系統硬件組成 - 一種環真空監控系統設計方案

2　系統硬件組成

　　如圖1所示，該系統硬件主要由監控計算機、真空傳感器和真空聯鎖保護單元等幾部分組成。

　　(1)監控計算機由通用PC機加PC-CAN適配卡及多媒體外設構成。PC-CAN適配卡采用國產的Hilon系列CAN總線工控產品，隨卡的軟件包可支持用戶開發專用的監控和驅動程序。

　　(2)真空傳感器由規管和真空計組成。本實驗室大多使用熱陰極電離超高真空計和冷陰極磁控超高真空計。根據多年的使用經驗，國外品牌性能較穩定、可靠，而國內品牌相比之下較差，返修率也非常高。為此根據不同規管特性要求和結合國外產品經驗的基礎上開發出兩種類型的超高真空計：熱陰極電離超高真空計和冷陰極磁控超高真空計。

　　熱陰極電離超高真空計的內核為51系列單片機。經過細致的布線、制版和抗干擾設計，其A/D模塊可準確測量300 fA～1 μA的離子流，已超出大多數熱陰極電離規正常工作時收集的離子流范圍。規管陰極燈絲電源設計為開關電源(100 kHz)，可提供0～5 A的電流，能有效驅動國外的大功率規管，保護性能極好。非易失性SRAM和時鐘芯片可提供真空報警閾值設定及時鐘。報警輸出采用20 mA電流環，便于光隔離和抗干擾。報警反應時間小于200 ms，滿足除快閥外對一般閥門的控制。通訊接口有RS232C和CAN。CAN接口采用Philips公司的82C200通訊控制器和82C250總線收發器[2]。另外采用Watchdog技術和數字濾波以增加可靠性。軟件用工程C語言編寫。顯示采用6位高亮度數碼管。鍵盤功能包括：除氣、發射、報警閾值設定、時間顯示等功能。根據規管生產廠家提供的離子流與真空度曲線，目前該真空計適用于日本ANLVA公司的954-7902型規管，美國Varian公司的UHV-24型規管，以及國產的DL7和M001型規管。圖2的Gao.Hot是在本實驗室按照ISO/DIS3568國際標準建造的比對系統上為該真空計做的比對結果，使用的規管為954-7902型規管。圖中的橫坐標為BALZERS公司的IMG040型真空計的測量值，相當于二次標準。

　　冷陰極磁控超高真空計的設計除規管所需電源為高壓電源外，其它類似于熱陰極電離超高真空計。高壓電源采用為微通道板和光電倍增管設計的高精度電源模塊，其結構緊湊、小巧。目前該真空計適用于BALZERS公司的IKR 020規管和國產M014型規管。比對結果如圖2的Gao.Cold所示，使用的規管為IKR 020型規管。圖中的彎曲是因為測試時的規管下限為1×10-7 Pa。

　　(3)將冷陰極磁控超高真空計的設計簡化后，用于光束線前端的快速關閉閥傳感器及控制器，該傳感器有兩個20 mA電流環輸出，一路用于關斷快閥，一路去真空聯鎖保護控制器，用于聯動光束線前端的水冷光屏和氣動閥門。傳感器所用規管位于光束線后端的實驗站附近，報警閾值在1×10-1～1×10-5 Pa之間。在去除各種可能的窄脈沖干擾后，報警響應時間小于500 μs，最后快閥關斷應小于7 ms[3]。

　　(4)真空聯鎖保護控制器的設計強調可靠性和抗干擾性。設計中采用全隔離技術。單片機系統的5 V電源直接由目前流行的AC/DC開關電源功率模塊得到，來自各種真空傳感器的報警信號通過光偶陣列輸入，數字系統的輸出通過光偶陣列驅動開關閥門的功率可控硅陣列。由于開關無觸點，使用壽命長。通訊接口CAN也通過兩片數字式光偶隔離。工作框圖如圖3。該裝置的工作方式分聯鎖控制和手控兩種方式。在儲存環、光束線實驗站正常工作情況下，裝置處于聯鎖狀態;而在光束線調試的情況下，通常處于手控工作方式。需要手控工作時，必須敲入密碼方可進入。由于手控工作時必須能任意開關控制各閥門，本設計最多可驅動24個閥門。一片8243用于擴展輸出口，一片可編程的GAL16V8可以在出現異常情況時進行必要的邏輯處理和控制。由于開關閥門所需的組合邏輯完全是可編程的，因此同一設計可以適用于不同類型的光束線實驗站。