一种环真空监控系统设计方案

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。

3　系统软件设计

基于PC的数据采集和处理系统能够利用PC机所有强大的数据运算、存储能力和优良的编程环境。系统软件设计采用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NI的编程平台很容易构筑专用的测控系统。由于该系统在Win95平台下构造，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。

整个监控系统画面结构框图如图4所示，主要由六部分组成，其中控制和监测子系统画面中可以显示该子系统的所有主要真空计、各阀门的开关状态、重要参数以及各参数的实时曲线和历史曲线;报警子画面显示整个系统顺序发生的所有报警事件、时间;参数数据库实时记录整个系统所有重要参数变化。其中参数数据库可通过DDE功能和利用Excel实现。

4　结语

本系统的最终完成和实施，必将提高NSRL真空监测和联锁保护的可靠性及实时性，也将使NSRL的现场测控技术提高到一个新的水平，并向国际水平靠拢。作为现场总线的典型应用，也将有极高的推广价值。