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。

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。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(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(jiǎn)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

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)。