CSR中的磁鐵溫度測控系統(tǒng)的設(shè)計

引言
HIFRL-CSR中磁場的作用是約束離子行為，帶電粒子束在磁場中聚焦和傳輸，磁場性能的好壞直接影響到束流的品質(zhì)，而磁鐵溫度又影響著磁場的安全性能。在加速器控制系統(tǒng)中，放置在CSR主環(huán)的磁鐵多達40多個，要對其數(shù)百個點進行測溫，所以對磁鐵溫度進行監(jiān)測非常重要。本設(shè)計根據(jù)這一要求進行磁鐵溫度的檢測，溫度過高時為中央控制室提供報警和提示，同時中央控制室也可對磁鐵電源進行遠程測量與控制。

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1.硬件系統(tǒng)組成
國家重大科學(xué)工程HIRFL-CSR（蘭州重離子加速器冷卻存儲環(huán)）的控制系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成：總體控制和前端控制服務(wù)器。總體控制包括網(wǎng)絡(luò)通信支持系統(tǒng)、集群服務(wù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。前端控制服務(wù)器用來提供對受控目標和裝置的完全控制,它們可以接收命令和數(shù)據(jù)，運行算法，向設(shè)備送出控制信號，返回設(shè)備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，提供人機界面等。按照現(xiàn)場要求執(zhí)行開環(huán)或閉環(huán)控制,從而完成對CSR電源系統(tǒng)，注入引出系統(tǒng)，內(nèi)靶系統(tǒng)，真空系統(tǒng)，溫度測控系統(tǒng), 電子冷卻系統(tǒng)等各個分系統(tǒng)的監(jiān)視測量，故障報警，操作和控制。CSR總體控制系統(tǒng)圖見圖1
圖1  CSR總體控制系統(tǒng)圖
2 磁鐵溫度測量系統(tǒng)硬件設(shè)計
本設(shè)計采用的單片機是美國德州儀器公司的MSP430F449。它是一款超低功耗，功能強大的單片機。其電源電壓范圍為1.8V-3.6V；直接驅(qū)動液晶，驅(qū)動能力可達160段；16位精簡指令結(jié)構(gòu)（RISC）與16位寄存器保證了可編制出高效的程序；內(nèi)部可實現(xiàn)數(shù)控（DCO）的RC振蕩器使系統(tǒng)從待機到喚醒的響應(yīng)時間不超過6us；具有豐富的外圍模塊，其16位A/D轉(zhuǎn)換器帶有內(nèi)部參考源，采樣保持，自動掃描等特性；48個可達獨立編程的I/O口；2個串行通信接口USART0與USART1；FLASH存儲器多達60KB,擦寫次數(shù)可達10萬次。
系統(tǒng)設(shè)計中數(shù)據(jù)采集選用MSP430F449單片機的內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換，鍵盤與顯示模塊可由MSP430F449的I/O口直接驅(qū)動，并且外部不用擴展存儲器和I/O口。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示
 
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2.1數(shù)據(jù)采集單元
   本系統(tǒng)采用Pt100作為測溫元件，該元件在0℃～850℃時溫度與阻值對應(yīng)關(guān)系為：
RPt100=100(1+At+Bt2)
式中A=3.90802*10-3;B=-5.80*10-7;C=4.2735*10-12
設(shè)計中Pt100與電阻組成的橋式電路把由溫度變化而引起的Pt100的阻值變化轉(zhuǎn)化為電壓變化輸入運算放大器，放大后的信號在MSP430的控制下由模擬開關(guān)選擇進入MSP430的P6口進行A/D轉(zhuǎn)換，ADC12采用外部參考電平工作，可對0~3V的模擬輸入信號進行轉(zhuǎn)換，對慢變化信號在模擬端還增加了低通濾波。此外，為了使3.3V系統(tǒng)與典型的5V供電系統(tǒng)之間能夠進行正確的數(shù)據(jù)傳遞，來自MSP430F449的信號都增加了驅(qū)動。
在橋式測溫電路中為了消除連接導(dǎo)線電阻引起的測量誤差，PT100采用了三線直接法。橋電壓的波動也會給溫度測量帶來較大的誤差，故采用10V的基準電壓對電橋電路供電，限制其電壓波動。
采樣電路原理圖如圖3所示
 

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2.2通信單元
在HIRFL-CSR的控制系統(tǒng)中，采用RS485總線結(jié)合一些嵌入式模塊構(gòu)成主要的前端控制服務(wù)器。我們所設(shè)計的基于MSP430F449的溫度采集控制器可直連于全雙工RS485總線，經(jīng)過嵌入式網(wǎng)關(guān)Atmega128接入以太網(wǎng)中，根據(jù)加速器控制的需求，寫入相應(yīng)的支持TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用程序，用戶就可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器或組件進行遠程訪問。MSP430F449 具有2路獨立的串行通訊接口，采用USART0通過RS—485收發(fā)器MAX485使其與上位機之間進行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)通訊方式為4線，全雙工，波特率為57600bps,由單片機的P4口控制其數(shù)據(jù)的接受與發(fā)送。
2.3 顯示、鍵盤單元
 MSP430F449自帶液晶驅(qū)動，有40個液晶驅(qū)動管腳，設(shè)計中采用2MUX驅(qū)動方式，使用兩個引腳作為液晶的公共端COM0,COM1,每兩段需要一引腳驅(qū)動，可驅(qū)動8位LCD數(shù)碼顯示。
 鍵盤接口采用行列掃描的方法實現(xiàn)，MSP430F449的P2口接鍵盤，在系統(tǒng)工作時，MCU要不斷地查詢有沒有按鍵被按下，這使其工作效率很低，在設(shè)計時使用I/O口中斷方式實現(xiàn)鍵盤輸入，大大提高了MCU的效率，而MSP430F449的P2口可用于對外部事件的中斷處理，正好適應(yīng)了這一工作要求。
3  軟件設(shè)計
MSP430系列是一種具有集成度高、功能豐富、功耗低等技術(shù)特點的16位單片機，它可用C語言來完成程序設(shè)計，大大提高了開發(fā)調(diào)試的工作效率；同時用C語言所產(chǎn)生的文檔資料也容易理解，便于移植；適用于MSP430系列的C語言，與標準C語言兼容程度高。
 在系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，采用模塊化設(shè)計方法，使得程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后進一步擴展系統(tǒng)的功能。其模塊程序由主程序、鍵盤處理模塊、顯示模塊、通信模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊等組成。上電后程序進行初始化，完成后進入巡回模式等待中斷事件的到來，當(dāng)有中斷事件發(fā)生時，判斷中斷源并進入相應(yīng)的中斷服務(wù)字程序中。
 
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4  結(jié)束語
 本設(shè)計采用穩(wěn)定性好、準確度高的Pt100作為測溫元件。微控制器采用MSP430系列單片機，硬件電路采用模塊化的設(shè)計方法，并采用嵌入式技術(shù)，使得外圍電路簡潔、可靠，可根據(jù)實際需要擴展系統(tǒng)的控制功能。目前該控制器在實際運行中取得了較好的測溫效果。