現場總線的智能冷陰極電離規控制器的實現

摘 要： 介紹為大型超高真空系統（如加速器）研製的、基於現場總線的智能超高真空監控節點即冷陰極電離真空計的設計。該真空計帶有符合CAN協議的現場總線接口、RS485／RS232C以及用於聯鎖保護快速響應的接口，可有效地驅動多種國內外規管，量程範圍是。國外品牌有美國HPS公司的Series 423 I-MAG規管及其控制器（測量範圍是）。目前基於M014規管的真空計的市場價格約5000元，價格低廉、操作簡單，但控制器的保護、報警功能很弱，測量誤差較大，另外測量範圍和通訊功能也有限。相比之下國外的真空計測量範圍寬，保護、報警功能完善，並帶有RS485和RS232通訊接口，多個真空計組網容易。國外該種控制器價格在3500美元左右，規管價格約500美元。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/255636.htm

從以上討論可以看出，我國在超高真空測量領域，尤其在Pa以上，沒有定型、功能完善且符合當前數字世界潮流的現場儀表。1998年我們利用先進的電子設計工具和仿真技術，研製和開發了三款、兩種類型的超高真空計，它們均帶有符合CAN協議的現場總線接口、RS485接口、RS-232接口以及用於聯鎖保護快速響應的接口。這裡我們著重介紹基於CAN總線的冷陰極電離超高真空計的解決方案。

１ 系統組成和工作原理

圖１是智能超高真空冷陰極電離真空計的示意圖。該真空計由冷陰極電離規管（傳感器）和控制器組成。真空計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。冷陰極電離規管內有兩個電極：陽極和陰極。對1KR020和M014規管來說，陽極電位為3300V，陰極電位為0V（均相對地）。控制器的主要功能是提供穩定的高壓並精確地測定放電電流。此放電電流與壓力的關係為：，式中I為放電電流、K為常數、P為真空壓強、n為常數（通常在１～２之間，與規管結構有關）。顯然只要精確測定放電電流I，由此公式即可得到真空度P。

下面進行具體的介紹。

1.1高壓電源單元

圖２是控制器的高壓電源單元原理圖，採用我們為微通道板和光電倍增管設計的高精度高壓電源模塊。這是一個典型的高壓回掃變換器。當U1輸出脈衝信號時，功率場效應管Q1處於開關狀態。由於開關速度很高，以及變壓器T1初級線圈電感的存在，所以dv/dt的結果會產生很高的過衝電壓，這個高的過衝電壓在脈衝的下降沿產生。經過變壓器的耦合，在變壓器的次級產生更高的電壓，並通過二極體D1對C1充電。在脈衝頻率足夠高時，就可以產生穩定的高壓輸出。U1輸出的脈衝開關頻率為20kHz，開關佔空比恆定為1。電源的穩壓控制是通過一個由OP1、OP2構成的線性調壓器組成的閉環迴路執行的。當輸出高壓大於設定值時，則流過R2的電流增加，經過OP1、OP2組成的反饋迴路後，將減小變壓器T1初級線圈的輸入電壓，從而減小過衝電壓，進而達到穩壓的目的。如果輸出高壓小於設定值，上述過程將相反，增大了變壓器T1初級線圈的輸入電壓。該高壓單元最大可提供1000μA的電流。高壓輸出端有一個4MΩ的限流電阻R1，用於在系統真空度較差時保護高壓電極。另外該高壓單元的地線必須與控制器及規管的外殼地隔離。

上述討論均是針對正高壓輸出進行的，為了獲得本實驗需要的負高壓輸出，必須將D1方向對調，另外還需要將線性調壓器的輸出端與功率場效應管Q1的漏極2對調，這主要是由於T1初次級線圈的過衝電壓是非對稱的。通過OP2對高壓輸出設定，即可獲得所需要的負高壓。

1.2 程控離子流放大器

由於真空度P和離子流Iion的對數呈線性關係，因此在早期的設計中，通常採用離子流對數放大器。放大器輸出的電壓信號可直接驅動一個指針式電壓表，顯示真空度。文獻[5]告訴我們，採用分立元件設計對數放大器是困難的，難以精確測量1000ｐA以下的離子流（對應的真空度為Pa）。典型的對數放大器有BB公司的LOG100，價格不菲。目前國內大多真空計廠家仍採用的方案為：對數放大器採用分立元件設計，用數字電壓表代替指針式電壓表。測量精度和可靠性在Pa量程非常有限。

目前半導體工業迅速發展，大量新型高速微處理器湧現，加上C程式語言的引入，使對數轉換完全可在CPU內進行。圖３是我們的程控離子流放大器原理示意圖，規管的放電離子流採用底端測量方式。該離子流首先由規管外殼收集，然後經規管外殼和控制器組成的測量地，再通過R9流回高壓電源單元。由於離子流的變化跨度很大（約7個量級），為了獲得高的測量精度，必須進行量程切換。進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集成電路——超低洩漏模擬開關U2，由於它體積小、開關無觸點，可有效增加系統的可靠性。程控離子流放大器的另一個核心部件為超低偏置電流的單片運算放大器U3。使用這兩個晶片，可精確測量超高真空時極弱的離子流，例如小於1ｐA的離子流。本單元的電路板布線和屏蔽是非常重要的，必須嚴格按照運算放大器應用手冊實施。放大後的電壓信號最後接至微處理器單元的V/F轉換器AD650，然後由微處理器分析、處理，並獲得需要的結果。如不考慮規管因素，我們的設計可以工作在Pa量級，此時的離子流約在安培量級（1pA）。由於規管本身的條件限制，目前該設計的離子流測量範圍是100pA～700μA ，對應真空度為 ·鍵盤／顯示：由一片8155管理六隻鍵盤和6位高亮度數碼管。鍵盤功能包括開關高壓、報警閾值設定等功能。顯示包括真空度和報警等。

·通訊接口：支持RS232C、RS485和現場總線CAN協議。RS232C接口晶片採用MAX202E，RS485接口晶片採用SN75LBC185，CAN接口晶片採用Philips公司的SJA1000通訊控制器和82C250總線收發器。

目前本文介紹的冷陰極電離規控制器GH080適用於BALZERS公司的IKR 020規管和國產M014型規管。圖４為在本實驗室按照ISO/DIS3568國際標準建造的比對系統上的比對結果。圖中的橫坐標為BALZERS公司的IMG040型真空計的測量值，相當於二次標準。圖中的GH070為熱陰極電離真空計，線性好，在超高真空下表現優良，而GH080在超高真空下則有飽和的趨勢，差別在於使用不同的規管。冷陰極電離規控制器使用的規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溼度的存在，電子設計中有難以克服的漏電流。如果1KR020採用HPS公司的Series 423 I-MAG規管結構（增加一個輔助陰極），我們的設計可以很容易進入Pa量級。如果不考慮規管因素，我們的設計可以工作在Pa量級，此時的離子流約在安培量級。目前該控制器使用IKR020規管的量程範圍是關於CAN通訊服務子程序的設計，我們可以採用一個監控網絡，即在CAN總線上有一臺監控計算機節點和18臺GH080真空計節點（如圖６所示）。真空計節點要傳送的數據有現場採集的數據和報警時的數據，在監控計算機向真空計發出請求數據要求且真空計收到數據請求時，真空計節點將現場採集的數據打包發送給監控計算機；而當現場出現警告時，真空計則不等監控計算機發出請求數據要求，就將警告數據發送。這是一個簡單、典型的網絡應用。

從網絡的維護與安裝的實際要求以及應用環境的特殊需要出發（如某個節點關閉、新的節點加入、出現故障等），要求真空計節點即裝即用（Plug and Play），因此對初次安裝的節點或替換下工作不正常的節點，要求該節點能夠向網絡發送請求安裝信息，監控計算機則根據此信息安裝和修飾該節點。

目前真空計節點通信子程序的設計符合CAN2.0B，採用29位標識符，波特率設置為100kbit/s，另外採用Philips公司提出的PeliCAN模式[6]。

基於PC的數據採集和處理系統能夠利用PC機所有的強大數據運算、存儲能力和優良的編程環境。對監控網絡軟體設計，我們採用NI公司的圖形化虛擬儀器平臺LabVIEW。另外現在眾多國內廠家及NI公司也提供包括PC／CAN、RS232C／CAN、RS485／CAN等現場總線硬體產品。利用這些硬體產品，使用LabVIEW的編程平臺，很容易組建專用的測控系統。由於該系統在Win98下組建，可以充分利用其提供的各種多媒體功能，應用多種手段實現良好的人機界面，從而容易實現強有力的分析和處理等功能。

目前，我們研製的冷陰極電離超高真空計已通過國家計量院鑑定並獲國家專利。該真空計的量程範圍是。基於CAN總線的大型超高真空系統監控軟體核心模塊設計已完成。與國外的同類真空計相比，我們首次將CAN總線接口和快速聯鎖報警接口引入超高真空計，使它特別適合於大型真空聯鎖監控系統。本系統的完成和實施，將使我國真空領域的現場測控技術提高到一個新的水平，並向國際水平靠攏。

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