现场总线的智能冷阴极电离规控制器的实现

    摘 要： 介绍为大型超高真空系统（如加速器）研制的、基于现场总线的智能超高真空监控节点即冷阴极电离真空计的设计。该真空计带有符合CAN协议的现场总线接口、RS485／RS232C以及用于联锁保护快速响应的接口，可有效地驱动多种国内外规管，量程范围是，在超高真空测控领域极有特色。由于将CAN总线接口和快速联锁报警接口引入超高真空计，使其特别适用于大型超高真空监控系统。

    关键词： 现场总线 CAN 冷阴极电离真空计   

    自1990年以来，被业内人士称为“自动化仪表与控制系统的一次具有深远影响的重大变革”的现场总线技术，包括基于现场总线的工业过程智能自动化仪表和开放自动化系统，在国内外引起人们广泛的注意和高度重视，成为世界范围内自动化技术发展的热点。

    现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。有通信就必须有协议，从这个意义上讲，现场总线就是一个定义了硬件接口和通信协议的标准。进一步说，现场总线不单单是一种通信技术，也不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表，关键是用新一代的现场控制系统（FCS）代替传统的集散控制系统（DCS），实现智能仪表、通信网络和控制系统的集成。基于这种总线的新一代控制系统被誉为第五代控制系统，即现场控制系统。现场控制系统是继PLC（可编程逻辑控制器）和DCS之后最具生命力的控制系统。可以说，信号传输的全数字化、系统结构的全分散式、现场设备的互操作性、通信网络的全互连性、技术和标准的全开放性是现场控制系统最显著的特征[1]。

    现有的几个总线组织和大公司已经推出了一些现场总线，如WORLDFIP、CAN、LNWORKS、PROFIBUS、HART、FF等，但它们将最终统一到一个标准之下是必然的。FF有可能成为这个标准，而其他总线则可能成为这个标准的子集。

    现场总线的节点是现场仪表或现场设备，如传感器、变送器、执行器等，但它们不是传统的单功能的现场仪表，而是具有综合功能的微机化仪表。现场仪表的研制和开发是下一世纪FCS的基础、信息工业的源头，生产测量仪表的部门必然向现场总线靠拢。

    CAN 最早由德国BOSCH公司推出，其总线规范成为国际标准ISO-DIS11519-1用于低速通信）和ISO-DIS 11898[2]（用于高速通信），得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC、TI、NI等公司的广泛支持。CAN具有卓越的特性和极高的可靠性，特别适合工业过程监控设备的互连，受到了工业及仪器、仪表领域的广泛重视，被公认为几种最有前途的现场设备总线之一。目前使用该总线技术的中国用户较多，中国地区负责推广该技术的部门有中国单片机公共实验室和北京三兴达公司。

    在真空测量领域，用于超高真空测量的真空计主要有热阴极电离超高真空计和冷阴极电离超高真空计，它们都是利用气体分子电离的原理来测量真空度的一种仪器。真空计由测量规管（传感器）和电气测量电路（控制器）组成。热阴极电离规管由三个电极组成，真空计通过控制器的控制电路单元对电极施加电压、电流，将非电量的气体压力转换成电量－离子电流，利用控制器的测量显示单元给出测量结果。冷阴极电离真空计同热阴极电离真空计一样，是利用低压力下气体分子的电离电流与压力有关的特性、用放电电流来测量真空度的一种仪器。两者不同在于电离源，热阴极电离真空计是热阴极发射电子；而冷阴极电离真空计是靠冷发射产生少量的初始自由电子，它们在电场、磁场的共同作用下最终形成自持气体放电（一般称为潘宁放电）。冷阴极电离超高真空规管没有与压力无关的本低光电流，没有热阴极，不怕大气冲击。目前用于超高真空测量的冷阴极电离规管是倒置磁控管式规管。

    国内品牌的冷阴极电离超高真空计主要是M014规管[3]及控制器，由于控制器的局限性，测量范围是。国外品牌有美国HPS公司的Series 423 I-MAG规管及其控制器（测量范围是）、BALZERS公司的IKR 020及其控制器[4]（测量范围是）。目前基于M014规管的真空计的市场价格约5000元，价格低廉、操作简单，但控制器的保护、报警功能很弱，测量误差较大，另外测量范围和通讯功能也有限。相比之下国外的真空计测量范围宽，保护、报警功能完善，并带有RS485和RS232通讯接口，多个真空计组网容易。国外该种控制器价格在3500美元左右，规管价格约500美元。

    从以上讨论可以看出，我国在超高真空测量领域，尤其在Pa以上，没有定型、功能完善且符合当前数字世界潮流的现场仪表。1998年我们利用先进的电子设计工具和仿真技术，研制和开发了三款、两种类型的超高真空计，它们均带有符合CAN协议的现场总线接口、RS485接口、RS-232接口以及用于联锁保护快速响应的接口。这里我们着重介绍基于CAN总线的冷阴极电离超高真空计的解决方案。

    １ 系统组成和工作原理

    图１是智能超高真空冷阴极电离真空计的示意图。该真空计由冷阴极电离规管（传感器）和控制器组成。真空计的控制器分为三部分：高压电源单元、程控放电电流放大器和微控制器单元。冷阴极电离规管内有两个电极：阳极和阴极。对1KR020和M014规管来说，阳极电位为3300V，阴极电位为0V（均相对地）。控制器的主要功能是提供稳定的高压并精确地测定放电电流。此放电电流与压力的关系为：，式中I为放电电流、K为常数、P为真空压强、n为常数（通常在１～２之间，与规管结构有关）。显然只要精确测定放电电流I，由此公式即可得到真空度P。

    下面进行具体的介绍。

    1.1高压电源单元

    图２是控制器的高压电源单元原理图，采用我们为微通道板和光电倍增管设计的高精度高压电源模块。这是一个典型的高压回扫变换器。当U1输出脉冲信号时，功率场效应管Q1处于开关状态。由于开关速度很高，以及变压器T1初级线圈电感的存在，所以dv/dt的结果会产生很高的过冲电压，这个高的过冲电压在脉冲的下降沿产生。经过变压器的耦合，在变压器的次级产生更高的电压，并通过二极管D1对C1充电。在脉冲频率足够高时，就可以产生稳定的高压输出。U1输出的脉冲开关频率为20kHz，开关占空比恒定为1。电源的稳压控制是通过一个由OP1、OP2构成的线性调压器组成的闭环回路执行的。当输出高压大于设定值时，则流过R2的电流增加，经过OP1、OP2组成的反馈回路后，将减小变压器T1初级线圈的输入电压，从而减小过冲电压，进而达到稳压的目的。如果输出高压小于设定值，上述过程将相反，增大了变压器T1初级线圈的输入电压。该高压单元最大可提供1000μA的电流。高压输出端有一个4MΩ的限流电阻R1，用于在系统真空度较差时保护高压电极。另外该高压单元的地线必须与控制器及规管的外壳地隔离。

    上述讨论均是针对正高压输出进行的，为了获得本实验需要的负高压输出，必须将D1方向对调，另外还需要将线性调压器的输出端与功率场效应管Q1的漏极2对调，这主要是由于T1初次级线圈的过冲电压是非对称的。通过OP2对高压输出设定，即可获得所需要的负高压。

    1.2 程控离子流放大器

    由于真空度P和离子流Iion的对数呈线性关系，因此在早期的设计中，通常采用离子流对数放大器。放大器输出的电压信号可直接驱动一个指针式电压表，显示真空度。文献[5]告诉我们，采用分立元件设计对数放大器是困难的，难以精确测量1000ｐA以下的离子流（对应的真空度为Pa）。典型的对数放大器有BB公司的LOG100，价格不菲。目前国内大多真空计厂家仍采用的方案为：对数放大器采用分立元件设计，用数字电压表代替指针式电压表。测量精度和可靠性在Pa量程非常有限。

    目前半导体工业迅速发展，大量新型高速微处理器涌现，加上C编程语言的引入，使对数转换完全可在CPU内进行。图３是我们的程控离子流放大器原理示意图，规管的放电离子流采用底端测量方式。该离子流首先由规管外壳收集，然后经规管外壳和控制器组成的测量地，再通过R9流回高压电源单元。由于离子流的变化跨度很大（约7个量级），为了获得高的测量精度，必须进行量程切换。进行量程切换的最好办法是使用目前流行的可程控模拟开关集成电路——超低泄漏模拟开关U2，由于它体积小、开关无触点，可有效增加系统的可靠性。程控离子流放大器的另一个核心部件为超低偏置电流的单片运算放大器U3。使用这两个芯片，可精确测量超高真空时极弱的离子流，例如小于1ｐA的离子流。本单元的电路板布线和屏蔽是非常重要的，必须严格按照运算放大器应用手册实施。放大后的电压信号最后接至微处理器单元的V/F转换器AD650，然后由微处理器分析、处理，并获得需要的结果。如不考虑规管因素，我们的设计可以工作在Pa量级，此时的离子流约在安培量级（1pA）。由于规管本身的条件限制，目前该设计的离子流测量范围是100pA～700μA ，对应真空度为。

    另外该单元电压输出经比较隔离后有一个快速输出，用于需要快速报警的场合（例如真空系统冲入大气）。用1KR020规管测试，响应时间在500μs～1500μs之间。

    1.3 微控制器单元

    微控制器单元由六个部分组成，如图１所示。

    ·模数转换：由专用V/F转换器和计数器8253担任。V/F转换器将离子流放大器输入的电压信号转换为频率后，由8253记数，再送给CPU计算，转化为真空度。在量程范围内，该模数转换器的精度为15位，最后的采样和显示频率为10Hz。

    ·微处理器：由80C32担任。

    ·报警阈值设定：由一片带有EEPROM的监控芯片X25045担任。内置的1024字节RAM可用于真空报警阈值上下限的设置以及一些系统关键配置数据的存储（例如真空计标识）。报警输出采用20mA电流环，便于光隔离和抗干扰。报警反应时间小于150ms，满足对除快阀以外的一般阀门的控制。报警包括：当前真空度超过设定阈值、真空度突然发生量级变化等。报警时将关断高压电源。

    ·键盘／显示：由一片8155管理六只键盘和6位高亮度数码管。键盘功能包括开关高压、报警阈值设定等功能。显示包括真空度和报警等。

    ·通讯接口：支持RS232C、RS485和现场总线CAN协议。RS232C接口芯片采用MAX202E，RS485接口芯片采用SN75LBC185，CAN接口芯片采用Philips公司的SJA1000通讯控制器和82C250总线收发器。

    目前本文介绍的冷阴极电离规控制器GH080适用于BALZERS公司的IKR 020规管和国产M014型规管。图４为在本实验室按照ISO/DIS3568国际标准建造的比对系统上的比对结果。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。图中的GH070为热阴极电离真空计，线性好，在超高真空下表现优良，而GH080在超高真空下则有饱和的趋势，差别在于使用不同的规管。冷阴极电离规控制器使用的规管通常是以外壳为离子流的收集极，另外还有高压以及空气湿度的存在，电子设计中有难以克服的漏电流。如果1KR020采用HPS公司的Series 423 I-MAG规管结构（增加一个辅助阴极），我们的设计可以很容易进入Pa量级。如果不考虑规管因素，我们的设计可以工作在Pa量级，此时的离子流约在安培量级。目前该控制器使用IKR020规管的量程范围是，其量程上限已达到国内外同类控制器的最好水平。

    ２ 系统软件设计

    整个系统软件由主程序、键盘服务程序和子程序组成。软件用工程C语言编写，采用模块化设计，编译后的下载程序约8K。子程序主要由系统初始化、键盘扫描和显示模块、真空计算、报警控制、高压控制、报警阈值设定、通讯等子程序组成。图5为系统工作流程图。

    关于CAN通讯服务子程序的设计，我们可以采用一个监控网络，即在CAN总线上有一台监控计算机节点和18台GH080真空计节点（如图６所示）。真空计节点要传送的数据有现场采集的数据和报警时的数据，在监控计算机向真空计发出请求数据要求且真空计收到数据请求时，真空计节点将现场采集的数据打包发送给监控计算机；而当现场出现警告时，真空计则不等监控计算机发出请求数据要求，就将警告数据发送。这是一个简单、典型的网络应用。

    从网络的维护与安装的实际要求以及应用环境的特殊需要出发（如某个节点关闭、新的节点加入、出现故障等），要求真空计节点即装即用（Plug and Play），因此对初次安装的节点或替换下工作不正常的节点，要求该节点能够向网络发送请求安装信息，监控计算机则根据此信息安装和修饰该节点。

    目前真空计节点通信子程序的设计符合CAN2.0B，采用29位标识符，波特率设置为100kbit/s，另外采用Philips公司提出的PeliCAN模式[6]。

    基于PC的数据采集和处理系统能够利用PC机所有的强大数据运算、存储能力和优良的编程环境。对监控网络软件设计，我们采用NI公司的图形化虚拟仪器平台LabVIEW。另外现在众多国内厂家及NI公司也提供包括PC／CAN、RS232C／CAN、RS485／CAN等现场总线硬件产品。利用这些硬件产品，使用LabVIEW的编程平台，很容易组建专用的测控系统。由于该系统在Win98下组建，可以充分利用其提供的各种多媒体功能，应用多种手段实现良好的人机界面，从而容易实现强有力的分析和处理等功能。

    目前，我们研制的冷阴极电离超高真空计已通过国家计量院鉴定并获国家专利。该真空计的量程范围是。基于CAN总线的大型超高真空系统监控软件核心模块设计已完成。与国外的同类真空计相比，我们首次将CAN总线接口和快速联锁报警接口引入超高真空计，使它特别适合于大型真空联锁监控系统。本系统的完成和实施，将使我国真空领域的现场测控技术提高到一个新的水平，并向国际水平靠拢。