CSR中的磁铁温度测控系统的设计

2011-06-09 15:03:37来源: 互联网 关键字:温度  系统  设计

引言
HIFRL-CSR中磁场的作用是约束离子行为,带电粒子束在磁场中聚焦和传输,磁场性能的好坏直接影响到束流的品质,而磁铁温度又影响着磁场的安全性能。在加速器控制系统中,放置在CSR主环的磁铁多达40多个,要对其数百个点进行测温,所以对磁铁温度进行监测非常重要。本设计根据这一要求进行磁铁温度的检测,温度过高时为中央控制室提供报警和提示,同时中央控制室也可对磁铁电源进行远程测量与控制。

1.硬件系统组成
国家重大科学工程HIRFL-CSR(兰州重离子加速器冷却存储环)的控制系统由两部分构成:总体控制和前端控制服务器。总体控制包括网络通信支持系统、集群服务系统、数据库系统。前端控制服务器用来提供对受控目标和装置的完全控制,它们可以接收命令和数据,运行算法,向设备送出控制信号,返回设备的状态和数据,提供人机界面等。按照现场要求执行开环或闭环控制,从而完成对CSR电源系统,注入引出系统,内靶系统,真空系统,温度测控系统, 电子冷却系统等各个分系统的监视测量,故障报警,操作和控制。CSR总体控制系统图见图1
图1  CSR总体控制系统图
2 磁铁温度测量系统硬件设计
本设计采用的单片机是美国德州仪器公司的MSP430F449。它是一款超低功耗,功能强大的单片机。其电源电压范围为1.8V-3.6V;直接驱动液晶,驱动能力可达160段;16位精简指令结构(RISC)与16位寄存器保证了可编制出高效的程序;内部可实现数控(DCO)的RC振荡器使系统从待机到唤醒的响应时间不超过6us;具有丰富的外围模块,其16位A/D转换器带有内部参考源,采样保持,自动扫描等特性;48个可达独立编程的I/O口;2个串行通信接口USART0与USART1;FLASH存储器多达60KB,擦写次数可达10万次。
系统设计中数据采集选用MSP430F449单片机的内部A/D转换,键盘与显示模块可由MSP430F449的I/O口直接驱动,并且外部不用扩展存储器和I/O口。系统硬件框图如图2所示
 
                               

2.1数据采集单元
   本系统采用Pt100作为测温元件,该元件在0℃~850℃时温度与阻值对应关系为:
RPt100=100(1+At+Bt2)
式中A=3.90802*10-3;B=-5.80*10-7;C=4.2735*10-12
设计中Pt100与电阻组成的桥式电路把由温度变化而引起的Pt100的阻值变化转化为电压变化输入运算放大器,放大后的信号在MSP430的控制下由模拟开关选择进入MSP430的P6口进行A/D转换,ADC12采用外部参考电平工作,可对0~3V的模拟输入信号进行转换,对慢变化信号在模拟端还增加了低通滤波。此外,为了使3.3V系统与典型的5V供电系统之间能够进行正确的数据传递,来自MSP430F449的信号都增加了驱动。


在桥式测温电路中为了消除连接导线电阻引起的测量误差,PT100采用了三线直接法。桥电压的波动也会给温度测量带来较大的误差,故采用10V的基准电压对电桥电路供电,限制其电压波动。
采样电路原理图如图3所示
 


2.2通信单元
在HIRFL-CSR的控制系统中,采用RS485总线结合一些嵌入式模块构成主要的前端控制服务器。我们所设计的基于MSP430F449的温度采集控制器可直连于全双工RS485总线,经过嵌入式网关Atmega128接入以太网中,根据加速器控制的需求,写入相应的支持TCP/IP协议的应用程序,用户就可以通过网络浏览器或组件进行远程访问。MSP430F449 具有2路独立的串行通讯接口,采用USART0通过RS—485收发器MAX485使其与上位机之间进行数据传输。数据通讯方式为4线,全双工,波特率为57600bps,由单片机的P4口控制其数据的接受与发送。
2.3 显示、键盘单元
 MSP430F449自带液晶驱动,有40个液晶驱动管脚,设计中采用2MUX驱动方式,使用两个引脚作为液晶的公共端COM0,COM1,每两段需要一引脚驱动,可驱动8位LCD数码显示。
 键盘接口采用行列扫描的方法实现,MSP430F449的P2口接键盘,在系统工作时,MCU要不断地查询有没有按键被按下,这使其工作效率很低,在设计时使用I/O口中断方式实现键盘输入,大大提高了MCU的效率,而MSP430F449的P2口可用于对外部事件的中断处理,正好适应了这一工作要求。
3  软件设计
MSP430系列是一种具有集成度高、功能丰富、功耗低等技术特点的16位单片机,它可用C语言来完成程序设计,大大提高了开发调试的工作效率;同时用C语言所产生的文档资料也容易理解,便于移植;适用于MSP430系列的C语言,与标准C语言兼容程度高。
 在系统的软件设计中,采用模块化设计方法,使得程序结构清晰,便于今后进一步扩展系统的功能。其模块程序由主程序、键盘处理模块、显示模块、通信模块、A/D转换模块等组成。上电后程序进行初始化,完成后进入巡回模式等待中断事件的到来,当有中断事件发生时,判断中断源并进入相应的中断服务字程序中。
 
                              

4  结束语
 本设计采用稳定性好、准确度高的Pt100作为测温元件。微控制器采用MSP430系列单片机,硬件电路采用模块化的设计方法,并采用嵌入式技术,使得外围电路简洁、可靠,可根据实际需要扩展系统的控制功能。目前该控制器在实际运行中取得了较好的测温效果。

关键字:温度  系统  设计

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