基于以太網(wǎng)的低溫等離子體測控系統基于以太網(wǎng)的低溫等離子體測控系統

電壓電流采樣選用片外ADC122S051，其為雙通道串行12位ADC，采樣速率可達500kb／s，ADC的參考源采用REF3240，其提供4．096V參考電壓。
電壓通過(guò)1：500的分壓電阻取樣，得到待調理的前端電壓為0～4V，電壓信號首先通過(guò)跟隨器，然后通過(guò)UAF42AP搭建的50Hz陷波器，之后通過(guò)opa2227搭建的有源2階巴特沃茲濾波器濾波，該濾波器截止頻率設為10Hz，再將濾波后的信號送到ADC的模擬輸入通道1；電流信號則通過(guò)10Ω的取樣電阻，得到0～2V待調理的前端電壓，然后經(jīng)過(guò)1級跟隨，之后通過(guò)UAF42AP搭建的50Hz陷波器，然后經(jīng)過(guò)2階巴特沃茲濾波截止頻率10Hz，再經(jīng)過(guò)opa227放大2倍，然后經(jīng)過(guò)一階RC，之后送到ADC的模擬輸入通道2。
設計采用DAC輸出模擬電壓，選用芯片為T(mén)LV5637，其為雙通道SPI接口的10位DAC，DAC參考源選用2．5V基準的ADl582BRT，這樣DAC的輸
出范圍為0～5V。
MCU通過(guò)SPI接口控制ADC和DAC，5根控制線(xiàn)通過(guò)一片ADUM1401和一片ADUM1201進(jìn)行數字隔離。其中5V的隔離電源由隔離DC／DC芯片DCP0 505提供。

3 軟件設計
系統軟件設計包括節點(diǎn)軟件以及上位機程序設計?？紤]到程序設計的靈活性，在LM3S8962上移植了ucos-ii操作系統，因為要實(shí)現以太網(wǎng)通信，故移植了輕型TCP／IP協(xié)議棧LWIP。
3．1 節點(diǎn)程序設計
各個(gè)設備節點(diǎn)主要負責接收PC端上位機發(fā)送的控制命令，給出應答并進(jìn)行相應操作，另外周期性地上傳測量數據。
真空計節點(diǎn)：每隔100ms獲取一次真空度，獲取真空度是通過(guò)給真空計發(fā)送對應的RS485命令。然后將真空度上傳給PC。
流量計節點(diǎn)：每隔100ms獲取一次流量值，獲取流量是通過(guò)給流量計發(fā)送對應的RS485命令，然后將流量值上傳給PC。
直流高壓電源節點(diǎn)：每隔1ms測量一次電壓、電流值(快速采樣以便在輸出短路時(shí)迅速切斷電源進(jìn)行保護)，然后每隔100ms將電壓、電流值上傳給PC；變頻器節點(diǎn)只需接收控制命令如電源開(kāi)關(guān)、手自動(dòng)、啟停、設置頻率等，不需要周期性上傳數據。
3．2 上位機程序設計
PC端上位機主要給各個(gè)節點(diǎn)發(fā)送控制各個(gè)設備的控制命令；接收各個(gè)節點(diǎn)上傳的數據包并解析，然后在上位機界面上顯示出相關(guān)結果。由于各節點(diǎn)周期性(T=100ms)上傳數據，在上位機開(kāi)啟一個(gè)1s的定時(shí)器，當定時(shí)時(shí)間到時(shí)，PC正常情況下會(huì )收到單獨一個(gè)節點(diǎn)發(fā)送的10幀數據，將每秒收到的幀數顯式出來(lái)，這樣可以對網(wǎng)絡(luò )通信狀態(tài)進(jìn)行監控。
PC端上位機與節點(diǎn)間以太網(wǎng)通信采用UDP協(xié)議。下圖4為采用C#編寫(xiě)的上位機界面截圖。

4 實(shí)驗測試
將系統連接好后，給各個(gè)節點(diǎn)電路板上電，然后打開(kāi)上位機界面就可以通過(guò)上位機界面控制各個(gè)設備了，并顯示系統的運行狀態(tài)。操作步驟如下：
(1)打開(kāi)變頻器電源，并設置為自動(dòng)控制方式(即RS485命令控制)，設置變頻器運行頻率為40．0Hz，然后點(diǎn)擊運行，這時(shí)變頻器控制的真空泵開(kāi)始運轉抽真空，這時(shí)會(huì )發(fā)現真空室氣壓不斷減小，設置的變頻器頻率越大，機械泵轉速越快，抽真空速度越快，穩定時(shí)真空室壓強就更低，壓強可以低至0．1Pa(該真空計測量下限值)；變頻器頻率在實(shí)驗中限定在20．0～60．0Hz范圍內；
(2)當真空泵抽真空基本達到穩定后，打開(kāi)流量計電源，設置為自動(dòng)控制方式(即RS485命令控制)和閥控模式，然后可以設置工作氣體流量值(0～100sccm)，設置流量后會(huì )發(fā)現真空室里壓強會(huì )增加一些；
(3)當真空室氣壓穩定后打開(kāi)直流高壓電源，設置為自動(dòng)控制方式(即通過(guò)DA輸出模擬電壓控制電源輸出功率)，設置DA輸出電壓(范圍0～500mV)，ADC采集的電壓與電流也會(huì )顯示出來(lái)(大約100ms刷新一次)；
操作中需要注意一點(diǎn)：在關(guān)掉設備時(shí)應該先關(guān)直流高壓電源，再關(guān)變頻器。這是因為如果先關(guān)變頻器，機械泵停止抽真空，真空室氣壓很快就恢復為大氣壓，這會(huì )導致直流高壓電源因為氣壓太大不能放電，這相當于直流高壓電源空載，此時(shí)高壓電源的輸出電壓會(huì )達到其最大值，這可能會(huì )損壞相關(guān)設備。上位機軟件設計時(shí)考慮到了這一點(diǎn)，即在關(guān)閉變頻器時(shí)先判斷直流高壓電源是否已關(guān)閉，若尚未關(guān)閉，則不關(guān)閉變頻器并且彈出提示對話(huà)框。
實(shí)際測試發(fā)現該系統可以安全、穩定、可靠地運行，系統的實(shí)時(shí)性也滿(mǎn)足使用要求。為了進(jìn)一步提高系統實(shí)時(shí)性，可以考慮采用TDMA(時(shí)分多路復用訪(fǎng)問(wèn))的輪詢(xún)協(xié)議。