CSR中的磁鐵溫度測控系統的設計

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(zhù)磁場(chǎng)的安全性能。在加速器控制系統中，放置在CSR主環(huán)的磁鐵多達40多個(gè)，要對其數百個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測溫，所以對磁鐵溫度進(jìn)行監測非常重要。本設計根據這一要求進(jìn)行磁鐵溫度的檢測，溫度過(guò)高時(shí)為中央控制室提供報警和提示，同時(shí)中央控制室也可對磁鐵電源進(jìn)行遠程測量與控制。

1.硬件系統組成
國家重大科學(xué)工程HIRFL-CSR（蘭州重離子加速器冷卻存儲環(huán)）的控制系統由兩部分構成：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、集群服務(wù)系統、數據庫系統。前端控制服務(wù)器用來(lái)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據，運行算法，向設備送出控制信號，返回設備的狀態(tài)和數據，提供人機界面等。按照現場(chǎng)要求執行開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制,從而完成對CSR電源系統，注入引出系統，內靶系統，真空系統，溫度測控系統, 電子冷卻系統等各個(gè)分系統的監視測量，故障報警，操作和控制。CSR總體控制系統圖見(jiàn)圖1
圖1 CSR總體控制系統圖
2 磁鐵溫度測量系統硬件設計
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(dòng)液晶，驅動(dòng)能力可達160段；16位精簡(jiǎn)指令結構（RISC）與16位寄存器保證了可編制出高效的程序；內部可實(shí)現數控（DCO）的RC振蕩器使系統從待機到喚醒的響應時(shí)間不超過(guò)6us；具有豐富的外圍模塊，其16位A/D轉換器帶有內部參考源，采樣保持，自動(dòng)掃描等特性；48個(gè)可達獨立編程的I/O口；2個(gè)串行通信接口USART0與USART1；FLASH存儲器多達60KB,擦寫(xiě)次數可達10萬(wàn)次。
系統設計中數據采集選用MSP430F449單片機的內部A/D轉換，鍵盤(pán)與顯示模塊可由MSP430F449的I/O口直接驅動(dòng)，并且外部不用擴展存儲器和I/O口。系統硬件框圖如圖2所示

2.1數據采集單元
本系統采用Pt100作為測溫元件，該元件在0℃～850℃時(shí)溫度與阻值對應關(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(kāi)關(guān)選擇進(jìn)入MSP430的P6口進(jìn)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(jìn)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系統與典型的5V供電系統之間能夠進(jìn)行正確的數據傳遞，來(lái)自MSP430F449的信號都增加了驅動(dòng)。