基于ARM的多通道磁弹性传感器检测仪的研制

论文摘要

磁弹性传感器基于铁磁材料的磁致伸缩原理设计,它在外加交变磁场中受磁场激发产生磁矩,沿长度方向会产生伸缩振动。由于传感器采用磁致伸缩材料制成,其伸缩振动反过来也会产生一个磁场,并可以被线圈检测到。当外加磁场频率与磁弹性传感器的机械共振频率相等时,传感器振动幅度最大。传感器共振频率与其表面负载、外界温度、粘度等因素有关,通过检测传感器共振频率的变化就能反映被测信号量的变化。磁弹性传感器的激励和响应信号都是通过磁场传递,它与测量电路之间没有任何物理连接,磁弹性传感器无线、无源的优势使其在无损检测、活体、在体分析等领域具有十分广阔的应用前景。随着信息化、网络化、智能化的不断发展,以ARM为代表的嵌入式技术得到了广泛应用。相比于单片机而言,ARM的主频高、速度快、功耗低、外围资源丰富,而且可以进行操作系统的移植,可以非常方便地增加或裁剪相应的功能。嵌入式Linux具有运行稳定,代码开源,强大的多任务管理功能等特点,已成为嵌入式操作系统的主要研究方向。课题针对磁弹性传感器应用于生物化学测量领域,设计了一种基于ARM-Linux的多通道磁弹性传感器检测仪。本文首先阐述了项目的研究背景以及目前国内外的应用研究现状,介绍了磁弹性传感器的基本原理,然后根据原理讨论并分析了几种传感器的测量方法。在方案设计阶段,确定了多通道磁弹性传感器检测仪的性能指标和整体功能需求,采用基于ARM9硬件平台的系统设计方案。在硬件设计部分根据系统方案设计了总体的电路图,并详细分析了各硬件功能模块的设计原理。软件设计则采用当前使用最为广泛的嵌入式Linux作为系统管理平台,同时介绍了U-Boot、Linux内核以及根文件系统的移植过程,深入研究了Linux内核下设备驱动程序的开发。最后在Linux操作系统环境下进行了图形用户应用程序的开发,采用Qt/Embedded为系统提供图形用户界面的应用框架和窗口系统,并介绍了课题所研制的仪器用于α-淀粉酶浓度检测分析的实验过程。课题所研制的多通道磁弹性传感器检测仪运行稳定可靠,可对四个通道的传感器进行测量,具有友好的人机交互界面,与用户交互方便快捷,能实时显示测量结果,快速、准确地对测量结果进行分析,可将测量数据保存为文本文件并通过网络接口传送至PC机。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 项目研究背景
• 1.1.1 磁致伸缩效应
• 1.1.2 无线磁弹性传感器
• 1.1.3 嵌入式系统概述
• 1.1.4 嵌入式Linux 的优势
• 1.2 国内外应用研究现状
• 1.2.1 磁致伸缩材料发展历程
• 1.2.2 磁弹性传感器应用研究现状
• 1.3 项目来源与本文的主要工作
• 1.3.1 项目来源与研究目标
• 1.3.2 本文的主要工作
• 第2章 磁弹性传感器基本原理
• 2.1 磁弹性传感器工作原理
• 2.1.1 磁弹性传感器理论
• 2.1.2 质量负载对传感器共振频率的影响
• 2.1.3 液体粘度和密度对传感器的影响
• 2.1.4 其它因素对磁弹性传感器的影响
• 2.2 磁弹性传感器测量原理
• 2.2.1 频谱分析法
• 2.2.2 过零计数法
• 2.2.3 阻抗分析法
• 2.2.4 扫频检测法
• 2.3 本章小结
• 第3章 系统硬件设计
• 3.1 仪器性能指标要求
• 3.2 系统整体方案设计
• 3.2.1 系统概述
• 3.2.2 ARM 简介
• 3.2.3 S3C2440A 简介
• 3.2.4 系统框图
• 3.3 硬件电路设计
• 3.3.1 电源管理单元
• 3.3.2 主控系统单元
• 3.3.3 测量电路单元
• 3.4 本章小结
• 第4章 嵌入式Linux 系统环境搭建
• 4.1 嵌入式Linux 系统软件结构
• 4.2 U-Boot 分析与移植
• 4.2.1 U-Boot 简介
• 4.2.2 U-Boot 源码分析
• 4.2.3 U-Boot 移植
• 4.3 Linux 内核分析与移植
• 4.3.1 Linux 内核简介
• 4.3.2 Linux 内核启动过程概述
• 4.3.3 Linux 内核移植
• 4.4 根文件系统移植
• 4.4.1 Linux 文件系统概述
• 4.4.2 使用Busybox 构建根文件系统
• 4.5 本章小结
• 第5章 图形用户应用程序设计
• 5.1 嵌入式图形界面概述
• 5.1.1 图形用户界面简介
• 5.1.2 嵌入式图形库的选择
• 5.1.3 Qt 简介
• 5.2 应用程序设计
• 5.2.1 功能需求分析
• 5.2.2 软件流程图
• 5.2.3 程序编程实现
• 5.3 仪器测试效果
• 5.3.1 实验概述
• 5.3.2 实验步骤
• 5.3.3 实验结果分析
• 5.3.4 仪器重复性测试
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A（攻读硕士期间所发表的学术论文目录）
• 附录 B（AD9832 驱动程序）
• 附录 C（系统硬件原理图）
• 附录 D（系统硬件实物图）