現(xiàn)場(chǎng)總線的智能冷陰極電離規(guī)控制器的實(shí)現(xiàn)

摘 要： 介紹為大型超高真空系統(tǒng)（如加速器）研制的、基于現(xiàn)場(chǎng)總線的智能超高真空監(jiān)控節(jié)點(diǎn)即冷陰極電離真空計(jì)的設(shè)計(jì)。該真空計(jì)帶有符合CAN協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線接口、RS485／RS232C以及用于聯(lián)鎖保護(hù)快速響應(yīng)的接口，可有效地驅(qū)動(dòng)多種國(guó)內(nèi)外規(guī)管，量程范圍是。國(guó)外品牌有美國(guó)HPS公司的Series 423 I-MAG規(guī)管及其控制器（測(cè)量范圍是）。目前基于M014規(guī)管的真空計(jì)的市場(chǎng)價(jià)格約5000元，價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單，但控制器的保護(hù)、報(bào)警功能很弱，測(cè)量誤差較大，另外測(cè)量范圍和通訊功能也有限。相比之下國(guó)外的真空計(jì)測(cè)量范圍寬，保護(hù)、報(bào)警功能完善，并帶有RS485和RS232通訊接口，多個(gè)真空計(jì)組網(wǎng)容易。國(guó)外該種控制器價(jià)格在3500美元左右，規(guī)管價(jià)格約500美元。

從以上討論可以看出，我國(guó)在超高真空測(cè)量領(lǐng)域，尤其在Pa以上，沒有定型、功能完善且符合當(dāng)前數(shù)字世界潮流的現(xiàn)場(chǎng)儀表。1998年我們利用先進(jìn)的電子設(shè)計(jì)工具和仿真技術(shù)，研制和開發(fā)了三款、兩種類型的超高真空計(jì)，它們均帶有符合CAN協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線接口、RS485接口、RS-232接口以及用于聯(lián)鎖保護(hù)快速響應(yīng)的接口。這里我們著重介紹基于CAN總線的冷陰極電離超高真空計(jì)的解決方案。

１ 系統(tǒng)組成和工作原理

圖１是智能超高真空冷陰極電離真空計(jì)的示意圖。該真空計(jì)由冷陰極電離規(guī)管（傳感器）和控制器組成。真空計(jì)的控制器分為三部分：高壓電源單元、程控放電電流放大器和微控制器單元。冷陰極電離規(guī)管內(nèi)有兩個(gè)電極：陽極和陰極。對(duì)1KR020和M014規(guī)管來說，陽極電位為3300V，陰極電位為0V（均相對(duì)地）?？刂破鞯闹饕δ苁翘峁┓€(wěn)定的高壓并精確地測(cè)定放電電流。此放電電流與壓力的關(guān)系為：，式中I為放電電流、K為常數(shù)、P為真空壓強(qiáng)、n為常數(shù)（通常在１～２之間，與規(guī)管結(jié)構(gòu)有關(guān)）。顯然只要精確測(cè)定放電電流I，由此公式即可得到真空度P。

下面進(jìn)行具體的介紹。

1.1高壓電源單元

圖２是控制器的高壓電源單元原理圖，采用我們?yōu)槲⑼ǖ腊搴凸怆姳对龉茉O(shè)計(jì)的高精度高壓電源模塊。這是一個(gè)典型的高壓回掃變換器。當(dāng)U1輸出脈沖信號(hào)時(shí)，功率場(chǎng)效應(yīng)管Q1處于開關(guān)狀態(tài)。由于開關(guān)速度很高，以及變壓器T1初級(jí)線圈電感的存在，所以dv/dt的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很高的過沖電壓，這個(gè)高的過沖電壓在脈沖的下降沿產(chǎn)生。經(jīng)過變壓器的耦合，在變壓器的次級(jí)產(chǎn)生更高的電壓，并通過二極管D1對(duì)C1充電。在脈沖頻率足夠高時(shí)，就可以產(chǎn)生穩(wěn)定的高壓輸出。U1輸出的脈沖開關(guān)頻率為20kHz，開關(guān)占空比恒定為1。電源的穩(wěn)壓控制是通過一個(gè)由OP1、OP2構(gòu)成的線性調(diào)壓器組成的閉環(huán)回路執(zhí)行的。當(dāng)輸出高壓大于設(shè)定值時(shí)，則流過R2的電流增加，經(jīng)過OP1、OP2組成的反饋回路后，將減小變壓器T1初級(jí)線圈的輸入電壓，從而減小過沖電壓，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)壓的目的。如果輸出高壓小于設(shè)定值，上述過程將相反，增大了變壓器T1初級(jí)線圈的輸入電壓。該高壓?jiǎn)卧畲罂商峁?000μA的電流。高壓輸出端有一個(gè)4MΩ的限流電阻R1，用于在系統(tǒng)真空度較差時(shí)保護(hù)高壓電極。另外該高壓?jiǎn)卧牡鼐€必須與控制器及規(guī)管的外殼地隔離。

上述討論均是針對(duì)正高壓輸出進(jìn)行的，為了獲得本實(shí)驗(yàn)需要的負(fù)高壓輸出，必須將D1方向?qū)φ{(diào)，另外還需要將線性調(diào)壓器的輸出端與功率場(chǎng)效應(yīng)管Q1的漏極2對(duì)調(diào)，這主要是由于T1初次級(jí)線圈的過沖電壓是非對(duì)稱的。通過OP2對(duì)高壓輸出設(shè)定，即可獲得所需要的負(fù)高壓。

1.2 程控離子流放大器

由于真空度P和離子流Iion的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，因此在早期的設(shè)計(jì)中，通常采用離子流對(duì)數(shù)放大器。放大器輸出的電壓信號(hào)可直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)指針式電壓表，顯示真空度。文獻(xiàn)[5]告訴我們，采用分立元件設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)放大器是困難的，難以精確測(cè)量1000ｐA以下的離子流（對(duì)應(yīng)的真空度為Pa）。典型的對(duì)數(shù)放大器有BB公司的LOG100，價(jià)格不菲。目前國(guó)內(nèi)大多真空計(jì)廠家仍采用的方案為：對(duì)數(shù)放大器采用分立元件設(shè)計(jì)，用數(shù)字電壓表代替指針式電壓表。測(cè)量精度和可靠性在Pa量程非常有限。

目前半導(dǎo)體工業(yè)迅速發(fā)展，大量新型高速微處理器涌現(xiàn)，加上C編程語言的引入，使對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換完全可在CPU內(nèi)進(jìn)行。圖３是我們的程控離子流放大器原理示意圖，規(guī)管的放電離子流采用底端測(cè)量方式。該離子流首先由規(guī)管外殼收集，然后經(jīng)規(guī)管外殼和控制器組成的測(cè)量地，再通過R9流回高壓電源單元。由于離子流的變化跨度很大（約7個(gè)量級(jí)），為了獲得高的測(cè)量精度，必須進(jìn)行量程切換。進(jìn)行量程切換的最好辦法是使用目前流行的可程控模擬開關(guān)集成電路——超低泄漏模擬開關(guān)U2，由于它體積小、開關(guān)無觸點(diǎn)，可有效增加系統(tǒng)的可靠性。程控離子流放大器的另一個(gè)核心部件為超低偏置電流的單片運(yùn)算放大器U3。使用這兩個(gè)芯片，可精確測(cè)量超高真空時(shí)極弱的離子流，例如小于1ｐA的離子流。本單元的電路板布線和屏蔽是非常重要的，必須嚴(yán)格按照運(yùn)算放大器應(yīng)用手冊(cè)實(shí)施。放大后的電壓信號(hào)最后接至微處理器單元的V/F轉(zhuǎn)換器AD650，然后由微處理器分析、處理，并獲得需要的結(jié)果。如不考慮規(guī)管因素，我們的設(shè)計(jì)可以工作在Pa量級(jí)，此時(shí)的離子流約在安培量級(jí)（1pA）。由于規(guī)管本身的條件限制，目前該設(shè)計(jì)的離子流測(cè)量范圍是100pA～700μA ，對(duì)應(yīng)真空度為 ·鍵盤／顯示：由一片8155管理六只鍵盤和6位高亮度數(shù)碼管。鍵盤功能包括開關(guān)高壓、報(bào)警閾值設(shè)定等功能。顯示包括真空度和報(bào)警等。

·通訊接口：支持RS232C、RS485和現(xiàn)場(chǎng)總線CAN協(xié)議。RS232C接口芯片采用MAX202E，RS485接口芯片采用SN75LBC185，CAN接口芯片采用Philips公司的SJA1000通訊控制器和82C250總線收發(fā)器。

目前本文介紹的冷陰極電離規(guī)控制器GH080適用于BALZERS公司的IKR 020規(guī)管和國(guó)產(chǎn)M014型規(guī)管。圖４為在本實(shí)驗(yàn)室按照ISO/DIS3568國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)建造的比對(duì)系統(tǒng)上的比對(duì)結(jié)果。圖中的橫坐標(biāo)為BALZERS公司的IMG040型真空計(jì)的測(cè)量值，相當(dāng)于二次標(biāo)準(zhǔn)。圖中的GH070為熱陰極電離真空計(jì)，線性好，在超高真空下表現(xiàn)優(yōu)良，而GH080在超高真空下則有飽和的趨勢(shì)，差別在于使用不同的規(guī)管。冷陰極電離規(guī)控制器使用的規(guī)管通常是以外殼為離子流的收集極，另外還有高壓以及空氣濕度的存在，電子設(shè)計(jì)中有難以克服的漏電流。如果1KR020采用HPS公司的Series 423 I-MAG規(guī)管結(jié)構(gòu)（增加一個(gè)輔助陰極），我們的設(shè)計(jì)可以很容易進(jìn)入Pa量級(jí)。如果不考慮規(guī)管因素，我們的設(shè)計(jì)可以工作在Pa量級(jí)，此時(shí)的離子流約在安培量級(jí)。目前該控制器使用IKR020規(guī)管的量程范圍是關(guān)于CAN通訊服務(wù)子程序的設(shè)計(jì)，我們可以采用一個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，即在CAN總線上有一臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)和18臺(tái)GH080真空計(jì)節(jié)點(diǎn)（如圖６所示）。真空計(jì)節(jié)點(diǎn)要傳送的數(shù)據(jù)有現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)和報(bào)警時(shí)的數(shù)據(jù)，在監(jiān)控計(jì)算機(jī)向真空計(jì)發(fā)出請(qǐng)求數(shù)據(jù)要求且真空計(jì)收到數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，真空計(jì)節(jié)點(diǎn)將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給監(jiān)控計(jì)算機(jī)；而當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)警告時(shí)，真空計(jì)則不等監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出請(qǐng)求數(shù)據(jù)要求，就將警告數(shù)據(jù)發(fā)送。這是一個(gè)簡(jiǎn)單、典型的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

從網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)與安裝的實(shí)際要求以及應(yīng)用環(huán)境的特殊需要出發(fā)（如某個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)閉、新的節(jié)點(diǎn)加入、出現(xiàn)故障等），要求真空計(jì)節(jié)點(diǎn)即裝即用（Plug and Play），因此對(duì)初次安裝的節(jié)點(diǎn)或替換下工作不正常的節(jié)點(diǎn)，要求該節(jié)點(diǎn)能夠向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送請(qǐng)求安裝信息，監(jiān)控計(jì)算機(jī)則根據(jù)此信息安裝和修飾該節(jié)點(diǎn)。

目前真空計(jì)節(jié)點(diǎn)通信子程序的設(shè)計(jì)符合CAN2.0B，采用29位標(biāo)識(shí)符，波特率設(shè)置為100kbit/s，另外采用Philips公司提出的PeliCAN模式[6]。

基于PC的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)能夠利用PC機(jī)所有的強(qiáng)大數(shù)據(jù)運(yùn)算、存儲(chǔ)能力和優(yōu)良的編程環(huán)境。對(duì)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)，我們采用NI公司的圖形化虛擬儀器平臺(tái)LabVIEW。另外現(xiàn)在眾多國(guó)內(nèi)廠家及NI公司也提供包括PC／CAN、RS232C／CAN、RS485／CAN等現(xiàn)場(chǎng)總線硬件產(chǎn)品。利用這些硬件產(chǎn)品，使用LabVIEW的編程平臺(tái)，很容易組建專用的測(cè)控系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)在Win98下組建，可以充分利用其提供的各種多媒體功能，應(yīng)用多種手段實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)界面，從而容易實(shí)現(xiàn)強(qiáng)有力的分析和處理等功能。

目前，我們研制的冷陰極電離超高真空計(jì)已通過國(guó)家計(jì)量院鑒定并獲國(guó)家專利。該真空計(jì)的量程范圍是?；贑AN總線的大型超高真空系統(tǒng)監(jiān)控軟件核心模塊設(shè)計(jì)已完成。與國(guó)外的同類真空計(jì)相比，我們首次將CAN總線接口和快速聯(lián)鎖報(bào)警接口引入超高真空計(jì)，使它特別適合于大型真空聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)的完成和實(shí)施，將使我國(guó)真空領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控技術(shù)提高到一個(gè)新的水平，并向國(guó)際水平靠攏。