一种基于ARM的核磁共振波谱仪气动温控系统的制作方法

本发明涉及一种基于arm的核磁共振波谱仪气动温控系统，适用于机械领域。

背景技术：

在核磁共振(nmr)波谱仪中，气动温控系统是波谱仪硬件系统的一部分，由气动控制单元和变温控制单元组成。气动控制单元通过控制气体流量实现样品的旋转，从而改善样品空间内有效磁场均匀度，提高仪器分辨率。同时，该单元还负责实现样品进出，以及样品温度的控制，以观察样品在不同温度下的nmr波谱的检测。基于arm(advancedriscmachine，先进精简指令计算机)芯片的设计可以提高系统运行速度与控制灵活性，同时能降低生产成本；采用pid(proportional-integral-differential，比例积分微分)控制器可以有效地进行连续系统动态品质校正，具有参数整定方式简便、结构改变灵活(p、pi、pd、pid)等优点。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于arm的核磁共振波谱仪气动温控系统，以arm为控制器，利用其内嵌的can控制器实现can总线通信，通过pid控制算法控制气流和温度，实现控制nmr实验样品的更换和旋转，检测并控制样品的温度等功能。

本发明所采用的技术方案是：

所述气动温控系统采用st公司的stm32f103芯片实现控制功能，该系列有多种可选型号，可根据不同的控制需求选择相应的配置，利用其大容量的内存实现数据的快速读取，丰富的外设资源实现系统功能。

所述气动温控单元主要由气动控制模块，温度控制模块，电源模块和机箱4个部分组成。

所述气动控制模块由气动控制板和3个比例电磁阀构成，完成样品进出和旋转的功能。

所述温度控制模块包括温度控制、检测和加热3个部分，完成探头内样品温度监测和控制的功能，同时将测量得到的温度进行实时显示。

所述电源模块由1个多路输出的变压器和1块电源板构成，为其他模块提供稳定的工作电压，并通过背板与其他模块连接。

所述机箱是整个系统的载体，为系统提供各种外部接口（如can通讯接口，温度采集接口db15和加热电源，气动控制接口等）。

所述气动控制软件由主程序和中断服务程序2个部分组成，其中中断服务程序中又包含can收发中断和定时/计数器中断。

本发明的有益效果是：基于arm的nmr波谱仪气动温控系统控制精度满足设计要求，作为nmr波谱仪的一个功能系统，可以按预期性能对样品实施变温、进出磁体、旋转等操作，使后续实验能够顺利进行。满足自主研发的500mhz核磁共振波谱仪系统的需求。

附图说明

图1是本发明的系统总体组成框图。

图2是本发明的气动控制部分功能模块图。

图3是本发明的气动控制部分信号调理框图。

图4是本发明的气动控制部分软件程序流程图。

图5是本发明的温度控制部分功能模块图。

图6是本发明的温度控制部分软件程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，气动温控系统采用st公司的stm32f103芯片实现控制功能，该系列有多种可选型号，可根据不同的控制需求选择相应的配置，利用其大容量的内存实现数据的快速读取，丰富的外设资源实现系统功能。气动温控单元主要由气动控制模块，温度控制模块，电源模块和机箱4个部分组成。气动控制模块由气动控制板和3个比例电磁阀构成，完成样品进出和旋转的功能。所述温度控制模块包括温度控制、检测和加热3个部分，完成探头内样品温度监测和控制的功能，同时将测量得到的温度进行实时显示。电源模块由1个多路输出的变压器和1块电源板构成，为其他模块提供稳定的工作电压，并通过背板与其他模块连接。机箱是整个系统的载体，为系统提供各种外部接口（如can通讯接口，温度采集接口db15和加热电源，气动控制接口等）。

如图2，stm32f103c8t6微处理器作为控制核心，内嵌64k字节flash，实现2个功能，一是解析并执行用户的命令，用户命令通过can总线发送至处理器，经解析后再由数模转换器ltc2600进行转换，得到的模拟信号用于控制样品的弹出、进入和旋转；二是实时采集转速脉冲并与用户给定的转速进行比较，对偏差按比例、积分和微分的函数关系进行运算，其结果用于输出控制，及时调整dac的输出使实际转速与给定转速的差值在一个设定的阀值内。

如图3，气动控制模块另外一个组成部分是信号调理电路，其主要任务是信号的整形和放大：首先需要整形放大的是样品的转速信号，该信号的幅度很小且波形不规则，经调整为ttl电平后才能送往处理器进行转速测量；其次，dacltc2600的最大输出电压为2.5v，需要对其进行放大使其能驱动比例电磁阀正常工作。

如图4，气动控制软件由主程序和中断服务程序2个部分组成，其中中断服务程序中又包含can收发中断和定时/计数器中断。

主程序完成对stm32微处理器的配置并指示系统当前的工作状态;定时/计数器中断处理程序用来测量样品转速，并对转速数据作相应的处理以方便用户读取；can收发中断处理程序用来接收用户发出的命令并执行相应的操作，同时将样品的当前转速信息发送给用户。程序之间通过一些全局变量相联系，2个中断处理程序的执行是互斥的，不会产生中断嵌套和优先级的冲突。整个软件系统基于c语言编写，由keil集成开发环境编译链接并最终下载到微处理器中运行。主程序完成微处理器相关寄存器的配置和整个系统的初始化，在没有中断请求之前，整个系统只运行主程序，等待用户发出相关指令。另外，在主程序中定义了和样品转速相关的全局变量，用来和其他2个中断处理程序通信；同时还定义了和转速相关的误差变量，用于控制指示灯的亮灭，让用户直观地了解当前转速currentspeed(cs)和给定转速assignedspeed(as)之间的关系。

程序中对转速的控制使用pid算法调节，将测量得到的转速与用户设定转速进行比较，将偏差值的比例、积分、微分运算通过线性组合构成控制量，不断调节使得偏差值在一个设定阀值范围内。

如图5，该模块主要由温度控制、加热模块和温度采集3个部分组成。

温度控制主控板以stm32f103vct6微控制器为核心，该芯片内嵌256k字节的闪存存储器，实现驱动模数转换器的采样和进行变温过程的控制、执行用户的命令和数据收发的功能。控制器通过can总线进行数据收发和接收用户指令，并以pwm调制(pulsewidthmodulation，脉冲宽度调制)的方式进行变温控制，它与温度采集模块通过排线连接，与加热模块通过背板连接。

加热模块为探头内的加热丝提供电源.这一模块包括继电器、光电隔离器、整流滤波等几个部分，继电器是加热电源的开关，也起到过温保护的作用；高低电压部分通过2个光电祸合器隔离，防止高电压泄漏而损坏其他器件；整流滤波电路将电源模块输出的交流电转换为直流，作为加热丝的电源。

温度采集板由一个a/d转换器ads1258及其外围电路组成，完成温度模拟量到数字量的转换，转换后的数据经控制板处理后发送给用户或进行变温控制，采集板对3个外部模拟量进行采集，首先是探头内热电偶的输出电压，该电压的大小反映了样品温度的高低，由于这个输出电压在常温时只有几十μv，需要先进行放大后才能被adc采样；其次是热电偶冷端热敏电阻两端电压，采集此电压是用来计算冷端温度，给热电偶输出电压作冷端补偿用的，这样每个温度值就对应一组热电偶输出电压和热敏电阻电压；最后是探头内pt100两端电压，用来做过温保护，当该电压超过设定温度所对应的上限电压时，系统软件自动停止变温，同时断开加热继电器，防止探头内温度过高。

温度采集模块中的adc(adsl258)完成上述模拟量的采集，该芯片具有24bits的转换精度，满足采样数据的精度要求；温度采集模块中还含有1个10μa和1个1ma的电流源，分别给冷端热敏电阻和pt100供电，系统根据电阻两端的电压大小来计算出各自所处环境的温度值；另外，该模块中还含有一个数字电位器，用来设置过温保护的上限电压，该电压与pt100两端电压接到比较器的2个输入端，比较器的输出用来控制继电器的断开与闭合，超过设定的保护温度时硬件部分就自动断开继电器而停止加热。

如图6，温度控制软件部分由主程序和中断服务程序构成，其中中断程序又由can接收发送中断和外部中断构成.主程序完成整个系统外设的初始化和相关芯片的配置，并控制指示灯的亮灭，指示当前温度currenttemperature(ct)与设定温度assignedtemperature(at)之间的关系.另外，can接收发送中断服务程序完成用户指令的解析与执行，同时将采集到的样品当前温度发送给用户；外部中断来自adc和过温保护输出，分别处理adc的数据接收和实施过温保护。

主程序在运行时等待中断的产生，用户通过can总线设置所需温度，当系统接收到该命令后就开始进行温度控制，并将实时温度发送给用户，控制的结果通过不同的指示灯显示出来.

程序中对温度的控制实行pid算法调节，将测量得到的温度与用户设定温度进行比较，将偏差值的比例、积分、微分运算通过线性组合构成控制量，不断调节使得偏差值在一个设定阀值范围内。