小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李泰國，郭美如，趙以德，王亮，肖玉華

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000)

1 引言

小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)主要用于移動(dòng)設(shè)備上或航天器上進(jìn)行氣體成分的定量分析。質(zhì)譜計(jì)主要由物理部分，電控單元(下位機(jī))，高壓電源和質(zhì)譜計(jì)上位機(jī)軟件等組成［1］。質(zhì)譜計(jì)上位機(jī)軟件通過CAN總線［2］對質(zhì)譜計(jì)的電控單元進(jìn)行掃描控制，同時(shí)對數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行采集、分析、處理和保存。質(zhì)譜計(jì)下位機(jī)采用TI公司生產(chǎn)的32位浮點(diǎn)型高性能的DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片作為主控芯片，與上位機(jī)軟件通訊［3］采用雙通道CAN總線，完成啟動(dòng)指令、質(zhì)譜計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)輪詢指令的接收以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)輸出等功能。質(zhì)譜計(jì)數(shù)據(jù)采集原理如圖1所示。

2 小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

2.1 質(zhì)譜計(jì)上位機(jī)軟件系統(tǒng)架構(gòu)與工作流程

上位機(jī)軟件開始運(yùn)行后，首先進(jìn)行初始化設(shè)置。包括CAN總線協(xié)議幀格式設(shè)置、波特率設(shè)置、CAN報(bào)文濾波設(shè)置以及工作模式設(shè)置等。

圖1 質(zhì)譜計(jì)數(shù)據(jù)采集原理框圖

在初始化設(shè)置完成后，上位機(jī)等待操作人員發(fā)送開機(jī)指令。下位機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)送的間接指令，按照預(yù)先設(shè)置的流程開始工作。包括創(chuàng)建保存數(shù)據(jù)的文本文檔、執(zhí)行2秒一次的狀態(tài)數(shù)據(jù)輪詢以及1秒一次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)輪詢、將輪詢到的原始數(shù)據(jù)保存到文本文檔中。在程序運(yùn)行到預(yù)設(shè)的時(shí)間后自動(dòng)退出主線程，等待操作人員發(fā)送關(guān)機(jī)指令。

上位機(jī)軟件中集成了對原始數(shù)據(jù)處理模塊。通過文件對話框打開上位機(jī)采集的數(shù)據(jù)，采用約定的數(shù)據(jù)格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，獲得狀態(tài)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)并保存到相應(yīng)的文本文檔中。質(zhì)譜計(jì)上位機(jī)軟件工作流程圖，如圖2所示。

圖2 質(zhì)譜計(jì)上位機(jī)軟件工作流程圖

2.2 質(zhì)譜計(jì)上位機(jī)與下位機(jī)通信協(xié)議

小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)上位機(jī)與下位機(jī)通信采用標(biāo)準(zhǔn)CAN總線。下位機(jī)控制器為SJA1000，接口芯片為PCA82C250。上位機(jī)通過周立功USBCAN－II接口卡與下位機(jī)通信。周立功CAN接口卡有針對于VC++編程環(huán)境的DLL(動(dòng)態(tài)鏈接庫)，在上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)過程中直接調(diào)用DLL的函數(shù)可以縮短軟件的研制周期。CAN總線物理層協(xié)議和邏輯鏈路層協(xié)議符合CAN技術(shù)規(guī)范2.0A要求。應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)過程中考慮格式的檢測、容錯(cuò)能力，以保證系統(tǒng)安全可靠，一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)的時(shí)效不影響其他通信節(jié)點(diǎn)的通信。上位機(jī)軟件中初始化CAN接口卡與安全關(guān)閉CAN接口卡的流程圖如圖3所示。

質(zhì)譜計(jì)在通信過程中，首先由上位機(jī)通過CAN總線向下位機(jī)發(fā)送開機(jī)指令，下位機(jī)收到開機(jī)指令后開始工作。在工作過程中，上位機(jī)每1S通過CAN總線向下位機(jī)進(jìn)行一次狀態(tài)數(shù)據(jù)輪詢，每2S進(jìn)行一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)輪詢。下位機(jī)在收到輪詢指令后通過CAN總線向上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)，上位機(jī)在接收到數(shù)據(jù)后按原始格式保存在文本文檔中。質(zhì)譜計(jì)通過CAN總線發(fā)送指令與接收數(shù)據(jù)的流程如圖4所示。

3 基于VC++的小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)上位機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)

3.1 上位機(jī)軟件運(yùn)行參數(shù)設(shè)置

小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)上位機(jī)軟件參數(shù)設(shè)置包括:CAN通道選擇，驗(yàn)證碼、屏蔽碼、濾波方式設(shè)置，模式選擇，發(fā)送方式選擇，幀類型以及幀模式設(shè)置。參數(shù)設(shè)置界面如圖5所示。

3.2 上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與解析

質(zhì)譜計(jì)上位機(jī)軟件通過CAN接口卡接收下位機(jī)上傳的4幀每包的狀態(tài)數(shù)據(jù)以及30幀每包的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，上位機(jī)軟件將按順序接收到的數(shù)據(jù)以原始格式實(shí)時(shí)的保存到TXT文檔中。

在數(shù)據(jù)采集完成后，可通過上位機(jī)軟件的數(shù)據(jù)處理頁面解析采集的數(shù)據(jù)。由于原始數(shù)據(jù)中包含了狀態(tài)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)兩種類型的數(shù)據(jù)，所以在數(shù)據(jù)解析過程中，分別依據(jù)狀態(tài)數(shù)據(jù)以及試驗(yàn)數(shù)約定格式進(jìn)行解析數(shù)據(jù)，將解析后的數(shù)據(jù)分別保存在兩個(gè)文件中。其中，解析后的狀態(tài)數(shù)據(jù)格式如圖6所示:

圖3 初始化與安全關(guān)閉CAN接口卡流程圖

圖4 上位機(jī)和下位機(jī)握手?jǐn)?shù)據(jù)流程圖

圖5 上位機(jī)參數(shù)設(shè)置界面

圖6 解析后的狀態(tài)數(shù)據(jù)格式

3.3 上位機(jī)軟件運(yùn)行界面

質(zhì)譜計(jì)上位機(jī)軟件開機(jī)運(yùn)行界面如下圖所示。

圖7 質(zhì)譜計(jì)上位機(jī)軟件運(yùn)行界面

4 結(jié)論

利用CAN總線通信功能實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)通信，設(shè)計(jì)了小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)了對質(zhì)譜下位機(jī)軟件的控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)保存和解析。該上位機(jī)軟件具有如下特性:

(1)通過計(jì)算機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)掃描電壓連續(xù)可調(diào);(2)通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)的參數(shù)設(shè)置;(3)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)信號(hào)的采集、存儲(chǔ)和解析。

利用USBCAN－2A開發(fā)的接口，通過VC++與下位機(jī)進(jìn)行CAN通信?？s短了編制軟件的周期，提高了數(shù)據(jù)測量的穩(wěn)定性，優(yōu)化了現(xiàn)有系統(tǒng)，使工作效率大為提高。

［1］郭紅運(yùn)，李得天，郭美如，等.基于LabVIEW的小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì).中國儀器儀表學(xué)會(huì)，2010.

［2］饒運(yùn)濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù).－北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.6.

［3］周旭，李小敏，俞承芳.基于ARM的集散系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006 27(z1).

［4］郭美如，李得天，肖玉華.小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)磁場的分析計(jì)算［J］.真空與低溫，2010.

［5］孫鑫，余安萍.VC++深入詳解.電子工業(yè)出版社，2006，6.

［6］Detian Li，Meiru Guo，Yuhua Xiao.Development of a miniature magnetic sector mass spectrometer［J］.Vacuum 85(2011)1170－1173.