CSR中的磁鐵溫度測控系統(tǒng)的設計

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，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。

1.硬件系統(tǒng)組成
國家重大科學工程HIRFL-CSR（蘭州重離子加速器冷卻存儲環(huán)）的控制系統(tǒng)由兩部分構成：總體控制和前端控制服務器。總體控制包括網(wǎng)絡通信支持系統(tǒng)、集群服務系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。前端控制服務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，向設備送出控制信號，返回設備的狀態(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)硬件設計
本設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；直接驅動液晶，驅動能力可達160段；16位精簡指令結構（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時間不超過6us；具有豐富的外圍模塊，其16位A/D轉換器帶有內(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)設計中數(shù)據(jù)采集選用MSP430F449單片機的內(nèi)部A/D轉換，鍵盤與顯示模塊可由MSP430F449的I/O口直接驅動，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

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℃時溫度與阻值對應關系為：
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選擇進入MSP430的P6口進行A/D轉換，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的信號都增加了驅動。