电路抗干扰能力。采用d i p l 4 封装形式，引脚如图 2 6 所示。 l o c o m 、嚣s 、cu n s d y s圃 l 刀l 刃d h o 图2 喝i r 2 1 1 0 管脚图 引脚l 和7 是两路独立的输出，分别是l o ( 低端输出) 和h o ( 高端输出) ，引脚3 和6 分别是v c c ( 低端电源电压) 和v b ( 高端浮置电源电压) ，引脚9 ( v d d ) 是逻 辑电路电源电压，引脚2 ( c o m ) 是低端电源公共端，引脚5 和1 3 分别是v s ( 高端浮 置电源公共端) 和v s s ( 逻辑电路接地端) ，引脚l o ( h n ) 是逻辑输入控制端，引脚 1 1 ( s d ) 是输入关闭端，引脚1 2 ( l i n ) 是低端逻辑输入。i r 2 1 1 0 浮置电源采用自举 电路，其高端工作电压可达5 0 0 v ，工作频率可达到5 0 0 k h z 。两路通道均带有滞后欠压 锁定功能】。 2 i r 2 1 l o 驱动电路设计 应用于脉冲调压电路的i r 2 l l o 驱动电路如图2 7 所示，在该电路中由于只使用了 一路驱动，在电源输入端没有并联电容，如果需要两路驱动输出，这时自举电容一般用 一个大电容和一个小电容并联使用1 1 2 1 ，这样可以有效吸收高频毛刺干扰电压。i r 2 1 1 0 的开通与关断传输延迟时间基本匹配，开通传输延迟时间比关断传输延迟时间长2 5 n s ， 这样保证了在使用两路驱动输出时，两个内部的功率管在工作时不会发生同时导通，从 而避免了直通故障的发生。 i o 第2 章脉冲磁场发生器的电路设计 了 图2 7i r 2 1 1 0 驱动电路 i g b t 功率器件的栅源极的驱动电压一般为c m o s 电平( 5 v 2 0 v ) ，在设计中采用 的是+ 8 0 v 的电压，磁场线圈的阻值为： 。 尺。p i ( 2 1 ) 其中p = 1 7 1 0 为铜的磁导率，l 为铜线的长度，s 为铜线的横截面积，经计算螺 线圈的电阻值r 2 6 q ，线圈回路中最大电流设簧为3 a 。为了保护i g b t 在栅极增加保 护电路，电路中d 2 稳压二极管限制了所加栅极电压，另外电阻r 5 进行了分压，同时 也降低了栅极电压。为了更加安全，在电路中，功率管的栅极串联了电阻i 起限流作 用，二极管d 1 在栅极输入由高突变为低时起泄流作用。 考虑到i r 2 1 1 0 内的功率器件t l 在开关过程中容易产生浪涌电压，瞬时的浪涌电压 会损坏元件，所以在i g b t 驱动电路中采用稳压二极管d 3 钳位浪涌电压。 在i r 2 1 1 0 驱动j g b t 时要注意电压和电流的大小，过电压和过电流都会造成器件 的损坏。i g b t 的快速开通和关断在大大提高工作频率、减小开关损耗的同时，也由于 开关过程中主回路的电流突变，引发电感产生很高的尖峰电压，该电压是i g b t 损坏的 主要原因，因此要在栅一射极间加旁路保护电阻，取值范围为5 l o k q 。在对电流要求 严格的场合中，还需设置电流保护电路i l 引，在本设计中这部分没有重点涉及到，不做另 外说明i i 引。 河北大学t 学硕十学位论文 2 3 脉冲磁场发生器系统的软件设计 2 3 1 系统软件设计步骤 硬件电路设计完成后，系统剩下的功能主要由系统软件来实现。系统正常的工作， 合理的硬件电路设计必不可少，同时还要求有功能完善的软件设计配合。本论文中涉及 到的三种磁场发生器软件设计部分采用的语言均为c 语言，它具有可读性强，移植性好 等特点。软件调试环境为k e i lc 5 l ，所有程序都在k e i lc 5 1 的编译环境下进行编译、编写 和调试完成。为了有条理的完成系统的软件设计，系统的软件设计程序我们主要分为以 下几个步骤： 1 根据用户提出的设计要求分析问题，对软件所要完成的功能有一个清楚的认识。 2 根据设计要求写出软件设计的总体框图以及各模块的流程图。 3 按照流程图的要求编写程序。 4 在k e i lc 环境下，链接w a v e 6 0 0 0 仿真环境，使用w a v e 6 0 0 0 仿真器连接硬件电 路板调试程序，改正程序中的错误，验证所编写的程序能否在硬件电路上正常 运行。 5 对程序进行优化，可以使用循环程序和子程序来缩减程序所占的内存空间，通 过对算法的优化来减少程序的运行时间。 6 程序完全调试正确后，使用r f 2 1 4 8 编程器，下载。 2 3 2 系统软件设计总体说明 脉冲磁场发生器系统的软件设计主要包括两部分，一个是磁场发生器工作参数设置 部分，另一个是磁场发生器工作状态部分，主程序流程图如图2 8 所示。 系统上电之后，首先对包括l c d 在内的外挂器件进行初始化，接着进入欢迎界面， 3 s 钟之后，系统进入状态选择界面。在第一次启动系统时，1 2 c 存储器参数存储单元自动 初始化为零，各参数项均初始化为零，以后每次启动系统时，各项参数默认恢复为上次 系统退出时的状态。 第2 章脉冲磁场发生器的电路设计 图2 8 脉冲磁场软件设计总流程图 系统在实现与用户的交互过程中，处理器通过接口电路控制键盘和显示部分，当有 按键按下时，处理器识别按键编码，然后调用该键值对应的子程序，同时显示当前的工 作状态和参数。如果判断进入的是参数设置状态，这时可以对脉冲的四项参数，包括： 脉冲周期、脉冲宽度、中止时间和脉冲个数各项参数，通过调用各自独立的子程序完成 设置，并能够在返回状态时对设置好的参数进行存储，以备待用。如果判断进入的是磁 场发生器工作状态，这时候进入磁场信号产生部分，控制器根据1 2 c 存储器中存储的各 项脉冲参数值，一方面通过i o 口输出符合要求的脉冲波形，另一方面定时的查询按键， 当检测到“中止”键被按下时，中止输出，跳出循环，返回到参数设置界面，并将上次 各项参数的设置结果显示在l c d 上，等待着下一次按键的输入判断。 河北大学j r 学硕士学位论文 2 3 3 参数设置部分软件设计 参数设置部分软件流程图如图2 9 所示，在系统进入参数设置状态后，微控制器首 先判断读取的键值的大小，然后根据键值来选择需要进入的操作，每个操作对应不同的 设置选项。在设计中采用了三个按键控制输入，为了实现对脉冲多个参数的设置，设计 中通过移动“上移”“下移”按键来选择相应的设置项，并通过对移动后的键值进行判 断来执行相应的命令操作。相关操作说明如下： 图2 9 脉冲磁场参数设置流程图 1 按键值对应的0 x o l o x 0 4 命令分别对应脉冲宽度、脉冲周期、中止时间和脉冲个 数的设黄。在进入每个参数的设置页面之后，参数的初始值默认为上次系统退出时的参 量大小，如果这时参数没有在计算公式的大小范围内，则默认为计算范围的最小值为当 前参数，以后的调节在此参数基础上进行变化。参数的计算公式说明见表2 1 。 2 按键值的0 x 0 5 命令对应装置运行中的中止操作，当外部磁场环境要求输出到磁 1 4 第2 章脉冲磁场发生器的电路设计 场中的电压信号为0 时，按下“中止”按键，程序强制退出循环、中止输出并跳转到参 数设置界面，这时i o 口输出置为低电平。 表2 1 脉冲波形参数范围表 波形参数参数范围步进值对应键值 脉冲宽度( 瓦) o 1 m s 1 0 m so 1 m s0 x 0 1 最小值一2 0 0 m s 脉冲周期( e ) 卧值馏黑三二， l m so x 0 2 中止时间( 五) l s l o o s1 so x 0 3 脉冲个数 1 1 0 01o x 0 4 2 3 4 液晶屏显示子程序设计 由于显示的信息行数不需要很多，同时为了减小设备体积，本系统选用的是型号为 y l l 2 8 6 4 1 0 的液晶显示模块，这是一种以t 6 9 6 3 为液晶显示驱动控制器的小规模液晶 显示模块，具有低功耗、低成本、集成化高的优点1 15 1 。 表2 2t 6 9 6 3 指令表 控制状态指令代码 指令名称指令功能 c dr dm r ( d 7 一d 0 ) 地址指针设置 l102 l h 2 2 h2 4 h 设置光标，偏置寄存器及地址指针 显示区域设置 ll04 0 h 4 3 h 设置显示首址和区域 显示方式设置 l108 0 h 8 f h 设置显示合成方式 显示状态设置 l109 0 h 9 f h 光标，屏幂显不开天 光标状态设置 110a o h a 7 h 选择光标形状 数据自动读写设置 l10b o h - b 3 h 向显示r a m 自动读写数组 数据一次读写设置 ll0c o h c 7 h 向显示r a m 读写数据一次 屏读( 一字节) 设置 11oe o h 把屏上数据送入数据栈供调用 屏拷贝( 一行) 设置 ll0e 8 h 把选中行显示数据拷贝到图形区 位操作 l10f o h f f h 把选中单元某一位清零或置位 数据写操作 ol0 数据 向显示r a m 写数据 数据读操作 0o1 数据 从显示r a m 读数据 在内置芯片t 6 9 6 3 的控制下，它可以显示四行，每行1 6 个独立的字符。在本系统中， 河北大学：r 学硕士学位论文 它的作用是用于显示当前系统所在的状态及相关的数据信息，显示内容为输出信号的参 数值，包括信号宽度、周期、个数、中止时间以及相对应的单位等【1 6 1 。 显示功能的设置主要由软件编程写入控制指令来完成，各指令名称代码如表2 2 所 示。在设计中用到的操作指令主要包括显示区域设置、地址指针设置、显示方式设置、 显示状态设置、数据自动读写方式设置。在对当前状态进行判断后，直接向液晶屏控制 器写相应的指令就可以实现屏的读写操作。 碰弋= 二 ，产l碰，j r 怒t 竺竺二扩 愚瑕 o f 、- _ - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ - i 揣弋二二二 一 例姗弋：，一 黼上至之当酗弋一 图2 一1 0t 6 9 6 3 信号时序图 在指令的读写操作时要注意t 6 9 6 3 c 接口部的工作时序，如图2 1 0 所示。在控制器 向t 6 9 6 3 写入带有参数的指令时，要首先向数据通道写入参数，然后再向指令通道写入 指令代码，t 6 9 6 3 这时才会根据指令代码的含义将数据栈内最近写入的数据作为其参数 一同进行处理，否则，t 6 9 6 3 不会出现响应。读显示数据也是如此，先写入读操作指令 代码，然后控制器的读数据操作将数据栈中的数据读出【。 在对液晶屏进行编程时首先要对屏初始化，然后执行相关显示内容( 频率、幅度、 周期等) 。在此过程中，执行每条指令前先检查忙标志( b f ) ，只有当返回空闲指令时，才 能执行下一条指令。程序流程图如图2 1 1 所示。 1 6 第2 章脉冲磁场发生器的电路设计 图2 1 l 液晶屏读写流程图 1 7 河北大学t 学硕+ 学位论文 第3 章恒定磁场发生器的电路设计 3 1 恒定磁场发生器的总体结构概述 恒定磁场发生器的系统框图如下图所示： 磁场强度测量模块 l - 一一- 一一- 一一一，一 图3 - l 恒定磁场发生器系统总体框图 恒定磁场发生器的电路设计包括液晶显示、键盘控制、信号发生、反馈电流采集和 磁场强度测量几大模块，其中液晶显示、键盘控制模块电路与脉冲磁场类似，不做详细 介绍，下面主要介绍一下其他三个模块的功能： 1 信号发生处理模块：此模块主要用于形成稳定的恒流信号。微控制器按照实验 测试的要求将设定的控制字通过串行线传送给d a 转换器，产生符合要求的稳定恒流 信号，信号调节电路用于有效的消除输出残差，保证系统输出信号的稳定性。 2 反馈电流采集模块：通过a d 转换器定时采集线圈磁场中的实际电流，并反馈 给m c u ，m c u 通过分析比较采集信号与输出恒定信号的大小，自动调节输出到d a 转换器中的控制字，实现了输出电流的自调节功能。 3 磁场强度测量模块：通过霍尔传感器采集磁