多通道真空顯控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡龍

摘 要本文介紹了一種基于STM32微控制器的多通道真空度顯示與控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由STM32微控制器、信號(hào)調(diào)理電路、RS232通訊接口、LCD模塊、真空規(guī)與上位機(jī)組成?；诖讼到y(tǒng)搭建四極質(zhì)譜儀真空腔體測(cè)試平臺(tái)，可控制8路真空進(jìn)樣閥的開關(guān)，同時(shí)顯示、上傳8個(gè)被測(cè)腔體的真空度數(shù)據(jù)，據(jù)此實(shí)現(xiàn)四極質(zhì)譜儀真空部件的篩查與性能對(duì)比。與傳統(tǒng)方案相比，所研制的真空顯控系統(tǒng)具有較高的集成度、較低的成本和緊湊的體積，并提高了測(cè)試的自動(dòng)化程度與可靠性。

關(guān)鍵詞真空測(cè)量;Cortex-M3;真空;真空規(guī)

0 前言

真空是四極質(zhì)譜儀的“生命”，是質(zhì)譜儀極為重要的組成部分[1]。四極質(zhì)譜儀真空系統(tǒng)的組成如圖1所示。進(jìn)樣閥實(shí)現(xiàn)不同梯度真空的連通與隔斷;進(jìn)樣膜是分隔不同真空的部件;真空腔體承載離子源、質(zhì)量分析器、檢測(cè)器等核心部件并連接各個(gè)真空部件;真空泵用于獲得質(zhì)譜儀的工作壓力，一般由前級(jí)泵與后級(jí)泵組成[2];真空規(guī)為真空度測(cè)量部件。

真空系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮多種因素，比如不同材質(zhì)的真空腔體的放氣程度、保壓能力;不同廠家、規(guī)格真空泵的抽氣效果等等。設(shè)計(jì)方案之間的對(duì)比測(cè)試必不可少，而真空度數(shù)據(jù)的記錄與歸納整理顯得尤為重要。在傳統(tǒng)方案中，串行測(cè)試實(shí)效性差，并行測(cè)試則需要多路真空規(guī)，而市面上絕大多數(shù)真空計(jì)都只能對(duì)應(yīng)一個(gè)真空規(guī)，測(cè)試人員難以同時(shí)對(duì)多路真空度數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)準(zhǔn)確地記錄，此外，每一路進(jìn)樣閥都需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)去控制，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。為此，本文介紹了一種多通道真空顯控系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱顯控系統(tǒng)），用以改善傳統(tǒng)方案效率低、成本高、布線復(fù)雜的等不足。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的電路硬件系統(tǒng)包括以STM32F103RCT6微控制器為核心最小系統(tǒng)，RS232通訊模塊、LCD顯示模塊、真空度采集模塊和進(jìn)樣閥控制模塊，如圖2所示。其中真空規(guī)將所測(cè)的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，根據(jù)使用需求，真空規(guī)選用安捷倫FRG700型全量程規(guī)。系統(tǒng)中8路真空規(guī)輸出的信號(hào)經(jīng)模擬多路復(fù)用電路選通后，進(jìn)入信號(hào)調(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換電路，STM32微控制器通過串行接口獲取ADC數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理，再通過RS232通訊接口，向上位機(jī)傳輸真空度等相關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)，微控制器接收上位機(jī)發(fā)送的控制指令，控制8路進(jìn)樣閥的開閉。此外，微控制器使用16位并行接口驅(qū)動(dòng)4.3寸的TFT_LCD屏，用以顯示真空度、閥狀態(tài)等相關(guān)信息。

1.1 真空度采集模塊

真空度采集模塊是整個(gè)硬件設(shè)計(jì)的核心，其性能直接影響顯控系統(tǒng)測(cè)量真空度的可靠性與準(zhǔn)確性。真空規(guī)FRG700輸出的電壓信號(hào)與所測(cè)壓力呈對(duì)數(shù)關(guān)系，該信號(hào)的電壓范圍為0～10.5V，模擬電子開關(guān)受STM32控制實(shí)現(xiàn)模擬多路復(fù)用功能，將8路真空規(guī)的輸出信號(hào)分時(shí)導(dǎo)通，經(jīng)差分電路進(jìn)行降壓與有源低通濾波器消噪后，送入ADC芯片進(jìn)行模擬量的采集讀取。多路選通與信號(hào)調(diào)理電路的原理圖如圖3所示。

AD轉(zhuǎn)換的作用是將濾波電路輸出的模擬信號(hào)V_Vac轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，芯片選用TI公司的ADS1246，它是24位單通道、差分輸入的AD轉(zhuǎn)換器，具有高精度、24位無失碼、極低內(nèi)部電壓基礎(chǔ)漂移、增益可編程等特性，是微控制系統(tǒng)進(jìn)行高精密數(shù)據(jù)采集的理想產(chǎn)品。微控制器通過SPI串行通訊獲取AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，相關(guān)引腳包括SCLK、DIN、DOUT、CS和DRDY等，電路原理圖如圖4所示。

1.2 進(jìn)樣閥控制電路

進(jìn)樣閥是真空系統(tǒng)中重要的控制部件，進(jìn)樣閥的開啟與關(guān)斷，可實(shí)現(xiàn)進(jìn)樣管路與真空管路之間的連通與隔斷，進(jìn)而將樣品引入到真空腔內(nèi)部的核心分析單元之中。進(jìn)樣閥動(dòng)作后，在真空泵抽氣作用下，真空腔內(nèi)真空度恢復(fù)到質(zhì)譜儀正常工作壓力所需時(shí)間，是測(cè)試平臺(tái)的主要測(cè)試項(xiàng)目之一。本系統(tǒng)中的進(jìn)樣閥額定開啟電壓為24V，由雙路繼電器中的一路控制其開閉，繼電器另一路連接雙色LED，用于指示進(jìn)樣閥的狀態(tài)。由于微控制器輸出電流有限，因此加入了達(dá)林頓陣列芯片ULN2003以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力[3]。進(jìn)樣閥控制電路的原理圖如圖5所示。

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)，采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)理念，并引入μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)管理各軟件模塊。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)工作主要包括以下幾個(gè)方面：（1）將μC/OS-II操作系統(tǒng)移植到微控制器中，經(jīng)過裁剪配置，建立嵌入式開發(fā)平臺(tái);（2）將工程劃分為足夠小的模塊，并將模塊功能編寫為函數(shù)，實(shí)現(xiàn)用戶任務(wù)的創(chuàng)建;（3）設(shè)計(jì)基于多任務(wù)切換機(jī)制的應(yīng)用軟件。

系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程如下：首先完成μC/OS-II以及硬件外設(shè)的初始化;然后建立了開始任務(wù)，并在開始任務(wù)中創(chuàng)建了4個(gè)子任務(wù);最后調(diào)用啟動(dòng)函數(shù)來開啟操作系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的同步和管理，系統(tǒng)中的多個(gè)任務(wù)在運(yùn)行時(shí)，通過信號(hào)量和消息郵箱的方式進(jìn)行通信[4]。

系統(tǒng)所建立的4個(gè)子任務(wù)中，優(yōu)先級(jí)最高的為采集任務(wù)acq_task，負(fù)責(zé)控制模擬電子開關(guān)的分時(shí)選通、24位采樣數(shù)據(jù)的獲取以及電壓與壓力之間的轉(zhuǎn)換計(jì)算;其次是通訊任務(wù)uart_task，負(fù)責(zé)對(duì)發(fā)送給上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行組包，以及對(duì)串口接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議解析與響應(yīng);然后是閥控任務(wù)ctrl_task，負(fù)責(zé)控制各路進(jìn)樣閥的開閉;最后是顯示任務(wù)lcd_task，負(fù)責(zé)更新液晶屏的顯示信息。在本設(shè)計(jì)中，微控制器與上位機(jī)間通過“查詢/回應(yīng)”的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，程序通過使用OSIntEnter（）和OSIntExit（）這兩個(gè)指令，使得串口發(fā)送/接收完成中斷函數(shù)運(yùn)行時(shí)不會(huì)被打斷[5]。

3 系統(tǒng)測(cè)試

將各通道的真空規(guī)與進(jìn)樣閥的控制線纜接入到所設(shè)計(jì)的硬件板卡上，通道號(hào)與板卡連接器的編號(hào)需一一對(duì)應(yīng)。供電電源方面，僅需一路24V直流電源即可使系統(tǒng)正常工作。上位機(jī)的客戶端軟件使用VC++ 6.0開發(fā)平臺(tái)完成，其界面如圖7所示。

在客戶端軟件相應(yīng)的功能區(qū)域開展相應(yīng)的操作。在真空監(jiān)測(cè)功能區(qū)域，軟件實(shí)時(shí)更新顯控系統(tǒng)上傳的真空度與進(jìn)樣閥的狀態(tài)信息，當(dāng)對(duì)通道7的進(jìn)樣閥進(jìn)行了開閥操作后，可看出通道7的真空度隨之降低，閥狀態(tài)也更新為“開閥”，并且真空監(jiān)測(cè)的信息與顯控系統(tǒng)LCD顯示的內(nèi)容相一致。由此可見，上、下位機(jī)之間指令解析正確，所設(shè)計(jì)的顯控系統(tǒng)功能完備。

4 結(jié)論

多通道真空顯控系統(tǒng)以STM32微控制器為核心，采用模塊化的硬件電路設(shè)計(jì)。在軟件設(shè)計(jì)上引入了μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性，并應(yīng)用Micro soft Visual C++ 6.0設(shè)計(jì)了客戶端軟件，使得系統(tǒng)可以自動(dòng)運(yùn)行。測(cè)試結(jié)果表明，顯控系統(tǒng)可同時(shí)完成8路進(jìn)樣閥的控制與真空度的記錄，降低了使用成本，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的顯控系統(tǒng)也可應(yīng)用于其他閥控類和真空測(cè)量的場(chǎng)合，具有較好的拓展性。

參考文獻(xiàn)

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