国家大学生创新实验计划申报表（孟桥-便携式宽频的BH测量平台

东南大学国家大学生创新性实验计划项目申报表项目名称：便携式宽频的B-H测量平台项目申报（负责）人姓名：徐弘升所在院(系)：信息科学与工程学院项目所属一级学科：信息与通信工程专业：信息工程年级：三年级学号：04005325身份证号码：320102198703170014联系电话：[phone]电子信箱：[e-mail]东南大学教务处项目成员信息成员1（项目申报人）姓名：徐弘升性别：男身份证号码：320102198703170014年级：三年级专业：信息工程联系电话（手机）：13951926010邮件地址：[e-mail]成员2姓名：姜泉性别：男身份证号码：230102198506243438年级：三年级专业：信息工程联系电话（手机）：13645181220邮件地址：[e-mail]成员3姓名：曹飞性别：男身份证号码：3202031986122212年级：三年级专业：电子工程联系电话（手机）：13951671258邮件地址：[e-mail]成员4姓名：曹翔性别：男身份证号码：320203198612221236年级：三年级专业：信息工程联系电话（手机）：13851750823邮件地址：[e-mail]成员5姓名：王耀性别：男身份证号码：320582198611122633年级：三年级专业：信息工程联系电话（手机）：13770757544邮件地址：[e-mail]项目指导教师信息指导教师1姓名：孟桥性别：男年龄：42职称：教授职务：副院长所属院系：信息科学与工程学院联系电话（手机）：联系电话（办公室）：025－83793303联系电话（宅电）：025－83614269邮件地址：[e-mail]指导教师2姓名：李文渊性别：男年龄：42职称：副教授职务：所属院系：信息科学与工程学院联系电话（手机）：13851987792联系电话（办公室）：025－83793303－联系电话（宅电）：邮件地址：[e-mail]指导教师3姓名：苗澎性别：男年龄：35职称：讲师职务：所属院系：信息科学与工程学院联系电话（手机）：13915950757联系电话（办公室）：联系电话（宅电）：邮件地址：[e-mail]项目名称：便携式宽频的B-H测量平台1、项目简介（研究内容、目的意义、具体目标等）本项目的目的是基于嵌入式处理器、FPGA技术和信号处理技术设计一个便携式宽频带(50Hz－1MHz)的磁性材料性能自动测量（简称B－H测量）系统，能够对各种频率条件下磁性材料的动态磁滞回线进行测量，计算出磁性材料在各种频率下的矫顽力Hc剩磁Br饱和磁感应强度Bs起始磁导率μi、最大磁导率μm磁滞损耗Pu、相对磁导率（弱磁材料）；并能绘制磁滞回线、磁导率曲线及起始磁化曲线，模拟冲击法测量磁化曲线上的μ、μm等参数，为磁性材料的研制和生产提供快捷可靠的分析数据。磁性材料是构成电感器件的关键材料。随着移动通信等技术的不断发展，电子系统的工作频率越来越高，小体积、低损耗、高工作频率的电感器件（特别是贴片电感）的需求也越来越大，而作为其关键材料的磁芯则是影响电感质量的关键。磁性材料研制和生产质量控制过程中，必不可少地需要进行大量的样品测试工作，自动化的测量系统可以大大加快测试进度和测量的精度，对磁芯材料的生产和开发有着重要意义。目前在磁性材料生产厂家使用的测量方法有人工测量方法和自动测量方法。人工测试方法利用一些专用的仪表（例如高斯计、Q表，电桥、磁强计、功率仪、阻抗分析仪等）进行测量，仪器成本相对较低，但是测量效率低，得到的参数不全面；而自动测量方法则使用数字采集和信号处理的方法对构成一个全面的测量系统，通过扫描法以及模拟冲击法对磁性材料进行测量，可以一次性得到Hc、Br、Bs、μi、、μm、Pu、磁滞回线、磁导率曲线等各种参数和图形，但是这种系统价格比较高，特别是能够在宽频率范围工作的设备尤其如此。目前测量频率能够达到1MHz以上的自动化的磁性材料自动测量系统主要从国外进口（例如日本延岩崎公司），价格昂贵（价格在几十万USD）。国内一些厂家生产的测量系统能够达到的频率为300KHz－500KHz，与国外类似产品有很大的距离，而且大都采用计算机作为主控机，设备比较复杂，对环境要求高，只能在实验室中使用，不便携带以及在恶劣的工业生产环境下使用。而当前由于手机等电子设备对低损耗高频率的电感器以及相应的磁性材料的需求不断上升，厂家在研制和生产高频磁性材料的过程中对这种仪器的需求也在不断增加，所以研制高性价比的宽频带的磁性材料自动测量系统就成了当务之急。在本项目中，我们将通过应用FPGA和嵌入式系统，完成一个方便移动的、可以在各种恶劣的工业生产环境下使用的便携式宽频带的磁性材料性能测试台的研制。系统具有以下特点：z参照国标GB3657-83和国家计量检定标准JJG34-84、JJG407-86等测量规范，对磁性材料进行完整的参数和测量曲线的测量和绘制，为磁性材料的研制和生产提供快速准确的数据；z可以测量的频率范围为50Hz-1MHz，满足厂家对高频磁性材料生产和研发的需要；z通过数字信号处理技术对测量信号进行处理，提高测试精度和抗干扰能力；z系统提供5英寸以上的TFT彩色液晶屏显示，可以给出丰富完善的测量界面和测量结果；z提供完善的数据存储和传输途径，测量数据可以保存在U盘等媒介中，可以通过网络进行数据传输；z通过FPGA和嵌入式系统技术的应用，将除了功放以外的测量系统合为一体，缩小系统体积，简化系统规模和复杂型，提高仪器的可靠性和抗干扰能力，便于携带，可以在工业生产的恶劣环境下使用；z提供多种测量模式，满足各种使用场合对仪器使用的需求。例如，可以根据用户的设置，一次性地完成多种测量条件下样品的测量，给出综合性测量报告。2、研究技术路线及可行性一、技术路线本系统将采用扫描法完成磁性材料测量任务，系统框图如下。系统由以下几个部分组成：1）信号发生器：用于产生测量所需要的测量信号，；2)功率放大器：用于放大测量信号；3）测试平台：用于安装测试样品；4）数据采集系统：完成测量数据的采集；5)主控系统：完成整个测量系统的控制，提供良好的测量人机界面，完成测量数据处理、存储、测量结果的显示以及相关的数据传输，系统的工作过程如下：1）主控系统根据用户设置的需要，计算测量条件，控制信号发生器输出指定频率和幅度的测量信号；2）信号发生器的信号通过功率放大器，加载到测量样品上；3）数据采集系统根据主控系统的指令，对测试平台给出的测量信号进行粗测；4）主控系统根据粗测结果调整信号发生器的信号，使其满足测试条件要求；5）系统经过调整达到测试条件以后，数据采集系统对测试台信号进行精确测量；6）主控系统接收精测数据对磁性材料的特性进行计算，得到各种参数，绘制出测量结果的图形以及测量结果报表。以上的过程是针对一种测试条件进行的。系统将提供复合测量功能，根据用户也设定的测量程序，一次性地完成一种样品多种条件下的测量结果。我们将通过调研，了解用户可能的测量方式组和，设置快捷的设置方法，方便用户使用。二、研究技术路线可行性分析：1）信号发生器将通过FPGA，运用直接频率合成技术和DAC设计完成。使用超高速硬件描述语言VHDL编程完成电路设计；提供程控接口，接收主控系统的控制信号；通过控制DAC的参考电压，实现信号幅度的调节；最终输出1～12V、50Hz～1MHz的正弦波信号。2）功率放大器拟采用东南大学电路与系统学科目前已经研制成功的宽带功率放大器。它可以完成50Hz~1MHz信号的功率放大，输出电压范围可以达到±70V，完全可以满足测量需要。3）测试平台提供一个测量样品的接口，采用卡扣式的接线柱，方便用户使用。4）数据采集系统采用FPGA完成设计，配以两路高速ADC实现两路信号的同步采集，最高采样率100MHz，精度8bit；提高多种可选的采样频率，满足各种频率条件下的需要；采用高速RAM作为数据缓存，存储深度64K；通过前置的可变增益放大器进行量程控制，满足测量精度要求。5）主控系统采用基于ARM2410的嵌入式系统开发板，配接彩色TFT液晶屏和触摸屏，采用嵌入式Linux或者WinCE操作系统，利用系统开发板提供的二次开发函数库和控件，实现对基于FPGA的正弦波测量信号发生器、高速数据采集系统等整个系统模块的控制；对采集到数字信号进行处理和计算。同时ARM还提供了良好的网络接口以及对TCP/IP协议的支持，可以接驳U盘等移动存储设备，为测试数据的传输和存储提供了有利条件。6）在C语言中嵌入信号系统的算法，实现滤除干扰。运用WinCE或者Linux下QT、MINIGUI图形界面程序，实现人机交互图形化用户界面GUI设计。7）由于应用了FPGA和嵌入式系统设计技术，可以大大减小系统的体积，便于用户携带到各种场合使用；同时因为系统集成度高，抗干扰能力强，可以在具有强干扰的恶劣环境下使用，克服了计算机系统对环境的苛求。3、学科门类■工学□理学□医学□文学□管理学□哲学□经济学□法学□教育学□其他4、特色与创新体现（50字以内）1）研发具有自主产权、测量频率50Hz－1MHz的宽频带磁性材料自动测量系统，降低产品成本，打破国外在这方面的垄断；2）采用FPGA技术和嵌入式系统，降低系统规模和设计难度，提高系统的工作频率，并且大大减小了设备的体积，对环境要求低，方便用户携带到各种场合使用；3）采用嵌入式技术，在提供了良好的人机交互界面、网络以及多种存储设备的支持的同时，系统规模和复杂性大大降低；4）采用数字信号处理技术解决测量中的干扰、失调、漂移等问题，通过软件方式可以实现系统的升级，为产品升级换代提供了良好的手段；5）密切结合生产实际，建立多种测量模式，适应研发、生产等各种应用场合的需要。5、对项目的兴趣所在和已有的知识积累或实践基础项目组成员承担过多项课外研学活动，对本项目进行了详细的调研，对项目的内涵有了深入的了解并作了详细的规划。同时，一些已经学习和正在学习的课程也为本项目的研究打下良好的基础。1）在本学期的嵌入式硬件设计开发的课程中，我们已经接触到了ARM嵌入式系统，并且开始独立进行设计实验。在此过程中我们了解到嵌入式的各项优点和广泛的运用，产生了浓厚的兴趣。我们原创性的将嵌入式系统引入到磁性材料测量的领域中，在我们原有的知识基础上再进行突破。2）小组成员的大一的C语言课程都相当优秀，通过综合程序设计的锻炼，我们的基本功更加的扎实，以C语言为载体，嵌入信号系统的算法，这让我们产生了浓厚的兴趣。3）在“计算机结构及逻辑设计”、“超大规模集成电路设计”等课程以及大三短学期的实验中学习，掌握了FPGA设计方法，实践了VHDL语言编程，完成了小课题的设计和开发；并且正参加学校的CPLD竞赛，作品已经完成。4）学校的数字电路竞赛我曾经获得过一等奖，组员王耀已经完成了两个获得优秀得SRTP项目；在动手能力上，和硬件操作上我们都有不错得基础。5）项目组成员在数学、物理以及数字信号处理技术（包括MATLAB的仿真运用）等课程中打下了良好的基础，对课题中的信号处理方法（算法）以及解决测量中的干扰、失调、漂移等问题有了初步的方案。我们将结合在项目实施过程中遇到的实际情况制定最终的信号处理方案。6、项目实施年限□1年■2年□3年7、项目进度安排可就下列工作逐项进行安排（文献查询、社会调查、方案设计、实验研究、数据处理、研制开发、撰写论文或研究报告、结题和答辩、成果推广、论文发表、专利申请等）2007.11进一步文献查询、需求分析；复习巩固相关的物理电磁理论；巩固并加深数字信号处理、嵌入式、FPGA等专业基础和专业课理论知识；掌握磁性材料测量系统的原理。2007.12-2008.1系统方案设计和论证，ARM开发板的选型、购买及开发。2008.2-2008.8数字信号处理的算法设计；FPGA设计及编程，掌握电路设