CSR中的磁鐵溫度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言
HIFRL-CSR中磁場(chǎng)的作用是約束離子行為，帶電粒子束在磁場(chǎng)中聚焦和傳輸，磁場(chǎng)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(chǎng)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(dá)40多個(gè)，要對(duì)其數(shù)百個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫，所以對(duì)磁鐵溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)非常重要。本設(shè)計(jì)根據(jù)這一要求進(jìn)行磁鐵溫度的檢測(cè)，溫度過高時(shí)為中央控制室提供報(bào)警和提示，同時(shí)中央控制室也可對(duì)磁鐵電源進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)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(chǔ)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?？傮w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(duì)受控目標(biāo)和裝置的完全控制,它們可以接收命令和數(shù)據(jù)，運(yùn)行算法，向設(shè)備送出控制信號(hào)，返回設(shè)備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，提供人機(jī)界面等。按照現(xiàn)場(chǎng)要求執(zhí)行開環(huán)或閉環(huán)控制,從而完成對(duì)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(cè)控系統(tǒng), 電子冷卻系統(tǒng)等各個(gè)分系統(tǒng)的監(jiān)視測(cè)量，故障報(bào)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(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)是美國德州儀器公司的MSP430F449。它是一款超低功耗，功能強(qiáng)大的單片機(jī)。其電源電壓范圍為1.8V-3.6V；直接驅(qū)動(dòng)液晶，驅(qū)動(dòng)能力可達(dá)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(shí)現(xiàn)數(shù)控（DCO）的RC振蕩器使系統(tǒng)從待機(jī)到喚醒的響應(yīng)時(shí)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(dòng)掃描等特性；48個(gè)可達(dá)獨(dú)立編程的I/O口；2個(gè)串行通信接口USART0與USART1；FLASH存儲(chǔ)器多達(dá)60KB,擦寫次數(shù)可達(dá)10萬次。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)采集選用MSP430F449單片機(jī)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(dòng)，并且外部不用擴(kuò)展存儲(chǔ)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(cè)溫元件，該元件在0℃～850℃時(shí)溫度與阻值對(duì)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(jì)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(yùn)算放大器，放大后的信號(hào)在MSP430的控制下由模擬開關(guān)選擇進(jìn)入MSP430的P6口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，ADC12采用外部參考電平工作，可對(duì)0~3V的模擬輸入信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)慢變化信號(hào)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(jìn)行正確的數(shù)據(jù)傳遞，來自MSP430F449的信號(hào)都增加了驅(qū)動(dòng)。
在橋式測(cè)溫電路中為了消除連接導(dǎo)線電阻引起的測(cè)量誤差，PT100采用了三線直接法。橋電壓的波動(dòng)也會(huì)給溫度測(cè)量帶來較大的誤差，故采用10V的基準(zhǔn)電壓對(duì)電橋電路供電，限制其電壓波動(dòng)。
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(jì)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(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。MSP430F449 具有2路獨(dú)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(jī)之間進(jìn)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(jī)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(dòng)，有40個(gè)液晶驅(qū)動(dòng)管腳，設(shè)計(jì)中采用2MUX驅(qū)動(dòng)方式，使用兩個(gè)引腳作為液晶的公共端COM0,COM1,每兩段需要一引腳驅(qū)動(dòng)，可驅(qū)動(dòng)8位LCD數(shù)碼顯示。
 鍵盤接口采用行列掃描的方法實(shí)現(xiàn)，MSP430F449的P2口接鍵盤，在系統(tǒng)工作時(shí)，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(jì)時(shí)使用I/O口中斷方式實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入，大大提高了MCU的效率，而MSP430F449的P2口可用于對(duì)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(jì)
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(diǎn)的16位單片機(jī)，它可用C語言來完成程序設(shè)計(jì)，大大提高了開發(fā)調(diào)試的工作效率；同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)C語言兼容程度高。
 在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，使得程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后進(jìn)一步擴(kuò)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(jìn)行初始化，完成后進(jìn)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(shí)，判斷中斷源并進(jìn)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(jì)采用穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高的Pt100作為測(cè)溫元件。微控制器采用MSP430系列單片機(jī)，硬件電路采用模塊化的設(shè)計(jì)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(shí)際需要擴(kuò)展系統(tǒng)的控制功能。目前該控制器在實(shí)際運(yùn)行中取得了較好的測(cè)溫效果。