专利名称：基于lan与can总线的核磁共振谱仪气路与温控系统的制作方法
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.超导磁体室温勻场 电源中国，CNlO 1673947 [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ICAN接口电路、第2CAN接口电路、转速测
3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ICAN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ICAN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ICAN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。


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。
具体实施例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ICAN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ICAN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ICAN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{曰。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。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M⑶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、P丽、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Is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. 1 Ω，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0ΡΑ548，支持士 30V的电压输出，3Α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 ICl :PIC16F914,IC2 :DAC8534，IC3 :0PA548 ；电阻 Rl = 2kΩ , R2 = 8k Ω，R3 = 5· 1 Ω ；电容 Cl = 0. 1 μ F ；二极管 Dl :MURA140T。在图3 中，电阻 Rl = 20k Ω , R2 = 47. 5k Ω , R3 = IOOkQ , R4 = IkQ ；电容 Cl = 47 μ F，C2 = 1 μ F ；三极管 Ql :ΜΜΒΤΑ14。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 =W1ZiW = Α/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 Rl = 330 Ω , R2 = 330 Ω ；二极管 Dl 发光二极管，D2 :MURA140T ； 三极管 Ql :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
7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/ IS011783、CAN0pen、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。
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权利要求
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ICAN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。
全文摘要
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。
文档编号G01R33/31GK101968534SQ201010285779
公开日2011年2月9日 申请日期2010年9月16日 优先权日2010年9月16日
发明者刘鸿飞, 孙惠军, 林超力, 郑振耀, 陈志伟, 陈忠 申请人:厦门大学