小脉冲强磁场设施的测量和控制软件的开发技术——翻译文本.doc

小脉冲强磁场设施的测量和控制软件的开发技术摘要：为了满足小的脉冲强磁场设施的需求调研，实施本文提出了高脉冲磁场设备的控制系统软件。该系统是基于在VC和Measurement Studio平台，并在其中应用有限状态机的通信机制。该硬件电路的状态监测系统和充电触发动作和射击根据由用户设置的参数是由它控制的。提供两种控制模式：手动模式和自动模式。信号磁场的变化率的时间进行采样并计算它的集成信号。实验结果表明，该系统达到了设计的目的。关键字：高压脉冲磁场；测控系统；通信协议； ActiveX控件技术；有限状态机1.引言 对于现代科学研究的前沿而言，强磁场是其中一个必要的极端条件。在许多科学领域之中，如固态物理，材料，化学，生物学等，强磁场是一项基本的研究工具。根据磁场特性，它可以分为两个大类，包括直流强磁场和脉冲强磁场。由于脉冲高磁场的优势，如方便实现简单原理和在短的时间内到达高磁场等方面，因此被广泛用。 高场强度，能耗低，高可控性磁场波形，连续发射的能力都是小脉冲强磁场设施（SPHMFF）的特点。由小脉冲强磁场设施制造的强磁场适合运用在例如生物学和环境的保护等科研领域。目前，在中国没有这样的设备，以满足研究机构的需求。这个设施的测量和控制软件系统的功能和实现的关键技术将在本文讨论。2. 构造SPHMFF的控制系统 SPHMFF由脉冲磁铁，脉冲功率电源和相应的控制系统，以及界面接口组成。SPHMFF的主电路在图1如示。电源是1mF/6kV的电容器。磁铁的直径为45mm可以产生峰值场为10T和脉冲宽度为10ms的脉冲磁场。控制系统是用于收集磁场强度的数据和控制充电和电磁发射过程。控制系统的构造如图2所示。图1控制系统可分为两部分，包括中央控制电脑和本地控制单元。所有的操作接口都是在中央控制电脑中实现，由此用户可以实现远程控制设施。本地控制单元由充电器和DSP控制器组成。充电器用于充电电源。DSP控制器负责控制主电路开关，并收集磁场强度数据。由于最大电压为6KV，属于高电压范围，故SPHMFF必须远程操作，以确保操作人员的安全。因此，中央控制电脑与本地控制单元通过光纤连接，以确保电隔离。控制信号发送从使用两个COM端口充电和DSP控制器的中央控制电脑发出。控制系统的主要功能包括：l 控制充电器l 通过DSP控制器来控制开关l 通过DSP控制器来触启可控硅发射电磁l 在电磁发射时收集电磁场的强度数据 按照实际需求，电磁发射方式可分为手动和自动两种模式。手动模式是指用户由自己全程控制充电和电磁发射过程。自动模式指在用户设置了自动连续发射的时间和相关参数之后，系统将自动充电和发射电磁。同时，主电路的开关状态、电容上的电压数值和磁场的波形均会显示在界面上。例如关闭开关和由于紧急状态而暂停的操作也都可以在界面上实现。3. 软件的构造3.1 开发平台和工具 考虑到实时性必须确保关键任务的执行（如关闭开关和紧急暂停），同时，兼容性和开发工具的可维护性都应具备，因此我们可以把Visual Studio 2005 作为主控制软件的开发平台。通过使用Visual Studio 2005上的MFC（微软基础类），把大量用于C+窗口编程的信息进行打包。在界面上的复杂操作（如响应/处理消息）大大被简化。不仅开发难度降低，而且软件的稳定性也在增加。为了使界面更加方便，由NI 公司开发的Measurement Studio也嵌入在软件内。ActiveX控件（如按钮控制、图形控制、旋钮控制、数字控制和滑模控）都是由Measurement Studio提供的。样本数据可以方便地显示在图形控制上。在经过使用C语言的计算之后（例如整合），处理过的样本数据也同时显示在界面上。通过CCS2000来开发在DSP控制器上的软件。这个工具不仅可以编译代码，也可以在网上调试目标，这是使用该工具进行硬件测试或做实验的方便之处。3.2 软件的主要功能 为了满足设计需要，软件的主要功能包括：l 参数设置：设置在磁铁上充电器的电压（当磁铁放电时，产生的磁场强度与电压有关）和连续放电次数。当连续放电时间设置为一次，该系统将切换到手动模式，相反，当连续放电时间设置多次，系统会自动切换到自动模式。l 过程控制：充电和放电过程可以通过用户自己或系统的自动化控制。l 状态显示：在主电路开关状态（如弃置开关和充电器的开关）通过文字和图形的方式显示在界面上。电容上的电压值显示在Measurement Studio提供的幻灯片控制上。所以，一切都一目了然。l 数据收集和整合：由DSP控制器发送的感应电压值以波形的形式显示在图形控制上。由感应电压集成的磁场强度的波形也显示在图形控制上。l 数据存储：在放电之后，记录数据存储在文件，这有助于用户在实验之后有用的分析的结果。l 保护磁铁：在磁铁很短的多次发射间隔之间，软件将根据相对公式的残余力量计算来评估系统的状态。允许的放电次数将在界面上显示。当值变为零，该软件将自动中止排放流量并通知用户磁铁需要冷却下来。同时，系统会进入15分钟倒计时的过程，以确保磁铁的安全。l 记录设施的服务条件：记录例如放电次数，最大的放电电压，最大磁场强度和最终放电电压的信息以方便用户进行磁铁老龄化问题的评价。3.3 软件的控制流 如图3所示，软件先初始化变量和设备，包括计时器和COM端口。然后系统检查中央控制电脑和DSP控制器之间的通信状态。该系统查询在主电路上的开关状态并判断磁铁是否已经冷却下来。如果一切正常，用户可以在界面上设置如放电电压和放电次数的参数。放电次数决定接下来系统的操作模式。如果放电次数是一次，系统切换到手动模式。否则，系统将切换到自动模式。在自动模式中，充电和放电过程由一个15秒的计时器控制。3.4 通讯协议 中央控制电脑和地方控制单元之间的通信通过光纤实现。物理层通信协议是基于RS232标准协议。通讯以打包的形式进行传递。信息包的格式如图4所示。根据传输方向，数据包被分为命令数据包的类型和响应数据包。从PC发送到本地控制单元的数据包是命令包，而另一种则是响应包。该包包括同步字节，地址接收，发送者的地址，命令字节，数据长度，检查代码和数据包的结束。有N +10个字节在一个数据包。 从1到3个字节是同步字节，表示一个数据包的开始。同步字节总是0x7E的，0xe7和0x7E。字节4是接收器的地址。字节5是发件人的地址。 PC地址是F3H，充电器的地址是58H，DSP控制器的地址是59H。字节6是命令字节，其中显示的内容包。7字节是数据的长度。从字节8至N +7的数据。校验码由两个字节组成。第一个字节是XOR检查字节。这是XOR字节值从4到N +7的运算结果，第二个字节是校验字节总和。这是字节4字节N +7的总和运算结果的值。4. 实现的关键技术4.1 Visual Studio 2005与Measurement Studio的无缝应用 NI Measurement Studio是Visual Studio.NET和Visual Studio 2005的集成套件，包括各种常见的ActiveX控件，工具和测量和自动化类库。由测量工作室所提供的ActiveX控件易于使用。基本上它与Visual Studio 2005所提供的没有区别。例如，界面上的一些简单的ActiveX控件的状态如滑模控制，通过改变其中的“数值”的数值，可以轻易改变变量。尤其是，选择由Measurement Studio 所提供的按钮控制，而不是由Visual Studio 2005所提供的。虽然他们都可以建立一个单击事件的响应，Measurement Studio可在一个界面上显示两个状态：打开状态和关闭状态。当一个按钮被按下或拉起，变量的“数值”将被改变。与此同时，一条“value Changed”的消息将会产生。因此，用户可以确保，他们的操作是否完成。由Visual Studio所提供的按钮，用户可以出于某种原因没有点击按钮，但是他们没有意识到他们刚才没有按下按钮。 图形制控制主要用于绘图波形。大概实现过程如下：首先创建一个图形对象，然后CNiGraph类的方程ChartXY（）在一个被称为“FOR”的圆圈内一点一点地绘制波形。图形控制具有自动缩放的功能。它显示波形，让用户在合适的X轴和Y清楚地看到它。在软件上，显示dB/ dt的信号的代码和集成如下：4.2 基于FSM的通信实现 根据上述情况，中央控制电脑和本地控制单元之间的通信实现是通过数据包的形式。处理数据接收时，它会解决解压问题。对于许多类型的通信指挥，需要采取不同的操作。每个数据包的长度从12字节到多达4000个字节，所以拆包时，系统具有不同的状态。如果仅在开关模式的情况下，软件编程需要重编程，对于可扩展性软件这是不好的，将更频繁产生错误。 由于这些原因，我们使用FSM的解决方案设计解压缩的算法6。该方案采用密克罗尼西亚进行状态转移。当程序重新输入相同的功能，它可以处理相关只是基于当前状态。因此，降低了编程的复杂性，增强软件的可维护性，这是有利于状态未来的扩展。 FSM状态转换图如图5所示和表1所示的状态转移的条件。 当系统在初始状态STATE_NONE时，只接收同步字节0x7E，系统进入下一状态STATE_HEAD1。在这个时候，如果收到0xe7，系统进入下一状态STATE_HEAD2;否则，返回到初始状态。在状态STATE_HEAD2，如果接收0x7E，系统进入下一状态STATE_HEAD3;否则，返回到初始状态。然后接收器的地址，发件人地址，命令字节和收到的数据的长度。在同一时间，系统状态来到STATE_DATA。如果已经已经收到的数据的数量比预计的少，系统状态将留在STATE_DATA;否则将进入下一个状态STATE_XORCHK。在这种状态下，系统的检查，收到的XOR校验字节是否等于值的XOR的字节4到字节N +7的运算结果。如果通过这个检查，下一状态STATE_SUMCHK会来，否则系统状态将返回到初始状态STATE_NONE。总和检查的过程是类似XOR支票。总和检查合格后，系统状态为STATE_END。在这个时候，如果接收到的数据是0X0D，收到的包刚才将被处理和系统状态会回到状态STATE_NONE；否则没有了刚刚收到的数据包的过程。4.3 自动充电和放电的控制流实现 在生物学和环保科学实验，需要在相同的电压高磁场连续串行放电进行实验。这将需要等待超过一小时为一个大的高磁场设施满负荷放电。然而，因为低能量，SPHMFF可以在短的时间间隔内完成一系列的充电和放电操作。为了完成不断的充电和放电操作，因此设计出自动充电和放电模式。它的流程图如图6所示。 充电时按下按钮，系统将启动15秒计时器。如果15秒结束时，系统会检测所有开关的状态，估计磁铁是否过热。如果状态正确，系统将发送到充电器充电命令，充电过程中会发起和充电器的状态将monitored.Once充电器充电完成返回命令，中央控制电脑将发送放电DSP控制器的命令。然后，DSP控制器会触发其IO端口的放电开关。每次放电成功，变量“放电时间”将增加一个。当估计的放电时间到了，该系统也将关闭15秒计时器和转储开关将会封闭。完成一个完整的自动充电和放电操作。为了避免人为事故，所有的ActiveX控件禁用在充放电过程中使用（如按钮，编辑框，下拉列表等），只有一个“紧急停止”按钮活跃。关闭电源时我们可以用它立即停止该软件的操作。可确保用户和设施的安全。5. 实验测试结果主要的软件系统，界面如图7所示。 界面由三部分组成，包括参数设置，状态和操作显示，完整的充放电操作，监测和控制。 收集dB/ dt信号的ADC（10位分辨率）如图8所示分别为500V和6kV电压下放电的。从这些波形，我们可以发现有较大的噪音在500V中，这是造成图形控制的自动缩放功能的。绝对值的放电电压为500V时的噪音几乎是相等的6KV。然而，显示规模的500V的是比6KV一个小。如此看来，它的噪音是大于6KV的。由于这里主要用