一种基于量子效应的磁场测量实时读出方法技术

一种基于量子效应的磁场测量实时读出方法，包括一种基于量子效应的磁场测量系统，用于将环境磁场信息转换为模拟信号；模数转换子板，用于将输入的磁场信号模拟量转换为数字信号，并通过FMC标准接口将数字信号发送给ZYNQ控制和计算母板；ZYNQ控制和计算母板，用于实时处理测量得到的磁场信息，并将磁场测量结果发送给上位机系统；上位机系统，用于系统的启停执行、参数设置和测量结果接收显示。本发明专利技术采用FMC接口连接数模转换子板和ZYNQ控制计算母板的硬件结构，便于多通道扩展，利用上位机软件系统进行人机交互，实现了板级磁场测量实时读出，对于基于量子力学原理的磁场测量系统的应用具有重要的价值。的应用具有重要的价值。的应用具有重要的价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于量子效应的磁场测量实时读出方法


[0001]本专利技术涉及数据采集技术、磁场测量
，尤其涉及一种基于量子效应的磁场测量实时读出方法。

技术介绍

[0002]磁场测量实时读出方法是指从传感单元实时读出携带磁场测量信息的模拟信号，并对其进行计算处理快速得到磁场测量信息，其实时处理的能力对于军事和医学等领域有着重要的意义。
[0003]磁测量实时读出方法的核心是数据采集和数据计算单元，作为磁测量系统的重要组成部分必须具有大数据接收和处理的能力。针对这一目的，现有的方案有两种，第一种高速数据采集卡通过高速接口连接至计算机，计算机进行数据读取和计算，这种方法虽然具有通用性，但是过度依赖数据接口速度和计算机存储空间。另一种方案是在数据采集卡上集成FPGA(Field
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Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、SRAM(Static Random
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Access Memory，静态随机存取存储器)等芯片，用于数据的缓存和实时计算，这种方案对SRAM的容量提出较高要求，同时对FPGA的逻辑资源和运行速度要求较高。

技术实现思路

[0004]本专利技术为解决现有的磁场测量实时读出方法存在的大数据难缓存和运算能力不足等问题，提出一种基于量子效应的磁场测量实时读出方法。
[0005]本专利技术的技术解决方案如下：
[0006]一种基于量子效应的磁场测量实时读出方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]步骤1，利用基于量子效应的磁场测量系统将环境磁场信息转换为可测量的环境磁场模拟信号；
[0008]步骤2，利用模数转换子板将所述环境磁场模拟信号转换成环境磁场数字信号；
[0009]步骤3，利用ZYNQ控制和计算母板对所述环境磁场数字信号进行处理得到环境磁场测量结果；
[0010]步骤4，利用上位机系统实时读出所述环境磁场测量结果。
[0011]所述步骤4中的上位机系统包括以下步骤的运行操作流程：步骤210，系统运行；步骤220，信号截取位置设置；步骤230，递推平均次数设置；步骤240，开始磁场测量；步骤250，磁场测量结果显示。
[0012]所述上位机系统包括以下，设备启动执行指令，信号截取位置选择，递推平均次数指定，磁场测量结果显示。
[0013]所述ZYNQ控制和计算母板对所述环境磁场数字信号进行处理依次包括信号截取、乒乓传输、递推式平均和信号积分。
[0014]所述上位机系统采用Labview系统。
[0015]所述模数转换子板采用第一PCB板上设置ADC芯片的结构，所述模数转换子板分别
接收环境磁场模拟信号和Trigger信号，所述ZYNQ控制和计算母板采用第二PCB板上设置ZYNQ芯片的结构，所述模数转换子板与所述ZYNQ控制和计算母板之间设置FMC标准接口，所述ZYNQ芯片采用ARM硬核和FPGA的组合架构，所述FPGA包括信号截取子模块和乒乓传输子模块，所述信号截取子模块捕获与磁场测量同步的Trigger信号的上升沿，从捕获到上升沿时刻开始截取指定长度的环境磁场数字信号，再发送至所述乒乓传输子模块进行缓存并连续不断地传输给所述ARM硬核，所述ARM硬核包括递推式平均子模块和信号积分子模块，所述递推式平均子模块将收到的环境磁场数字信号进行指定次数的递推平均，所述信号积分子模块将递推平均指定次数的环境磁场数字信号进行积分后将环境磁场测量结果实时传输给上位机系统。
[0016]所述ZYNQ芯片与所述上位机系统之间设置有串口，所述串口为USB串口，所述上位机系统通过所述USB串口将接收到的来自所述ZYNQ控制和计算母板的环境磁场测量结果实时以波形的形式显示。
[0017]所述模数转换子板设置有环境磁场模拟信号输入接口以及与测量信号同步的Trigger信号输入接口，所述Trigger信号通过所述FMC标准接口传输给所述ZYNQ控制和计算母板，所述环境磁场模拟信号转换成环境磁场数字信号后以高速串行总线协议传输给所述ZYNQ控制和计算母板。
[0018]所述乒乓传输子模块在所述FPGA内部设置有两个指定容量的BRAM，也设置有BRAM片选单元，所述BRAM片选单元用于将前级截取后的数据交叉缓存至两片BRAM中，并产生ARM中断指示信号，所述递推式平均子模块在ARM中断触发后读取FPGA侧BRAM缓存的数据，每读取一个BRAM的数据进行一次递推式的平均计算。
[0019]本专利技术的技术效果如下：本专利技术一种基于量子效应的磁场测量实时读出方法，利用数模转换子板加控制计算母板的硬件结构，结构灵活有利于多通道扩展，利用上位机软件系统进行人机交互，实现了板级磁场测量和实时读出。
[0020]本专利技术的特点如下：一种基于量子效应的磁场测量实时读出方法，包括一种基于量子效应的磁场测量系统(一个特征实施例为金刚石NV色心磁场测量系统)，用于将环境磁场信息转换为模拟信号；模数转换子板，用于将输入的磁场信号模拟量转换为数字信号，并通过FMC(FPGA夹层板，FPGA Mezzanine Card)标准接口将数字信号发送给ZYNQ控制和计算母板；ZYNQ控制和计算母板，用于实时处理测量得到的磁场信息，并将磁场测量结果发送给上位机系统，主要采取的处理方式包括信号截取、乒乓传输、递推式平均和信号积分；上位机系统，用于系统的启停执行、参数设置和测量结果接收显示。本专利技术采用FMC接口连接数模转换子板和ZYNQ控制计算母板的硬件结构，便于多通道扩展，利用上位机软件系统进行人机交互，实现了板级磁场测量实时读出，对于基于量子力学原理的磁场测量系统的应用具有重要的价值。
附图说明
[0021]图1是实施本专利技术一种基于量子效应的磁场测量实时读出方法的技术配置示意图。图1中包括以下步骤：步骤110，配置基于量子效应的磁场测量系统(一个特征实施例为金刚石NV色心磁场测量，NV，Nitrogen
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Vacancy，氮
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空位，金刚石内的氮
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空位色心)；步骤120，配置高速模数转换子板；步骤130，配置FMC标准接口(FMC，FPGA Mezzanine Card，FPGA
夹层板，FPGA，Field
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Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)；步骤140，配置ZYNQ控制和计算母板(ZYNQ，Xilinx公司的型号为ZYNQ的SOC芯片，其架构为ARM和FPGA，ARM，Advanced RISC Machines，ARM处理器，RISC，Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机)；步骤150，配置上位机系统。
[0022]图2是图1中相关配置的硬件结构示意图。图2中第一PCB板上设置ADC(Analog
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to
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Digital Converter，模数转换器，高速模数转换芯片)构成高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于量子效应的磁场测量实时读出方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，利用基于量子效应的磁场测量系统将环境磁场信息转换为可测量的环境磁场模拟信号；步骤2，利用模数转换子板将所述环境磁场模拟信号转换成环境磁场数字信号；步骤3，利用ZYNQ控制和计算母板对所述环境磁场数字信号进行处理得到环境磁场测量结果；步骤4，利用上位机系统实时读出所述环境磁场测量结果。2.根据权利要求1所述的基于量子效应的磁场测量实时读出方法，其特征在于，所述步骤4中的上位机系统包括以下步骤的运行操作流程：步骤210，系统运行；步骤220，信号截取位置设置；步骤230，递推平均次数设置；步骤240，开始磁场测量；步骤250，磁场测量结果显示。3.根据权利要求1所述的基于量子效应的磁场测量实时读出方法，其特征在于，所述上位机系统包括以下，设备启动执行指令，信号截取位置选择，递推平均次数指定，磁场测量结果显示。4.根据权利要求1所述的基于量子效应的磁场测量实时读出方法，其特征在于，所述ZYNQ控制和计算母板对所述环境磁场数字信号进行处理依次包括信号截取、乒乓传输、递推式平均和信号积分。5.根据权利要求1所述的基于量子效应的磁场测量实时读出方法，其特征在于，所述上位机系统采用Labview系统。6.根据权利要求1所述的基于量子效应的磁场测量实时读出方法，其特征在于，所述模数转换子板采用第一PCB板上设置ADC芯片的结构，所述模数转换子板分别接收环境磁场模拟信号和Trigger信号，所述ZYNQ控制和计算母板采用第二PCB板上设置ZYNQ芯片的结构，所述模数转换子板与所述ZYNQ控制和计算母板之间设置FMC标准接口，所述ZYNQ芯片采用ARM硬核和FPGA模块的组合架构，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁珩，夏斯港，刘禹辰，李湘云，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：