基于PC104的實(shí)時質(zhì)譜儀真空監(jiān)測系統(tǒng)

王文錦，嚴(yán)奉軒，李 芳，凌大鵬，孫喜堂

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北邯鄲 056027)

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基于PC104的實(shí)時質(zhì)譜儀真空監(jiān)測系統(tǒng)

王文錦，嚴(yán)奉軒，李 芳，凌大鵬，孫喜堂

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北邯鄲 056027)

文中提出了一種基于PC104的實(shí)時質(zhì)譜儀真空監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由高速模擬量采集、PIC32數(shù)據(jù)濾波處理、實(shí)時抗干擾通信機(jī)制3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)組成。高速A/D采集芯片對需要監(jiān)測的外界物理量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，根據(jù)A/D信號隨機(jī)誤差的特點(diǎn)，并兼顧系統(tǒng)的實(shí)時性，采用滑動平均濾波算法進(jìn)行降噪處理。與上位機(jī)通信交互過程中，使用抵御通信差錯的狀態(tài)轉(zhuǎn)移機(jī)制，保證傳輸?shù)目煽啃?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在具備良好實(shí)時性和低功耗的前提下，濾波處理后真空度和溫度測量數(shù)據(jù)的噪聲指數(shù)分別降低了58.4%和60.2%，滿足在惡劣現(xiàn)場環(huán)境中進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測的需求。

PC104；PIC32；質(zhì)譜儀；信號監(jiān)測

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，質(zhì)譜分析技術(shù)在現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測、產(chǎn)品檢測等許多科學(xué)研究和生產(chǎn)領(lǐng)域已發(fā)揮著十分重要的作用。真空度、溫度等物理量信號是質(zhì)譜儀的重要性能參數(shù)，直接關(guān)系到質(zhì)譜儀的使用壽命，影響質(zhì)譜儀的檢測水平和分析能力。因此，有必要研制外界模擬量的采集與處理系統(tǒng)。同時，由于儀器工作的現(xiàn)場環(huán)境較為惡劣，對監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時性、功耗、抗干擾能力和差錯對抗機(jī)制也提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)階段，國內(nèi)的現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)多采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，其小型化、智能化測試設(shè)備的相關(guān)技術(shù)還有待進(jìn)一步研究。本文基于PC104架構(gòu)搭建了小型化的實(shí)時質(zhì)譜儀真空監(jiān)測系統(tǒng)，以高速A/D轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)外界物理量信號的采集，以PIC32處理器完成數(shù)據(jù)的封裝拆包與后期處理，通過異步串口通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與上位機(jī)之間的通信，最終在上位機(jī)軟件對各項(xiàng)外界物理量信號進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

質(zhì)譜儀實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)不僅要具備高性能、高可靠性，而且還要結(jié)構(gòu)靈活，擴(kuò)展性高。該系統(tǒng)采用PC104體系結(jié)構(gòu)，由主控制板和外圍電路擴(kuò)展板構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

PC104是嵌入式工控機(jī)的一種，使用堆疊的方式可以將多個PC104主板結(jié)合到一起，并通過螺栓固定，保證系統(tǒng)的牢固可靠，應(yīng)對惡劣的使用環(huán)境。它是與普通PC機(jī)100%兼容的層疊式嵌入式計(jì)算機(jī)，具有體積小、功耗低、擴(kuò)展性高、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，已經(jīng)在航空航天、軍用武器裝備、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。

PIC32MX是新型32位高性能系列單片機(jī)。采用改進(jìn)的哈佛架構(gòu)、C編譯器優(yōu)化的指令集，帶5級流水線的MIPS 32位內(nèi)核。頻率最高可達(dá)80 MHz，具有單周期乘法單元和高性能除法單元。具有指令集小、功耗低、速度快等優(yōu)點(diǎn)。本文采用PIC32MX360F512L單片機(jī)(以下簡稱PIC32)。

該真空監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括：高速模擬量采集、PIC32數(shù)據(jù)濾波處理、實(shí)時抗干擾通信機(jī)制。下面具體介紹各部分的實(shí)現(xiàn)過程。

1.1 高速模擬量采集

該真空監(jiān)測系統(tǒng)需要采集的物理量共有5路：2路真空度信號、1路溫度信號、1路流量計(jì)信號、1路離子泵電流信號。

為保證模擬量采集的速度和精度，該系統(tǒng)采用的A/D轉(zhuǎn)換芯片是MCP3208。這是一款12位8輸入通道的ADC轉(zhuǎn)換器。其重要特點(diǎn)是采樣速度快(每秒可達(dá)100 K)；低功耗，工作電流400 μA，靜態(tài)電流500 nA；小線性誤差(±1LSB)。

MCP3208與PIC32連接的示意圖如圖2所示。通信采用的是標(biāo)準(zhǔn)串行SPI方式。當(dāng)CS端由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，芯片的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸被初始化。DIN端輸入的第一位信號是單端/差動輸入選擇位，接下來DIN端輸入的3位信號用于第0～7輸入通道的選擇。最終12位轉(zhuǎn)換結(jié)果從最高位到最低位依次DOUT端輸出。

圖2 MCP3208連接示意圖

下面以溫度和真空度測量模塊為例，介紹模擬量采集的具體過程。

1.1.1 溫度測量模塊

質(zhì)譜儀中溫度的測量電路是經(jīng)典的電橋差分式電路，其原理如圖3所示。溫度傳感器使用PT100，使用5 V供電，信號經(jīng)過信號轉(zhuǎn)接電路板的轉(zhuǎn)接，進(jìn)入控制MCP3208模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，由PIC32和上位機(jī)共同監(jiān)控溫度。

在質(zhì)譜儀中溫度在-20～+50 ℃之間，在此區(qū)間內(nèi)電壓值是線性變化的。A/D的采樣值在溫度T1時應(yīng)該為AD1，在溫度T2時應(yīng)該為AD2。由此計(jì)算出A/D采樣值和溫度的對應(yīng)公式

圖3 電橋差分電路原理圖

(1)

1.1.2 真空測量模塊

真空規(guī)PKR251對真空腔中10-5Pa量級的高真空環(huán)境使用冷陰極原理進(jìn)行測量，其原理圖如圖4所示。

在PKR251特定的測量范圍內(nèi)(即5×10-7～105Pa)，會輸出與真空度成對數(shù)關(guān)系的電壓信號。真空度與電壓的關(guān)系可以用更精確的公式來描述

p=101.667U-d

(2)

式中：p為測得的真空度；U為測到的電壓，正常值在1.82與8.6之間，小于1.82大于0.5超限，小于9.5大于8.6超限，小于0.5或大于9.5錯誤；d為常數(shù)9.33。

圖4 真空測量電路原理

1.2 PIC32數(shù)據(jù)濾波處理

在A/D進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，會遇到數(shù)據(jù)的隨機(jī)誤差，隨機(jī)誤差是由隨機(jī)干擾引起的，其特點(diǎn)是在相同條件下測量同一量時，其大小和符號會出現(xiàn)無規(guī)則的變化而無法預(yù)測，但多次測量的結(jié)果符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律。通過使用適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波器，可以較好的擬合出有用信號，使噪聲有較大的衰減以提高信號的信噪比(SNR)。從濾波性能、實(shí)時性等方面綜合考慮，本文選用滑動平均濾波算法[4]。

平均濾波器的抽樣響應(yīng)為

(3)

該濾波器的噪聲減小比

NRR越小，信噪比越大。

滑動平均濾波算法只采樣一次，將一次采樣值和過去的若干次采樣值一起求平均，得到的有效采樣值即可投入使用。如圖5所示，把連續(xù)取N個采樣值看成一個隊(duì)列，隊(duì)列長度固定為N,每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并扔掉原來隊(duì)首的一個數(shù)據(jù)(先進(jìn)先出原則)，把隊(duì)列中的N個數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均值運(yùn)算，就可獲得新的濾波結(jié)果。

該算法可以保證系統(tǒng)的實(shí)時性，對周期性干擾有良好的抑制作用，且平滑度高。

圖5 滑動平均濾波示意圖

1.3 實(shí)時抗干擾通信機(jī)制

PIC32通過異步串口通信模塊與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。下面以PIC32單片機(jī)接收上位機(jī)指令幀為例，介紹該系統(tǒng)的抗差錯通信機(jī)制。PIC32單片機(jī)接收到的上位機(jī)控制指令幀格式為：幀頭、數(shù)據(jù)正文、校驗(yàn)和、幀尾。該指令幀每秒發(fā)送一次。在傳輸過程中一旦出現(xiàn)異常，時序上即失去同步，通信過程中就會出現(xiàn)大量的誤碼，導(dǎo)致整個通信系統(tǒng)失效。為此，本文提出了一種抵御通信差錯的狀態(tài)轉(zhuǎn)移機(jī)制[5]。圖6給出了接收上位機(jī)指令的狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖，具體流程如下。

圖6 通信接收狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖

(1)系統(tǒng)默認(rèn)處于空閑狀態(tài)，當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)后，跳轉(zhuǎn)到幀頭識別狀態(tài)。

(2)如果幀頭正確，跳轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)接收狀態(tài)；如果幀頭錯誤，返回空閑狀態(tài)。

(3)數(shù)據(jù)正文接收過程中，如有兩次數(shù)據(jù)接收時間間隔過長的情況，返回默認(rèn)的空閑狀態(tài)。所有數(shù)據(jù)全部接收完成后，跳轉(zhuǎn)到校驗(yàn)和判斷狀態(tài)。

(4)如果校驗(yàn)和正確，跳轉(zhuǎn)到幀尾判斷狀態(tài)；如果錯誤返回空閑狀態(tài)。

(5)如果幀尾正確，跳轉(zhuǎn)到結(jié)束狀態(tài)；如果錯誤返回空閑狀態(tài)。

為確保通信的穩(wěn)定性，兩次數(shù)據(jù)接收的時間間隔超過設(shè)定值時，一律跳轉(zhuǎn)到默認(rèn)的空閑狀態(tài)。

在串口通信的過程中，當(dāng)信道噪聲或干擾造成差錯時，以上通信機(jī)制可以有效避免差錯擴(kuò)散，以最快速度恢復(fù)發(fā)送和接收端的同步，保證了傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為測試系統(tǒng)的實(shí)時性，使用示波器觀測系統(tǒng)的外界物理量采集、數(shù)據(jù)濾波處理、與上位機(jī)數(shù)據(jù)交互整個流程的運(yùn)行時間，每個運(yùn)行周期大約是36 ms，滿足實(shí)時性要求。

使用功率表測算系統(tǒng)的功耗，數(shù)據(jù)為5.2 W，具備低功耗的特性。

為驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，對濾波前后的真空度和溫度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，對比結(jié)果如圖7、圖8所示。評價指標(biāo)采用噪聲指數(shù)[6]，其定義為：

(5)

式中：N=(-1 2 -1) ；L為對應(yīng)數(shù)據(jù)序列的長度。

圖7 濾波前后真空度數(shù)據(jù)對比

圖8 濾波前后溫度數(shù)據(jù)對比

從表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，濾波處理后，真空度和溫度測量數(shù)據(jù)的噪聲指數(shù)分別降低了58.4%和60.2%，證明了濾波算法的有效性。

表1 濾波前后的客觀評價指標(biāo)對比

3 結(jié)論

本文提出了一種基于PIC32的實(shí)時質(zhì)譜儀真空監(jiān)測系統(tǒng)。采用MCP3208高速A/D轉(zhuǎn)換芯片，保證模擬量采集的速度和精度。根據(jù)A/D采集數(shù)據(jù)隨機(jī)誤差的特點(diǎn)，使用滑動平均濾波算法擬合出有用信號，在保證實(shí)時性的同時，對周期性干擾有良好的抑制作用。抵御通信差錯的狀態(tài)轉(zhuǎn)移機(jī)制可有效避免信道噪聲或干擾造成的差錯擴(kuò)散，確保傳輸?shù)目煽啃?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的實(shí)時性高，功耗低，濾波后真空度和溫度測量數(shù)據(jù)的噪聲指數(shù)分別降低了58.4%和60.2%，滿足在惡劣環(huán)境中進(jìn)行真空系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測的要求。

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Real-time Vacuum Monitoring System for Mass Spectrometer Based on PC104

WANG Wen-jin,YAN Feng-xuan,LI Fang,LING Da-peng,SUN Xi-tang

(The 718th Research Institute of CSIC,Handan 056027,China)

This paper presents a real-time vacuum monitoring system for mass spectrometer based on PC104.This system mainly consists of high-speed analog signal acquisition,data filtering based on PIC32,and real-time anti-jamming communication technology.A high-speed A/D converter was employed to acquire external physical quantities that are to be monitored.According to the characteristics of A/D signal’s random disturbance,a moving average filter was used to reduce noise while giving consideration of the real-time request of the system.Afterwards,an error-resilient status transfer mechanism was proposed during communication with the upper computer to guarantee transmission reliability.Experimental results show that while possessing good real-time capability and low power consumption,the noise factors of the vacuum and temperature measuring data processed by our filtering algorithm are decreased by 58.4% and 60.2% respectively.Hence,the proposed system satisfies the requirements of real-time monitoring in harsh field condition.

PC104； PIC32； mass spectrometer； signal monitoring

2015-09-10

TP273

A

1002-1841(2015)12-0026-03

王文錦(1985—)，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榉治鰞x器，嵌入式設(shè)備。E-mail:shuzidianlu@126.com