蔡龍

（北京市北分儀器技術(shù)有限責(zé)任公司 北京市 100194）

1 引言

質(zhì)譜儀擁有優(yōu)越的定性、定量能力，極高的靈敏度和很好的廣譜性，是目前公認(rèn)的化學(xué)分析儀器中最強(qiáng)有力的工具[1]。通常質(zhì)譜儀包括以下關(guān)鍵部件：進(jìn)樣系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器、離子檢測(cè)器、真空部件以及測(cè)控系統(tǒng)[2]。真空是質(zhì)譜儀的“生命”，是質(zhì)譜儀極為重要的組成部分：

（1）電子倍增器、離子源等核心部件需要在高真空下才能正常工作；

（2）真空度影響質(zhì)譜儀中離子的平均自由行程，從而影響到儀器的分辨率；

（3）高真空下能避免發(fā)生離子-分子反應(yīng)，保證質(zhì)譜圖樣的正確。

綜上，為確保質(zhì)譜儀正常工作，真空度必須達(dá)到并穩(wěn)定地控制在預(yù)定范圍內(nèi)[3]，這就要求必須對(duì)真空度進(jìn)行準(zhǔn)確地測(cè)量。

2 硬件結(jié)構(gòu)

在質(zhì)譜儀的真空系統(tǒng)中，初級(jí)泵提供高真空泵正常工作所需要的前級(jí)真空，按照高真空獲取設(shè)備的不同，質(zhì)譜儀可以分為離子泵平臺(tái)和分子泵平臺(tái)兩種類(lèi)型。

真空測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)擬定的通訊協(xié)議，使用RS232串行通訊向測(cè)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸真空度等相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)腔體的真空度達(dá)到預(yù)定值時(shí)，真空測(cè)量系統(tǒng)向測(cè)控系統(tǒng)發(fā)送真空狀態(tài)正常的信息。最終測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)TCP/IP協(xié)議向上位機(jī)傳輸包含真空度及真空狀態(tài)在內(nèi)的數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)對(duì)真空度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。真空狀態(tài)決定儀器能否正常開(kāi)閥、掃描，該機(jī)制保護(hù)了真空腔體內(nèi)部離子源等元件。真空測(cè)量系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。

為了降低開(kāi)發(fā)周期、節(jié)約成本，分子泵平臺(tái)和離子泵平臺(tái)所使用的真空測(cè)量板卡硬件上是相同的，下位機(jī)軟件則根據(jù)不同平臺(tái)的具體需求而區(qū)分設(shè)計(jì)。板卡的硬件系統(tǒng)包括以STM32F103RCT6微控制器為核心的外圍電路、RS232通訊電路、信號(hào)調(diào)理電路、LCD顯示模塊、LED顯示與報(bào)警電路等功能組件。

在離子泵平臺(tái)中，使用的離子泵電源為Agilent公司的4UHV，該電源具有向遠(yuǎn)端實(shí)時(shí)傳輸狀態(tài)數(shù)據(jù)的RS232接口，真空測(cè)量板卡根據(jù)該電源自帶的通訊協(xié)議，通過(guò)串口2獲取真空度信息，將數(shù)據(jù)重新打包后，使用串口1向質(zhì)譜儀的測(cè)控系統(tǒng)發(fā)送真空度等相關(guān)數(shù)據(jù)。

對(duì)于分子泵平臺(tái)，選用Agilent公司的FRG-700全量程規(guī)作為測(cè)量真空的裝置，真空測(cè)量板上的調(diào)理電路將真空規(guī)的輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后，送入STM32微控制器的片上ADC，根據(jù)真空規(guī)的“電壓-真空度”轉(zhuǎn)換公式，得到真空測(cè)量數(shù)據(jù)，并上傳到至質(zhì)譜儀測(cè)控系統(tǒng)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 離子泵平臺(tái)

離子泵平臺(tái)的真空測(cè)量系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)如下幾個(gè)功能：

（1）真空測(cè)量系統(tǒng)與離子泵電源之間的通訊功能；

（2）消息的解析和信息提??；

（3）為保證通訊過(guò)程中信息數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，軟件設(shè)計(jì)中要包含錯(cuò)誤檢測(cè)[4]；

（4）真空測(cè)量系統(tǒng)與測(cè)控系統(tǒng)之間的通訊功能。

軟件主程序流程圖如圖2(a)所示。

離子泵平臺(tái)的真空測(cè)量系統(tǒng)軟件流程如下：對(duì)芯片和外設(shè)進(jìn)行初始化，其中串口2設(shè)置為接收中斷；串口2向離子泵電源發(fā)送詢(xún)問(wèn)電壓/電流值的命令后，接收離子泵電源返回的消息；如果本次沒(méi)有收到返回消息，或者消息解析后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，則容錯(cuò)程序會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；當(dāng)離子泵電源的電流小于7mA時(shí)，真空狀態(tài)視為正常；按照與測(cè)控約定好的協(xié)議向串口1發(fā)送數(shù)據(jù)。串口2的發(fā)送、接收、數(shù)據(jù)處理以及串口1的發(fā)送為一個(gè)循環(huán)，時(shí)間間隔為1s。

圖1：真空測(cè)量系統(tǒng)組成示意圖

表1：真空測(cè)量系統(tǒng)與測(cè)控系統(tǒng)通訊協(xié)議的格式

圖2：軟件流程圖

圖3：上位機(jī)真空度測(cè)量界面

STM32微控制器與離子泵電源間的串行通訊是真空度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。通過(guò)“查詢(xún)/回應(yīng)”的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊是4UHV系列電源自帶的通訊協(xié)議的特點(diǎn)。在與離子泵電源通訊過(guò)程中，偶爾會(huì)發(fā)生離子泵電源應(yīng)答異常的現(xiàn)象，如果不進(jìn)行相應(yīng)處理，則會(huì)導(dǎo)致解析異常，影響協(xié)議可用性。針對(duì)此問(wèn)題，在軟件中建立緩沖區(qū)，記錄每次向測(cè)控發(fā)送消息的內(nèi)容。當(dāng)出現(xiàn)解析異常的情況時(shí)，本次向測(cè)控系統(tǒng)發(fā)送消息時(shí)則使用緩沖區(qū)中相應(yīng)的值，當(dāng)接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的次數(shù)超過(guò)3次后，則認(rèn)為離子泵電源關(guān)閉。該容錯(cuò)機(jī)制提高了通訊的可靠性。

3.2 分子泵平臺(tái)

分子泵平臺(tái)中真空測(cè)量系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)如下幾個(gè)功能：

（1）STM32片上ADC的軟件配置，以及ADC值軟件濾波的實(shí)現(xiàn)；

（2）完成測(cè)量電壓到壓強(qiáng)值的轉(zhuǎn)換計(jì)算；

（3）依照與測(cè)控系統(tǒng)約定的協(xié)議，將真空度等相關(guān)數(shù)據(jù)組包并發(fā)送至測(cè)控系統(tǒng)。

軟件主程序流程圖見(jiàn)圖2(b)。

分子泵平臺(tái)的真空測(cè)量系統(tǒng)軟件流程如下：系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行初始化，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，判斷電壓U是否超出了真空規(guī)1.82V～8.6V的有效測(cè)量范圍，如果超過(guò)，則協(xié)議中超量程的一位會(huì)被置位；如果未超過(guò)，則根據(jù)FRG-700的“電壓-壓強(qiáng)”轉(zhuǎn)換公式，進(jìn)行測(cè)量電壓值到真空度的計(jì)算，并將計(jì)算出的真空度按照協(xié)議向測(cè)控發(fā)送。此外，真空腔體是否達(dá)到質(zhì)譜儀的最低工作壓強(qiáng)也會(huì)在協(xié)議中體現(xiàn)。發(fā)送消息的時(shí)間間隔為1s。

3.3 與測(cè)控系統(tǒng)的通訊

STM32通過(guò)串口1向測(cè)控系統(tǒng)發(fā)送消息。為了保證真空測(cè)量系統(tǒng)與測(cè)控系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c正確性，需要設(shè)計(jì)嚴(yán)格、合理、規(guī)范的通信協(xié)議[5]。一般地，串口通信中一個(gè)幀通常包括起始位、數(shù)據(jù)位、效驗(yàn)位、結(jié)束位等。結(jié)合兩種真空平臺(tái)的真空測(cè)量流程，設(shè)計(jì)通訊協(xié)議的格式如表1所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將真空測(cè)量系統(tǒng)嵌入到四極桿質(zhì)譜儀中進(jìn)行測(cè)試，圖3(a)顯示了離子泵平臺(tái)的工作情況，此刻離子泵電源的輸出電壓為3000V，電流為330uA，上位機(jī)進(jìn)行換算后得到真空度為8.4×10-5Pa；圖3(b)顯示分子泵平臺(tái)在開(kāi)機(jī)后真空度由低變高的過(guò)程，可以看出，上位機(jī)能準(zhǔn)確地獲取真空測(cè)量系統(tǒng)采集的真空度相關(guān)信息，能夠滿足儀器正常使用需求。

5 結(jié)論

本文介紹了一種用于質(zhì)譜儀的真空測(cè)量系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)，所研制的真空測(cè)量系統(tǒng)兼容分子泵和離子泵兩種真空平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)真空度的實(shí)時(shí)測(cè)量，測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期要求，提高了儀器的自動(dòng)化程度和可靠性，為質(zhì)譜儀的正常工作提供了條件保障。