CSR中的磁铁温度测控系统的设计

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。

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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
 
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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
 

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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。
 
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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。