系統(tǒng)硬件組成 - 一種環(huán)真空監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　如圖1所示，該系統(tǒng)硬件主要由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、真空傳感器和真空聯(lián)鎖保護(hù)單元等幾部分組成。

　　(1)監(jiān)控計(jì)算機(jī)由通用PC機(jī)加PC-CAN適配卡及多媒體外設(shè)構(gòu)成。PC-CAN適配卡采用國(guó)產(chǎn)的Hilon系列CAN總線工控產(chǎn)品，隨卡的軟件包可支持用戶(hù)開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的監(jiān)控和驅(qū)動(dòng)程序。

　　(2)真空傳感器由規(guī)管和真空計(jì)組成。本實(shí)驗(yàn)室大多使用熱陰極電離超高真空計(jì)和冷陰極磁控超高真空計(jì)。根據(jù)多年的使用經(jīng)驗(yàn)，國(guó)外品牌性能較穩(wěn)定、可靠，而國(guó)內(nèi)品牌相比之下較差，返修率也非常高。為此根據(jù)不同規(guī)管特性要求和結(jié)合國(guó)外產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出兩種類(lèi)型的超高真空計(jì)：熱陰極電離超高真空計(jì)和冷陰極磁控超高真空計(jì)。

　　熱陰極電離超高真空計(jì)的內(nèi)核為51系列單片機(jī)。經(jīng)過(guò)細(xì)致的布線、制版和抗干擾設(shè)計(jì)，其A/D模塊可準(zhǔn)確測(cè)量300 fA～1 μA的離子流，已超出大多數(shù)熱陰極電離規(guī)正常工作時(shí)收集的離子流范圍。規(guī)管陰極燈絲電源設(shè)計(jì)為開(kāi)關(guān)電源(100 kHz)，可提供0～5 A的電流，能有效驅(qū)動(dòng)國(guó)外的大功率規(guī)管，保護(hù)性能極好。非易失性SRAM和時(shí)鐘芯片可提供真空?qǐng)?bào)警閾值設(shè)定及時(shí)鐘。報(bào)警輸出采用20 mA電流環(huán)，便于光隔離和抗干擾。報(bào)警反應(yīng)時(shí)間小于200 ms，滿(mǎn)足除快閥外對(duì)一般閥門(mén)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(fā)器[2]。另外采用Watchdog技術(shù)和數(shù)字濾波以增加可靠性。軟件用工程C語(yǔ)言編寫(xiě)。顯示采用6位高亮度數(shù)碼管。鍵盤(pán)功能包括：除氣、發(fā)射、報(bào)警閾值設(shè)定、時(shí)間顯示等功能。根據(jù)規(guī)管生產(chǎn)廠家提供的離子流與真空度曲線，目前該真空計(jì)適用于日本ANLVA公司的954-7902型規(guī)管，美國(guó)Varian公司的UHV-24型規(guī)管，以及國(guó)產(chǎn)的DL7和M001型規(guī)管。圖2的Gao.Hot是在本實(shí)驗(yàn)室按照ISO/DIS3568國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)建造的比對(duì)系統(tǒng)上為該真空計(jì)做的比對(duì)結(jié)果，使用的規(guī)管為954-7902型規(guī)管。圖中的橫坐標(biāo)為BALZERS公司的IMG040型真空計(jì)的測(cè)量值，相當(dāng)于二次標(biāo)準(zhǔn)。

?

　　冷陰極磁控超高真空計(jì)的設(shè)計(jì)除規(guī)管所需電源為高壓電源外，其它類(lèi)似于熱陰極電離超高真空計(jì)。高壓電源采用為微通道板和光電倍增管設(shè)計(jì)的高精度電源模塊，其結(jié)構(gòu)緊湊、小巧。目前該真空計(jì)適用于BALZERS公司的IKR 020規(guī)管和國(guó)產(chǎn)M014型規(guī)管。比對(duì)結(jié)果如圖2的Gao.Cold所示，使用的規(guī)管為IKR 020型規(guī)管。圖中的彎曲是因?yàn)闇y(cè)試時(shí)的規(guī)管下限為1×10-7 Pa。

　　(3)將冷陰極磁控超高真空計(jì)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化后，用于光束線前端的快速關(guān)閉閥傳感器及控制器，該傳感器有兩個(gè)20 mA電流環(huán)輸出，一路用于關(guān)斷快閥，一路去真空聯(lián)鎖保護(hù)控制器，用于聯(lián)動(dòng)光束線前端的水冷光屏和氣動(dòng)閥門(mén)。傳感器所用規(guī)管位于光束線后端的實(shí)驗(yàn)站附近，報(bào)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(bào)警響應(yīng)時(shí)間小于500 μs，最后快閥關(guān)斷應(yīng)小于7 ms[3]。

　　(4)真空聯(lián)鎖保護(hù)控制器的設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)可靠性和抗干擾性。設(shè)計(jì)中采用全隔離技術(shù)。單片機(jī)系統(tǒng)的5 V電源直接由目前流行的AC/DC開(kāi)關(guān)電源功率模塊得到，來(lái)自各種真空傳感器的報(bào)警信號(hào)通過(guò)光偶陣列輸入，數(shù)字系統(tǒng)的輸出通過(guò)光偶陣列驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)閥門(mén)的功率可控硅陣列。由于開(kāi)關(guān)無(wú)觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)。通訊接口CAN也通過(guò)兩片數(shù)字式光偶隔離。工作框圖如圖3。該裝置的工作方式分聯(lián)鎖控制和手控兩種方式。在儲(chǔ)存環(huán)、光束線實(shí)驗(yàn)站正常工作情況下，裝置處于聯(lián)鎖狀態(tài);而在光束線調(diào)試的情況下，通常處于手控工作方式。需要手控工作時(shí)，必須敲入密碼方可進(jìn)入。由于手控工作時(shí)必須能任意開(kāi)關(guān)控制各閥門(mén)，本設(shè)計(jì)最多可驅(qū)動(dòng)24個(gè)閥門(mén)。一片8243用于擴(kuò)展輸出口，一片可編程的GAL16V8可以在出現(xiàn)異常情況時(shí)進(jìn)行必要的邏輯處理和控制。由于開(kāi)關(guān)閥門(mén)所需的組合邏輯完全是可編程的，因此同一設(shè)計(jì)可以適用于不同類(lèi)型的光束線實(shí)驗(yàn)站。

?