系统硬件组成 - 一种环真空监控系统设计方案

2　系统硬件组成

　　如图1所示，该系统硬件主要由监控计算机、真空传感器和真空联锁保护单元等几部分组成。

　　(1)监控计算机由通用PC机加PC-CAN适配卡及多媒体外设构成。PC-CAN适配卡采用国产的Hilon系列CAN总线工控产品，随卡的软件包可支持用户开发专用的监控和驱动程序。

　　(2)真空传感器由规管和真空计组成。本实验室大多使用热阴极电离超高真空计和冷阴极磁控超高真空计。根据多年的使用经验，国外品牌性能较稳定、可靠，而国内品牌相比之下较差，返修率也非常高。为此根据不同规管特性要求和结合国外产品经验的基础上开发出两种类型的超高真空计：热阴极电离超高真空计和冷阴极磁控超高真空计。

　　热阴极电离超高真空计的内核为51系列单片机。经过细致的布线、制版和抗干扰设计，其A/D模块可准确测量300 fA～1 μA的离子流，已超出大多数热阴极电离规正常工作时收集的离子流范围。规管阴极灯丝电源设计为开关电源(100 kHz)，可提供0～5 A的电流，能有效驱动国外的大功率规管，保护性能极好。非易失性SRAM和时钟芯片可提供真空报警阈值设定及时钟。报警输出采用20 mA电流环，便于光隔离和抗干扰。报警反应时间小于200 ms，满足除快阀外对一般阀门的控制。通讯接口有RS232C和CAN。CAN接口采用Philips公司的82C200通讯控制器和82C250总线收发器[2]。另外采用Watchdog技术和数字滤波以增加可靠性。软件用工程C语言编写。显示采用6位高亮度数码管。键盘功能包括：除气、发射、报警阈值设定、时间显示等功能。根据规管生产厂家提供的离子流与真空度曲线，目前该真空计适用于日本ANLVA公司的954-7902型规管，美国Varian公司的UHV-24型规管，以及国产的DL7和M001型规管。图2的Gao.Hot是在本实验室按照ISO/DIS3568国际标准建造的比对系统上为该真空计做的比对结果，使用的规管为954-7902型规管。图中的横坐标为BALZERS公司的IMG040型真空计的测量值，相当于二次标准。

　　

 

　　冷阴极磁控超高真空计的设计除规管所需电源为高压电源外，其它类似于热阴极电离超高真空计。高压电源采用为微通道板和光电倍增管设计的高精度电源模块，其结构紧凑、小巧。目前该真空计适用于BALZERS公司的IKR 020规管和国产M014型规管。比对结果如图2的Gao.Cold所示，使用的规管为IKR 020型规管。图中的弯曲是因为测试时的规管下限为1×10-7 Pa。

　　(3)将冷阴极磁控超高真空计的设计简化后，用于光束线前端的快速关闭阀传感器及控制器，该传感器有两个20 mA电流环输出，一路用于关断快阀，一路去真空联锁保护控制器，用于联动光束线前端的水冷光屏和气动阀门。传感器所用规管位于光束线后端的实验站附近，报警阈值在1×10-1～1×10-5 Pa之间。在去除各种可能的窄脉冲干扰后，报警响应时间小于500 μs，最后快阀关断应小于7 ms[3]。

　　(4)真空联锁保护控制器的设计强调可靠性和抗干扰性。设计中采用全隔离技术。单片机系统的5 V电源直接由目前流行的AC/DC开关电源功率模块得到，来自各种真空传感器的报警信号通过光偶阵列输入，数字系统的输出通过光偶阵列驱动开关阀门的功率可控硅阵列。由于开关无触点，使用寿命长。通讯接口CAN也通过两片数字式光偶隔离。工作框图如图3。该装置的工作方式分联锁控制和手控两种方式。在储存环、光束线实验站正常工作情况下，装置处于联锁状态;而在光束线调试的情况下，通常处于手控工作方式。需要手控工作时，必须敲入密码方可进入。由于手控工作时必须能任意开关控制各阀门，本设计最多可驱动24个阀门。一片8243用于扩展输出口，一片可编程的GAL16V8可以在出现异常情况时进行必要的逻辑处理和控制。由于开关阀门所需的组合逻辑完全是可编程的，因此同一设计可以适用于不同类型的光束线实验站。