超导磁体低温液位监测单元的设计与实现

　　引言
　　超导磁体相对于常规磁体而言，具有励磁线圈电流密度大、电流稳定性高、功耗小、体积小和运转费用低等优点，可满足用户对磁场高强度、高均匀度和高稳定度等性能的要求，在科学研究、医疗诊断、交通运输和电力系统等领域有着广阔的应用前景，其中采用了超导磁体的核磁共振(NMR)谱仪和磁共振成像(MRI)仪更是发展形成了一个产值巨大的市场.随着国民经济和科教医卫事业的迅速发展，我国对超导 NMR 和 MRI仪器设备的需求也在飞速增长，但是这些仪器设备的核心技术与制造基本上控制在少数发达国家手中，为了打破国外的技术垄断并满足国内市场的巨大需求，我国科研机构目前正在积极开展超导仪器设备的自主创新研制.
　　1 液氦和液氮的液位测量原理
　　1.1 液氦液位的测量原理
　　液氦的测量使用电阻式传感器，其测量原理如图 1 所示.使用一根铌钛超导丝制成的液位传感器插入液氦中，其中 I+端和 I-端连接电流源的正负极，V+端和 V-端输出超导丝的电压.测量时，浸没在液氦中的那部分超导丝呈超导态，电阻为 0;而液面之上的超导丝由于加热电阻的作用呈正常态.通过测量传感器的电阻变化量，即可检测液氦液面的变化.
　　1.2 液氮液位的测量原理
　　液氮的测量使用电容式液位传感器，其测量原理如图 2 所示，电容传感器由两个同轴不锈钢管构成，中间使用聚四氟乙烯绝缘材料固定两个管子的位置，外管的管壁上开有若干流通孔，使液氮能在电容传感器中自由流入或流出.由于空气和液氮的介电常数不同，当液位变化时，传感器的电容量也相应变化，可以检测出液位的变化.
　　2 液位监测单元的硬件设计
　　2.1 硬件整体设计
　　液位监测单元的硬件整体架构如图 3 所示，液位监测单元硬件电路主要由模拟信号处理电路和以 STM32ARM 微控制器为核心的控制系统组成.
　　2.2 压控电流源的设计
　　为了适应不同规格的电阻传感器对电流源的需求，由微控制器所产生的 PWM 输出经过光耦合器的隔离耦合以及比较器的缓冲后，再经过低通滤波后输出一个直流电压以控制电流源.
　　2.3 电压-频率转换电路
　　电压-频率转换电路的原理图如图 5 所示，电阻式传感器提供的电压经由接口 V+和V-进入电压-频率转换器 TC9400 的 3 脚和 7 脚，然后在 8 脚输出相应的频率 FREQ_OUT，输出频率经过光耦的隔离耦合后进入微控制器进行处理，从而计算出液氦的液位.
　　2.4 电容-频率转换电路
　　电容-频率转换电路的原理图如图 6 所示，采用 INTERSIL 公司型号为 ICM7555 的555 定时器构建一个经济实用的电容-频率转换电路.电容传感器的两个极板分别连接P1 和 P2 接口，接口 PL1，PL2 和 PL3 分别接供电电源、频率输出和地，由电阻 R2和电容构成积分电路，并周期性对电容进行充放电，使得电容上的电压在门限电压上下反复震荡，通过 555 定时器内部的比较器和触发器的工作，可以在输出管脚得到相应的脉冲波形.
　　2.5 微控制器系统设计
　　以 STM32F103 微控制器作为控制核心，对模拟接口电路输出的频率信号进行处理，并通过脉冲宽度调制(PWM)为压控电流源提供输入脉冲，通过 CAN 总线与上位机进行通信，液氦和液氮的液位信息在微控制器内进行计算，其结果在 LED 数码管上显示，并且在液位低于安全位置时，通过蜂鸣器进行报警.图 7 所示为微控制器系统电路的框图.
　　3 液位监测单元的软件设计
　　3.1 软件总体设计
　　液位监测软件的主要功能是通过 CAN 通信设置两个测量通道的各项参数，并控制电流源为电阻式液氦传感器提供工作电流，然后将测量通道反馈回来的频率信号进行处理，得出液位信息后显示在 LED 数码管上，并通过 CAN 通信接口上传给上位机.
　　3.2 频率信号处理程序设计
　　STM32F103 包含了多个通用定时器，为了能够同时测量液氦和液氮的液位，本文使用通用定时器 TIM2 和 TIM3 分别为液位监测的两个通道进行频率信号处理.在STM32F103 初始化的时候对 TIM2 和 TIM3 进行配置，其时钟由内部时钟源提供为 72MHz，预分频值为 1，计数器设置为向上计数模式，自动重载寄存器的值设置为 65 535.
　　4 液位监测单元的功能测试
　　液位监测单元经过 PCB 的器件焊接和各个功能模块的调试后进行了功能测试.在默认设置中，液位监测单元启用了两个测量通道，通道 1 用于液氦测量，通道 2 用于液氮测量.
　　5 结论
　　本文首先介绍了超导磁体液氦和液氮的液位监测单元的研究背景和意义，接着介绍了液氦和液氮的液位测量原理，然后详细阐述了基于 STM32 微控制器的双通道低温液位监测的设计方案，即从微控制器 STM32F103 输出的 PWM 波形控制电流源输出一个稳定的电流，同时，两路频率转换电路分别把电压值和电容值转换为频率信号，输入到微控制器 STM32 中进行处理，最后由 STM32 输出的液位信息在 LED 数码管进行显示并通过 CAN 通信传至上位机.最后通过测试表明，实现了液位的实时监测、远程监测和远程控制等功能，验证了设计的可行性.