一種環(huán)真空監控系統設計方案
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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(lián)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(chǎn)的Hilon系列CAN總線(xiàn)工控產(chǎn)品，隨卡的軟件包可支持用戶(hù)開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的監控和驅動(dòng)程序。
(2)真空傳感器由規管和真空計組成。本實(shí)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(jīng)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(chǎn)品經(jīng)驗的基礎上開(kāi)發(fā)出兩種類(lèi)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(jīng)過(guò)細致的布線(xiàn)、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(shí)收集的離子流范圍。規管陰極燈絲電源設計為開(kāi)關(guān)電源(100 kHz)，可提供0～5 A的電流，能有效驅動(dòng)國外的大功率規管，保護性能極好。非易失性SRAM和時(shí)鐘芯片可提供真空報警閾值設定及時(shí)鐘。報警輸出采用20 mA電流環(huán)，便于光隔離和抗干擾。報警反應時(shí)間小于200 ms，滿(mǎn)足除快閥外對一般閥門(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(xiàn)收發(fā)器[2]。另外采用Watchdog技術(shù)和數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位高亮度數碼管。鍵盤(pán)功能包括：除氣、發(fā)射、報警閾值設定、時(shí)間顯示等功能。根據規管生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的離子流與真空度曲線(xiàn)，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(chǎn)的DL7和M001型規管。圖2的Gao.Hot是在本實(shí)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(lèi)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(chǎn)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(shí)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(jiǎn)化后，用于光束線(xiàn)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)鎖保護控制器，用于聯(lián)動(dòng)光束線(xiàn)前端的水冷光屏和氣動(dòng)閥門(mén)。傳感器所用規管位于光束線(xiàn)后端的實(shí)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(shí)間小于500 μs，最后快閥關(guān)斷應小于7 ms[3]。
(4)真空聯(lián)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(shù)。單片機系統的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警信號通過(guò)光偶陣列輸入，數字系統的輸出通過(guò)光偶陣列驅動(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(cháng)。通訊接口CAN也通過(guò)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(lián)鎖控制和手控兩種方式。在儲存環(huán)、光束線(xiàn)實(shí)驗站正常工作情況下，裝置處于聯(lián)鎖狀態(tài);而在光束線(xiàn)調試的情況下，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)，本設計最多可驅動(dòng)24個(gè)閥門(mén)。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(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，因此同一設計可以適用于不同類(lèi)型的光束線(xiàn)實(shí)驗站。
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