CN101968534A

CN101968534A - 基于lan与can总线的核磁共振谱仪气路与温控系统

Info

Publication number: CN101968534A
Application number: CN 201010285779
Authority: CN
Inventors: 刘鸿飞; 陈忠; 郑振耀; 孙惠军; 陈志伟; 林超力
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: CN101968534B

Abstract

基于LAN与CAN总线的核磁共振谱仪气路与温控系统，涉及一种核磁共振谱仪。提供一种具有独立性与可靠性较强、结构较简洁、易扩展、便于维护等特点的基于LAN与CAN总线的核磁共振谱仪气路与温控系统。设有中央处理单元、显示单元、CAN接口电路、转速测量电路、气动阀门驱动电路、温度测量单元和加热电路。中央处理单元与计算机相连；中央处理单元与显示单元、CAN接口电路、转速测量电路、气动阀门驱动电路、温度测量单元和加热电路采用标准CAN总线电缆进行连接；转速测量电路的输入端外接光电转速传感器，气动阀门驱动电路的输出端外接电子气阀；温度测量单元外接热电偶，加热电路外接加热丝。

Description

基于LAN与CAN总线的核磁共振谱仪气路与温控系统

技术领域

本发明涉及一种核磁共振谱仪，尤其是涉及一种基于LAN与CAN总线的核磁共振谱仪气路与温控系统。

背景技术

气路与温控系统是核磁共振波谱仪的重要部件之一，气路与温控系统的主要功能为：①控制磁体腿的平稳，防止震动；②控制探头、垫圈、上冷凝管；③控制和检测可变温度实验中的气体流量([1]唐甫南.EM-360L核磁共振谱仪的变温实验技术[J]分析仪器，1988(03)：30-33)；④控制液态样品的升/降、托起、旋转；⑤控制固态样品的高速旋转等([2]赵文虎.超导核磁共振谱仪中样品旋转装置[J]仪器仪表学报，1980(03)：117-118)。

核磁共振波谱仪属于高端大型科学仪器，技术含量高，应用范围广泛。目前，市场主流产品由美国Varian和德国Bruker等公司提供。现有核磁共振谱仪气控相关的计算功能全部集中于其硬件控制台，其控制部分依附于硬件控制台，通过多股专用数据线与执行、显示部分进行数据传送。以Varian公司最新型号NMR SYSTEM型核磁共振波谱仪为例，其气路与温控系统由四部分组成：执行单元、变温单元、显示单元和中央处理器。其中中央处理器集成在硬件控制台中，负责气路与温控系统中的相关计算；执行单元服从中央处理器的指令，输出相应的驱动电流，完成气路与温控系统的相关控制功能；变温单元是检测温度值，并根据目前温度值和设定温度值，输出相应的加热信号；显示单元则用8段数码管和LED来显示当前温度值、旋转等状态。其中气路与温控系统的执行单元通过一股28芯信号线与硬件控制台相连，显示单元通过一股68芯信号线与硬件控制台相连。硬件控制台向气路与温控系统发送时序控制信号、多通道DAC地址信号、DAC的数值信号等，并直接输出电平信号控制显示部分的8段数码管、LED灯的显示。

在这种技术情况下，气路与温控系统只有简单的执行功能，而自身没有计算和自主控制能力，气路与温控系统依附于硬件控制台，控制信号全部来自于硬件控制台。显示部分则没有任何自主功能，数值和LED的显示，完全取决于来自硬件控制台输出的相应电平信号。多股信号线的传输距离有限，从而决定了气路与温控系统与硬件控制台之间的距离不能太大([3]吴振翔，张广明，魏晓东.基于CAN总线的数控机床远程监控系统的设计与研究[J].机床与液压，2010(06)：62-64)，而且增加了系统的复杂性和系统成本；而多股信号线自身就有不稳定、易出故障等问题([4]郑振耀，李洁，谈军，等.超导磁体室温匀场电源：中国，CN101673947[P].2010-03-17)，一旦出现故障，就整条电缆必须被换掉，不易维护，从而直接降低了气路与温控系统的可靠性、可扩展性和可维护性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有独立性与可靠性较强、结构较简洁、易扩展、便于维护等特点的基于LAN与CAN总线的核磁共振谱仪气路与温控系统。

本发明设有中央处理单元、显示单元、第1CAN接口电路、第2CAN接口电路、转速测量电路、气动阀门驱动电路、温度测量单元和加热电路。中央处理单元与计算机相连，网络协议则采用TCP/IP协议；中央处理单元与显示单元、第1CAN接口电路、第2CAN接口电路、转速测量电路、气动阀门驱动电路、温度测量单元和加热电路采用标准CAN总线电缆进行连接；转速测量电路的输入端外接光电转速传感器，气动阀门驱动电路的输出端外接电子气阀，所述中央处理单元还可与其它扩展单元连接；温度测量单元外接热电偶，加热电路外接加热丝。

中央处理单元与显示单元、第1CAN接口电路、第2CAN接口电路、转速测量电路、气动阀门驱动电路、温度测量单元和加热电路采用标准CAN总线电缆进行连接，接口端子采用普通5mm的工业接线端子，数据链路采用CAN总线标准进行通信；CAN接口电路用于侦听、接收和发送数据信息，CAN接口电路与中央处理单元和其他功能单元进行通信。

CAN接口电路设有CAN收发器、光耦隔离电路、CAN控制器和微处理器(MCU)，微处理器连接转速测量电路、气动阀门驱动电路和加热电路等。

所述中央处理单元与计算机相连，可采用中央处理单元通过标准8芯屏蔽超5类电缆(STP)与计算机相连。中央处理单元通过路由器与计算机相连。

本发明设计的基于LAN和CAN总线的分布式核磁共振波谱仪，采用分布式结构，将气路与温控系统的控制功能分解为几个现场单元和电路：中央处理单元、显示单元、CAN接口电路、转速测量电路、气动阀门驱动电路、温度测量单元和加热电路。其中，中央处理单元通过标准8芯屏蔽超5类电缆(STP)与计算机相连，网络协议则采用TCP/IP协议；中央处理器与其他功能单元、电路，采用标准CAN总线电缆进行连接，接口端子采用普通5mm的工业接线端子，数据链路采用CAN总线标准进行通信。CAN接口电路用于侦听、接收和发送数据信息，与中央处理单元和其他功能单元进行通信，CAN接口电路由CAN收发器、光耦隔离、CAN控制器、MCU组成，MCU将相关功能管脚引出，以连接转速测量电路、气动阀门驱动电路、加热电路等；CAN接口电路的MCU具有一定的计算能力，一般的控制计算可以在MCU中进行，根据计算结果，直接改变驱动电路的相关设置，不需要中央处理单元干预，因此具有相对独立性。

当需要控制样品升/降、托起时，计算机往LAN发出相应升/降、托起指令，中央处理单元接收到升/降、托起指令，经过译码，查询相应CAN接口电路的接收地址，重新打包升/降、托起指令，并往CAN总线上发送；第2CAN接口电路接收到指令后，经过MCU的译码，控制弹出、托起气路的气动阀门驱动电路输出合适的驱动电流，以控制气流的开/关和大小，从而控制样品升/降、托起。

当需要进行转速控制时，工作流程基本相同，由计算机发出指令，中央处理单元接收、译码、重新打包指令，通过CAN总线到达第2CAN总线接口电路，第2CAN总线接口电路的MCU根据指令，向托起、旋转气路的气动阀门驱动电路发出指令，输出合适的驱动电流，以驱动样品旋转；NMR探头内的光电传感器则时刻检测样品的旋转速度，经过转速测量电路的处理后，由MCU检测、计算得出样品的实时转速，MCU根据测量的转速，进一步调节托起、旋转气流的大小，直至稳定在设置值。

当需要进行变温实验室时，工作流程基本相同，第2CAN总线接口电路接收到指令后，打开加热气流；第1CAN总线接口电路的MCU接收到指令，输出PWM，通过TIP122控制加热时间；通过实时检测温度测量单元的温度测量结果，根据该结果，采用PID计算，调节输出PWM的占空比，以调节加热功率，直至稳定在设定温度值。

与传统的核磁共振波谱仪气路与温控系统相比，本发明主要的有益效果如下：

1)采用以太网网络与计算机相连，用户可以进行远程操控核磁共振的气路与温控系统；

2)采用了总线结构，控制系统的各个单元可以分别安放在适当的位置，可以显著地提高用户使用的方便性，另外还可以减少系统连线，提高可靠性；

3)下层控制软件，分别由各模块化单元独立完成，系统容易进行功能扩展和修改；

4)抗干扰性强，LAN和CAN总线都是工业常用总线，经实践证明具有较好的电磁抗干扰性；

5)功能可扩展，CAN是常用的工业总线，，具有良好的兼容性和接入性，可挂载其它功能模块；

6)便于维护，LAN和CAN都是通用连接机制，具有完善的检测机制，而且其电气连线非常简单，因此维护非常简单。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成框图。

图2为本发明实施例的气路阀门驱动电路原理图。

图3为本发明实施例的转速测量电路原理图。

图4为本发明实施例的加热电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面将结合附图，进一步对本发明作详细介绍：

如图1所示，本发明实施例设有中央处理单元1、显示单元2、第1CAN接口电路3、第2CAN接口电路4、转速测量电路5、气动阀门驱动电路6、温度测量单元7和加热电路8。中央处理单元1通过路由器11与计算机12相连，网络协议则采用TCP/IP协议；中央处理单元1与显示单元2、第1CAN接口电路3、第2CAN接口电路4、转速测量电路5、气动阀门驱动电路6、温度测量单元7和加热电路8采用标准CAN总线电缆进行连接；转速测量电路5的输入端外接光电转速传感器13，气动阀门驱动电路6的输出端外接电子气阀14，所述中央处理单元1还可与其它扩展单元15连接；温度测量单元7外接热电偶16，加热电路8外接加热丝17。

中央处理单元1与显示单元2、第1CAN接口电路3、第2CAN接口电路4、转速测量电路5、气动阀门驱动电路6、温度测量单元7和加热电路8采用标准CAN总线电缆进行连接，接口端子采用普通5mm的工业接线端子，数据链路采用CAN总线标准进行通信；CAN接口电路用于侦听、接收和发送数据信息，CAN接口电路与中央处理单元和其他功能单元进行通信。

所述中央处理单元与计算机相连，可采用中央处理单元通过标准8芯屏蔽超5类电缆(STP)与计算机相连。

本发明将核磁共振谱仪气路与温控系统分解为几个单元和电路：中央处理单元、显示单元、CAN接口电路、转速测量电路、气动阀门驱动电路、温度测量单元和加热电路。其中，中央处理单元通过LAN网络，接收来自计算机的指令，并且上传仪器状态和实验结果等；中央控制单元的MCU可采用ARM公司新近推出的ARM Cortex-M3系列CPU，具体来说，可以采用意法半导体公司生产的STM32系列、NXP公司生产的LPC1700系列等，如STM32F103，其处理速度最高可达到100MHz，并且拥有高达256kByte的Flash程序存储器、64kByte的SRAM以及丰富的外围设备，包括12bit的ADC、DAC、SPI、I2C、UART、PWM、CAN等，非常适合应用在多功能控制系统中；ARM Cortex-M3本身不带LAN网络控制器，因此需要外接网络控制器，网络控制器可选择ENC18J60、RTL8139等10/100M自适应网络控制器。中央处理器中可以运行uCOS II、FreeRTOS等多任务实时操作系统，进一步提高系统处理多任务的可靠性。中央处理单元的EEPROM用于存储IP地址，支持在线修改IP地址。中央处理器作为CAN通信链路的主机(Master)，还需要每隔1s发送一次查询命令，查询CAN总线上其他设备的状态，发送完查询命令后，置于接收状态，接收其他设备的反馈，并将接收到的反馈数据，打包后，通过LAN传送给计算机。

CAN总线接口电路主要用于CAN总线通信，与中央处理单元进行数据交换。CAN总线接口电路预留接口，可以与转速测量电路、气动阀门驱动电路、温度测量单元和加热电路连接，以读取传感器值，输出驱动信号。CAN接口电路由MCU、CAN控制器、光耦、收发器组成。CAN总线接口电路的MCU有一定的计算能力，可以进行单元内的简单运算，如PID计算等，从而实现了本地计算、控制，保证了单元自主性，不需要中央处理单元的干预。

核磁共振谱仪需要控制样品管的升/降、旋转、变温等功能，这全部是通过控制相应气流的大小实现的。气路阀门驱动电路如图2所示，CAN总线接口电路的MCU接收到指令后，经过译码，MCU通过输入适合的数字值，控制DAC输出对应的电压，输出电压范围为0～5V，经过由放大器A组成的恒流源，得到了I＝V/5.1的电流值，输出电流值范围为0～0.98A。电压电流转换电路的具体原理如下：DAC的电压输出端接放大器A的“+”输入端，放大器A的“-”输入端接放大器的输出端，由于运放的“虚短”，因此放大器的输出电压等于加载在“+”输入端的电压，即DAC的输出电压；另外，电子阀门全部为电磁驱动，即感性负载，其直流负载约为0，因此放大器输出端的负载为电阻值，即5.1Ω，因此，流过电子阀门的电流为I＝V/51。其中放大器A必须选择高电压、高电流输出的放大器，例如TI公司生产的OPA548，支持±30V的电压输出，3A的连续输出。放大器在工作时发热量较大，因此需要加散热片进行散热。实测结果表明，样品弹出操作需要全部开启托起(bearing)、弹出(Eiect)两路控制气体，样品下降，则全部开始托起气体，弹出气体逐渐减低，直至完全关闭，样品下降到底，样品下降到底后，关闭托起气体。要实现样品旋转，则需要开启旋转、托起两路气体，转速信号由NMR谱仪探头内置的光电转速传感器获取，经过转速测量电路的处理后(如图3所示)，得到当前转速值，转速测量单元将当前转速值向中央处理单元发送。中央处理单元接收到当前转速值后，经过PID计算得出气流大小，向气路阀门驱动单元发送。气路阀门驱动单元收到气流大小值后，计算出对应的DAC输出电压值，改变DAC的输出电压，从而改变托起气流和旋转气流的大小，使得转速最终得到设置转速值。其中主要通过控制托起气流大小，来增加/减小样品管与样品壁的摩擦力来进行转速控制。温度测量单元用来测量样品腔内的温度，采用T型热电偶来进行测量。热电偶的信号处理模块，为简便起见，可以采用市场上购买的通用热电偶控制器，如厦门宇电自动化科技有限公司生产的AI701型单路精密测量显示仪，将传感器类型设置为T型热电偶，即可正确地测量样品的温度。目前，市场上很多热电偶控制器都支持将测量结果通过CAN总线输出，可以与专利发明的分布式系统无缝地兼容起来，只需要中央处理器按通信协议发送温度查询命令，热电偶控制器就将反馈测量的温度数据。

在图2中，集成电路IC1：PIC16F914，IC2：DAC8534，IC3：OPA548；电阻R1＝2kΩ，R2＝8kΩ，R3＝5.1Ω；电容C1＝0.1μF；二极管D1：MURA140T。

在图3中，电阻R1＝20kΩ，R2＝47.5kΩ，R3＝100kΩ，R4＝1kΩ；电容C1＝47μF，C2＝1μF；三极管Q1：MMBTA14。

图4为加热电路的电路图。加热电路是通过CAN接收中央处理单元的指令后，首先判断设定温度是在环境温度以下还是在环境温度以上，若在环境温度以下，则将气流先通过液He杜瓦瓶进行制冷，然后再加热；若设定温度在环境温度以上，则将气流直接导向到加热丝，不通过液He杜瓦瓶制冷。加热电路根据设定温度值和测量温度值，进行PID计算后，输出适当占空比的加热信号，以控制加热单元的加热功率，从而保持样品腔的温度恒定。在进行加热功能时，电流驱动模块控制变温气流为恒定气流状态，CAN总线接口电路读取热电偶测温电路的测温结果，通过PID计算出加热功率的大小W₁，并计算出PWM的占空比数值ψ＝W₁/W＝W₁/180，然后输出相应占空比的PWM信号给加热电路，PWM信号驱动达林顿管(TIP122)，控制TIP122的通断，从而实现了加热功率的控制。

在图4中，电阻R1＝330Ω，R2＝330Ω；二极管D1：发光二极管，D2：MURA140T；三极管Q1：TIP122。

由于CAN具有良好的扩展性，因此还可以接其他功能模块，助其上传数据、下载指令，已经确定通过CAN总线接入的有调谐单元，还可以考虑其他一些功能模块接入，通过本系统的LAN网络与计算机进行连接。

在实际应用时，中央处理单元除了承担部分计算功能外，还担负分布式系统与计算机的接口功能，在系统中担负着数据交换的桥梁作用。对于LAN功能，中央处理单元可以作为服务器和客户端，与计算机进行相应的数据交换。对于CAN总线，则监测总线上传送的数据，并向计算机发送相关数据。由于CAN控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权竞争向总线发送数据，CAN总线废除了传统的站地址编码，而采取了对通信数据块进行编码的方式区别各节点，从而使网络内的节点个数在理论上不受限制，这个特点，使得本发明的系统具有非常强的扩展性。另外，CAN总线采用了多主竞争式总线结构，CAN总线上任意节点可在任意时刻向网络上其它节点发送信息，因此可在各节点之间实现自由通信，通信方式灵活，实时性强、延迟少，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性。结构简单，只有2根现与外部相连，并且集成了错误探测和管理模块。CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数通讯，由于CAN总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而向自动控制、航空航天、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域得到广泛应用，很多商用的系统、模块均带有CAN总线接口，很容易与本发明的系统兼容。本发明可以在CAN总线上运行CAN通信协议，以进一步增强系统的可靠性和兼容性，例如：SAEJ1939/ISO11783、CANOpen、DeviceNet、CANaerospace、NMEA 2000等。中央处理单元监听到个功能单元发送的数据后，进行甄别、译码、计算后，向其他功能模块发送新的命令，并且将接收到的数据打包好，通过LAN发送给计算机。

Claims

1.基于LAN与CAN总线的核磁共振谱仪气路与温控系统，其特征在于设有中央处理单元、显示单元、第1 CAN接口电路、第2 CAN接口电路、转速测量电路、气动阀门驱动电路、温度测量单元和加热电路；中央处理单元与计算机相连，网络协议则采用TCP/IP协议；中央处理单元与显示单元、第1 CAN接口电路、第2 CAN接口电路、转速测量电路、气动阀门驱动电路、温度测量单元和加热电路采用标准CAN总线电缆进行连接；转速测量电路的输入端外接光电转速传感器，气动阀门驱动电路的输出端外接电子气阀，温度测量单元外接热电偶，加热电路外接加热丝。

2.如权利要求1所述的基于LAN与CAN总线的核磁共振谱仪气路与温控系统，其特征在于中央处理单元与显示单元、第1CAN接口电路、第2CAN接口电路、转速测量电路、气动阀门驱动电路、温度测量单元和加热电路采用标准CAN总线电缆进行连接，接口端子采用5mm的工业接线端子，数据链路采用CAN总线标准进行通信；CAN接口电路用于侦听、接收和发送数据信息，CAN接口电路与中央处理单元和其他功能单元进行通信。

3.如权利要求1所述的基于LAN与CAN总线的核磁共振谱仪气路与温控系统，其特征在于所述CAN接口电路设有CAN收发器、光耦隔离电路、CAN控制器和微处理器，微处理器连接转速测量电路、气动阀门驱动电路和加热电路。

4.如权利要求1所述的基于LAN与CAN总线的核磁共振谱仪气路与温控系统，其特征在于所述中央处理单元与计算机相连，是采用中央处理单元通过标准8芯屏蔽超5类电缆与计算机相连。

5.如权利要求1所述的基于LAN与CAN总线的核磁共振谱仪气路与温控系统，其特征在于所述中央处理单元通过路由器与计算机相连。

6.如权利要求1所述的基于LAN与CAN总线的核磁共振谱仪气路与温控系统，其特征在于所述中央处理单元与其它扩展单元连接。