基于安捷倫FRG700真空計(jì)的便攜式真空顯控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘?要：安捷倫FRG700型全量程規(guī)廣泛應(yīng)用于真空測(cè)量領(lǐng)域，但目前市場(chǎng)上沒有與之配套的便攜式控制器。為此研制了一種適配于安捷倫FRG700真空計(jì)的便攜式真空顯控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32微控制器為核心，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端狀態(tài)檢測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、低電量報(bào)警以及在線真空度顯示等功能，為真空度檢測(cè)提供了一種便攜性、實(shí)時(shí)性的解決方案。

關(guān)鍵詞：便攜式真空測(cè)量;Cortex-M3;真空;FRG700

真空測(cè)量在半導(dǎo)體、科學(xué)儀器、航天產(chǎn)品、表面分析科學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1]。安捷倫FRG700全量程規(guī)因其集成度高、測(cè)量范圍寬、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，在真空計(jì)領(lǐng)域有較高的市場(chǎng)占有量。在傳統(tǒng)的真空度顯控方案中，與FRG700配套使用的是安捷倫AGD-100規(guī)控制器，該設(shè)備為典型的實(shí)驗(yàn)室儀器，雖然測(cè)量精度高、單一性強(qiáng)，但受限于體積與工頻交流供電等因素，不適用于便攜式的真空測(cè)量工作。為此，本文提出了一種適用于安捷倫FRG700真空計(jì)的便攜式真空顯控系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱顯控系統(tǒng)），用以改善傳統(tǒng)真空度測(cè)量方案在便攜測(cè)量方面的不足。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)包括以STM32F103C8T6微控制器為核心的外圍電路、OLED模塊、RS232通訊電路、信號(hào)調(diào)理電路、聲光報(bào)警電路、電壓轉(zhuǎn)換電路以及鋰電池等組件，如圖1所示。

綜合考慮重量、體積、使用時(shí)長(zhǎng)等因素，選用12V/3000mAh的軟包鋰電池作為整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力源，該電池輸出電壓為9-12.6V，由3支18650電芯組成，內(nèi)部集成了過流、短路、低壓以及過沖等保護(hù)電路。FRG700工作時(shí)需要顯控系統(tǒng)提供直流電源，為確保規(guī)供電與顯控系統(tǒng)的供電互不串?dāng)_，采取了分組供電的措施，并使用金升陽WRB1224ST-3WR2隔離穩(wěn)壓模塊，將電池的輸出電壓提升至FRG700的額定工作電壓。顯控系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理部分與數(shù)字控制部分的供電，分別由金升陽WRA1212SD-1WR2模塊（±12V）與K78L03-500R3模塊（3.3V）進(jìn)行提供。

顯控系統(tǒng)使用STM32的片上ADC測(cè)量模擬電壓信號(hào)。FRG700輸出的電壓信號(hào)與所測(cè)壓力呈對(duì)數(shù)關(guān)系，電壓范圍為0～10.5V，因此該信號(hào)先利用差分電路進(jìn)行降壓，再經(jīng)過有源低通濾波器濾除高頻噪聲后送入微控制器;電池電壓的測(cè)量用于剩余電量的檢測(cè)，信號(hào)調(diào)理電路首先使用電阻分壓，再采用電壓跟隨器進(jìn)行阻抗變換和濾波，使得測(cè)量信號(hào)達(dá)到微控制器的可測(cè)范圍。

數(shù)字控制部分，微控制器使用SPI串行接口驅(qū)動(dòng)1.3寸的OLED屏，用以顯示真空度等相關(guān)信息;配備了RS232通訊接口，可向遠(yuǎn)端傳輸真空度等相關(guān)數(shù)據(jù);設(shè)計(jì)了按鍵控制SD卡存儲(chǔ)的功能，使能后，微控制器將測(cè)得的真空數(shù)據(jù)通過SPI協(xié)議寫入SD卡;當(dāng)電池電量不足時(shí)，微控制器驅(qū)動(dòng)分立元件產(chǎn)生聲光報(bào)警，提醒用戶及時(shí)處理。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用STM32固件庫(kù)進(jìn)行開發(fā)，STM32庫(kù)是意法半導(dǎo)體公司提供的一系列函數(shù)的合集，它建立了用戶函數(shù)調(diào)用的接口（API）與寄存器之間的橋梁，具有快速開發(fā)、便于移植、可讀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。為了更好地協(xié)調(diào)管理各個(gè)軟件模塊，提高系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性，引入了μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)理念。首先，移植操作系統(tǒng)，搭建基于μC/OS-II嵌入式軟件開發(fā)平臺(tái);然后，分別對(duì)USART接口、SPI接口等外設(shè)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā);最后，根據(jù)整個(gè)測(cè)量過程，編寫應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的調(diào)度管理。

顯控系統(tǒng)軟件流程如圖2所示，首先對(duì)芯片和外設(shè)進(jìn)行初始化，然后建立了6個(gè)應(yīng)用任務(wù)，并給任務(wù)分配優(yōu)先級(jí)與堆棧，用來執(zhí)行用戶程序，最后調(diào)用μC/OS-II啟動(dòng)函數(shù)來開啟操作系統(tǒng)。系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，任務(wù)之間通過信號(hào)量和消息郵箱的方式進(jìn)行通信[2]，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的同步和管理，下表列出了系統(tǒng)建立的應(yīng)用任務(wù)。

按鍵功能用來控制SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的開啟/停止，RS232通訊使用串口IDLE中斷，通過“查詢/回應(yīng)”的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，為實(shí)現(xiàn)上述兩種功能，軟件上設(shè)計(jì)了中斷，并加上了OSIntEnter（）和OSIntExit（）這兩個(gè)指令來控制中斷關(guān)閉與開啟[3]，以確保中斷運(yùn)行時(shí)不被打斷。數(shù)據(jù)計(jì)算方面，根據(jù)FRG700的“電壓-壓強(qiáng)”的轉(zhuǎn)換公式，完成測(cè)量電壓到真空度（Pa）的轉(zhuǎn)換計(jì)算，并增加Torr與Mbar的計(jì)算與顯示，以提高使用便利性。對(duì)于電池剩余電量的檢測(cè)，根據(jù)廠家提供的電池輸出電壓和電池的剩余容量的曲線，分段建立了計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池剩余電量的估計(jì)。在上表所述的應(yīng)用任務(wù)中，adc_task與calc_task為主要任務(wù)，所以將這兩個(gè)任務(wù)的堆棧大小設(shè)置為1024，達(dá)到任務(wù)流暢運(yùn)行的目的。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)的基于FRG700的真空測(cè)量顯示方案雖然測(cè)量精度高，但體積較大、操作復(fù)雜，且不適用于無工頻交流電的場(chǎng)合。本文介紹的便攜式真空顯控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示3種單位的壓力數(shù)據(jù)，便于用戶直觀獲取真空度;設(shè)計(jì)的電量測(cè)量與報(bào)警功能，有利于鋰電池組的管理和維護(hù);采用SD卡存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)的方案，可實(shí)現(xiàn)在無記錄終端情況下的真空度的數(shù)據(jù)記錄。整個(gè)系統(tǒng)成本低、體積小、質(zhì)量輕、便于安裝與攜帶，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：蔡龍（1988-），男，河北唐山人，碩士，工程師，主要研究方向：分析儀器與嵌入式系統(tǒng)。