基于CAN總線(xiàn)GaAs光電陰極制備測控系統的研究

　　1　測控系統組成
　　根據GaAs光電陰極制備工藝的要求，我們設計了如圖1所示的GaAs光電陰極制備測控系統原理框圖。該測控系統由三大部分構成：超高真空激活系統、計算機和外圍測控設備，其中超高真空激活系統是用于GaAs光電陰極制備（加熱凈化和銫氧激活）的，制備過(guò)程中的多種信息量可通過(guò)外圍測控設備與計算機相連。測控設備共分兩部分，一部分完成光電流、光譜響應曲線(xiàn)的測試，另一部分完成真空度的測試以及銫（氧）源電流信號的測試和控制。

　　第一部分相當于一個(gè)光譜響應測試儀，光譜響應曲線(xiàn)測試時(shí)，先由計算機控制光柵單色儀輸出一定波長(cháng)的單色光并照射到陰極面，陰極產(chǎn)生微弱的光電流，光電流放大后經(jīng)A/D轉換為數字信號，計算機將該信號和對應的單色光輻射功率進(jìn)行數據處理，就得到陰極的光譜響應曲線(xiàn)[2]。這一部分中沒(méi)有用到CAN總線(xiàn)，本文中將不作介紹，重點(diǎn)介紹的是第二部分。在第二部分中，真空度、銫（氧）源電流信號是通過(guò)CAN總線(xiàn)實(shí)現測控的，測控信號通過(guò)USB-CAN轉換器與計算機相連。這部分的設計，結合了CAN與USB總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，從而能實(shí)現更靈活的通信任務(wù)和更強大的信號測控功能。

圖1 GaAs光電陰極制備測控系統原理框圖

　2　測控系統硬件設計
　　2.1 USB-CAN轉換器硬件設計
　　USB-CAN轉換器實(shí)現USB與CAN兩種總線(xiàn)之間的協(xié)議轉換，如圖2所示為其結構框圖。圖中微控制器89C52負責轉換器的監控任務(wù)以及CAN與USB總線(xiàn)的通信任務(wù)。CAN控制器接口電路采用SJA1000和82C250，USB控制器接口電路采用USB通用設備接口芯片CH372。在微控制器中，USB與CAN總線(xiàn)報文的接收均采用中斷方式，這種方式能盡量減少時(shí)延，提高系統實(shí)時(shí)通信能力。

　　2.2 多信息量測控設備硬件設計
　　原有系統的真空計和模擬電源等設備都是獨立工作的，不具有和計算機通信的能力。為了實(shí)現真空度和銫（氧）源電流信息的測控，同時(shí)也為了節省成本，本文采用的方案是在原有設備上增加一個(gè)多信息量測控模塊，使之具有數字化測控和通信功能。多信息量測控模塊的任務(wù)是將設備顯示的信號取出并傳輸給計算機或將計算機發(fā)來(lái)的控制命令傳輸給設備，所以實(shí)際上測控模塊電路由兩部分構成，一部分完成真空度、銫（氧）源電流信息的測試，另一部分實(shí)現銫（氧）源電流大小和通斷的控制。

　　在真空度、銫（氧）源電流信息的測試方面，為了保持采集數據與設備顯示數據的一致性，采用的方法是將設備數碼管上顯示的信息直接取出。真空計和模擬電源的顯示均由3位數碼管構成，所以?xún)烧呖梢圆捎孟嗤臏y試電路。如圖3所示為多信息量測試模塊結構框圖，圖中真空計或電源的3位數碼管分別與一片雙四選一的電子開(kāi)關(guān)CD4052相連，微控制器從鎖存器輸出地址選通信號，控制CD4052依次輸出數碼管8段顯示信息中的2段，連接到比較器LM358上，經(jīng)比較轉換為標準的邏輯電平后輸出給微控制器，最后微控制器將3個(gè)數碼管的信號組合在一起，得到真空計或電源上顯示的數據。在這里采用比較器的主要優(yōu)點(diǎn)是可以根據不同數碼管的驅動(dòng)電平靈活的調整比較電壓，而且輸出邏輯電平穩定，從而使測試電路具有更好的適用性。采集到顯示信息后，可在微控制器控制下，通過(guò)CAN總線(xiàn)傳輸給計算機

　圖2　USB－CAN轉換器結構框圖

　圖3　多信息量測試模塊結構框圖
　
原有的系統中，銫（氧）源電流大小的控制是通過(guò)手動(dòng)調節電源的模擬電位器來(lái)實(shí)現，而為了實(shí)現計算機對電流大小的數字化控制，最直接的辦法就是用數字電位器取代電源的模擬電位器，按此方案設計的電流控制模塊結構框圖如圖4所示。電源有一個(gè)10K的粗調電位器和一個(gè)1K的細調電位器，分別用10K和1K數字電位器X9C103、X9C102取代，圖4中兩個(gè)數字電位器是串聯(lián)在一起的，這種接法可使電流控制精度更高，而實(shí)際控制精度超過(guò)了模擬電源的三位顯示精度，這完全能滿(mǎn)足系統對電流控制精度的要求。數字電位器或模擬電位器的選擇可由微控制器輸出控制信號，經(jīng)過(guò)驅動(dòng)后控制雙刀雙擲繼電器來(lái)確定。微控制器也可以輸出控制信號來(lái)控制繼電器接通或斷開(kāi)模擬電源的外接220V供電電源，從而實(shí)現銫（氧）源電流的通斷，同時(shí)由于控制的是220V交流電源，在微控制器和驅動(dòng)器之間必須進(jìn)行光電隔離。計算機可通過(guò)上述方式來(lái)實(shí)現陰極制備過(guò)程中的自動(dòng)銫氧交替。

　圖4　銫（氧）源電流控制模塊結構框圖
　3 測控系統軟件設計
　　3.1 USB-CAN轉換器軟件設計
　　USB與CAN總線(xiàn)轉換器軟件主要進(jìn)行USB與CAN總線(xiàn)的協(xié)議轉換，在測控設備與計算機之間實(shí)現通信，其軟件設計主要包括CAN和USB接口芯片的初始化以及CAN與USB報文的發(fā)送和接收。USB與CAN總線(xiàn)控制器芯片分別采用CH372和SJA1000，CH372有內置固件模式，使用非常方便。USB與CAN總線(xiàn)報文的接收均采用中斷方式來(lái)實(shí)現，這種方法能保證最快的響應速度，提高通信效率。接收到的USB報文可通過(guò)CAN總線(xiàn)直接發(fā)送給測控設備，而接收到的CAN報文則通過(guò)兩步來(lái)發(fā)送給計算機，先通過(guò)USB中斷傳輸觸發(fā)計算機的中斷服務(wù)程序，后通過(guò)批量傳輸將CAN報文發(fā)送給計算機，這種方式可實(shí)時(shí)觸發(fā)計算機進(jìn)行采集數據的處理，提高計算機的響應速度。

　　3.2 多信息量測控軟件設計
　　多信息量測控軟件分測試軟件和控制軟件。測試軟件的功能是將設備數碼管上顯示的數據取出，經(jīng)組合和譯碼后轉換為被測信息量。測試軟件設計的關(guān)鍵在于控制CD4052依次選通各個(gè)數碼管分多次輸出顯示信息，然后將這些信息組合在一起，然后通過(guò)查找筆型碼表就可以得到設備顯示的真空度或電流大小?？刂栖浖墓δ苁峭ㄟ^(guò)數字電位器和繼電器實(shí)現銫（氧）源電流大小和通斷的控制，其中控制軟件設計的重點(diǎn)是電流大小的控制。由于電源輸出電流與電位器的阻值不一定呈線(xiàn)性關(guān)系，而且不同電源的情況也不盡相同，所以控制算法應有一定的適應性。借鑒人工調節電流時(shí)的經(jīng)驗，控制軟件中采用的是兩步調節算法，先“粗調”后“細調”。兩步調節法先計算電流設定值和當前值的差值，若相差較大，則進(jìn)行“粗調”（調節X9C103）。若差值已經(jīng)落到X9C102的調節范圍內時(shí)，則進(jìn)行“細調”（調節X9C102），細調時(shí)用“拆半”調節法（與拆半查找法類(lèi)似）使電流快速接近并達到設定值。采用上述的兩步調節算法能保證輸出電流的調節時(shí)間短，控制精度高。

　　3.3 計算機軟件設計
　　計算機部分軟件共由三大模塊組成，包括多信息量測控模塊、信息顯示模塊和性能參數計算模塊，其中多信息量測控模塊包括光電流的A/D采集、真空度的采集、銫（氧）源電流的采集與控制。光電流由計算機控制定時(shí)進(jìn)行采集，真空度和銫（氧）源電流的采集則不同，它由真空計或電源在其顯示信息變化時(shí)主動(dòng)向計算機發(fā)送，計算機接收后更新顯示或進(jìn)行數據處理。為了能保證計算機及時(shí)接收到設備發(fā)來(lái)的信息，我們在軟件中采用了偽中斷和多線(xiàn)程技術(shù)。偽中斷服務(wù)程序是由CH372驅動(dòng)程序中斷后通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）在應用層模擬調用的，能及時(shí)響應USB中斷傳輸，多線(xiàn)程則能實(shí)現多個(gè)任務(wù)的并行處理，提高響應速度和處理效率。性能參數計算模塊主要對測試結果進(jìn)行分析處理，得到想要的各種制備工藝或陰極的性能參數。