CN113447859B - 一种基于量子效应的磁场测量实时读出方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种基于量子效应的磁场测量实时读出方法

技术领域

本发明涉及数据采集技术、磁场测量技术领域，尤其涉及一种基于量子效应的磁场测量实时读出方法。

背景技术

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。

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-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、SRAM(Static Random-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。

发明内容

本发明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。

本发明的技术解决方案如下：

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。

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。

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。

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。

所述上位机系统采用Labview系统。

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。

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。

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。

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。

本发明的技术效果如下：本发明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。

本发明的特点如下：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。本发明采用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

图1是实施本发明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-Vacancy，氮-空位，金刚石内的氮-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-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。

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-to-Digital Converter，模数转换器，高速模数转换芯片)构成高速模数转换子板，所述高速模数转换子板能够分别接收磁场信号和Trigger信号(触发信号)，第二PCB板上设置ZYNQ芯片构成ZYNQ控制和计算母板，所述ZYNQ控制和计算母板与所述高速模数转换子板之间设置FMC标准接口，所述ZYNQ芯片包括FPGA和ARM，ARM依次连接FPGA中的乒乓操作、信号截取和高速数据接口，ARM包括递推式平均和信号积分，ARM通过串口连接上位机系统。

图3是图1中或图2中的上位机系统运行操作流程示意图。图3中包括以下步骤：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。

具体实施方式

下面结合附图(图1-图3)和实施例对本发明进行说明。

图1是实施本发明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2是图1中相关配置的硬件结构示意图。图3是图1中或图2中的上位机系统运行操作流程示意图。参考图1至图3所示，一种基于量子效应的磁场测量实时读出方法，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。

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。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。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。所述上位机系统采用Labview系统。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模块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。

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。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。所述乒乓传输子模块在所述FPGA模块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(bipolar random access memory，双极随机存取存储器)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。

本发明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，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)，将环境磁场信息转换为可测量的模拟信号。

模数转换子卡，用于将输入的磁场测量模拟信号转换为数字信号，并将数据发送给控制和计算母板。

ZYNQ控制和计算模块，用于实时处理磁场信息并将测量结果发送给上位机系统，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，用于磁场实时读出系统的启停执行、功能选择和测量结果接收。

本发明采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。

一种基于量子效应的磁场测量实时读出方法，所述方法包括：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)，将环境磁场信息转换为可测量的模拟信号。模数转换子板，其上集成有高速模数转换芯片，用于将携带磁场测量信息的模拟信号转换成数字信号，并以高速串行总线协议发送至ZYNQ控制和计算母板。子板上设置有与测量信号同步的Trigger信号输入接口，通过FMC接口输入母板。ZYNQ控制和计算母板，其上集成有高性能的ZYNQ芯片，对所述的高速串行数字信号进行接收，并对数字信号进行处理得到磁场测量结果，再将处理结果通过串口实时上传至上位机系统。所述的数字信号处理过程包括信号截取、乒乓传输、递推式平均和信号积分。上位机系统，用于磁场测量实时读出的人机交互，实现启停执行、参数设置和测量结果接收显示。

所述的模数转换子板的运行受ZYNQ控制和计算母板控制，ZYNQ控制和计算母板的运行和功能设定受上位机系统控制，上位机系统可以选择但不限于Labview。所述的ZYNQ控制和计算母板包括：信号截取子模块，在ZYNQ芯片的FPGA部分实现，用于捕获与测量信号同步的Trigger信号，并据此提取所述数字信号中携带磁场测量信息的关键部分，舍弃无效的测量信号。所述的ZYNQ控制和计算母板还包括：乒乓传输子模块，在ZYNQ芯片的FPGA部分实现，用于将截取后的信号进行缓存，并连续不断地传输至ZYNQ芯片的ARM部分。所述的ZYNQ控制和计算母板还包括：递推式平均子模块，在ZYNQ芯片的ARM部分实现，将FPGA发送过来的信号进行指定次数的递推平均。所述的ZYNQ控制和计算母板还包括：信号积分子模块，在ZYNQ芯片的ARM部分实现，将递推平均指定次数的信号进行积分，得到测量得到的磁场信息。上位机系统中包括，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。

本具体实施方式提供了一种基于量子效应的磁场测量实时读出方法，如图1所示，包括：

一种基于量子效应的磁场测量系统110(一个特征实施例为金刚石NV色心磁场测量)，将环境磁场信息转换为可测量的模拟信号。

高速模数转换子板120，用于将输入的模拟的磁场信号转换为数字信号，并以高速串行总线的形式将数据通过FMC标准接口130发送给ZYNQ控制和计算母板140。

ZYNQ控制和计算母板140，用于实时处理磁场信息并将测量结果通过串口发送给上位机系统150，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。

具体的，如图2所示，高速模数转换子板核心为一片具有高速串行数据接口的高速模数转换芯片(ADC)，子板完成磁场模拟信号的数字化并串行发送至ZYNQ控制和计算子板，并同时接收Trigger信号。ZYNQ控制和计算母板核心为Xilinx公司的SOC芯片ZYNQ，其架构为ARM和FPGA。在ZYNQ内部，子板输出的高速串行数据和Trigger信号会被接收，同时数字信号会被进行处理得到磁场测量结果，处理过程包括：信号截取、乒乓传输、递推式平均和信号积分。

信号截取子模块，该模块在FPGA部分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磁场测量信号，再发送至乒乓传输模块。

乒乓传输子模块，该模块在FPGA内部设计有两个指定容量的BRAM，也设计有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。

递推式平均子模块，该模块在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。

信号积分模块，该模块在ARM内将递推平均后的数据进行信号的求和积分，得到磁场测量的结果。

上位机系统，用于磁场实时读出系统的启停执行、功能选择和测量结果接收。上位机系统可以选择但不限于Labview。

具体的，如图3所示，系统硬件上电之后，上位机系统发出系统运行210指令，ZYNQ控制和计算母板进行硬件的基本参数配置。信号截取位置设置220，设置母板在接收到Trigger信号后截取多久的测量信号。递推平均次数设置230，设置ZYNQ芯片中ARM进行递推平均的递推次数。开始磁场测量240，系统参数配置完成，正式进入磁场测量阶段。磁场测量结果显示250，上位机通过USB串口接收到ZYNQ控制和计算母板发送的磁场测量结果，实时以波形的形式显示。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (8)

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；

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FPGA模块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。

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。

7.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。

8.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，所述乒乓传输子模块在所述FPGA模块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。

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