蔡龙

摘 要本文介绍了一种基于STM32微控制器的多通道真空度显示与控制系统。该系统由STM32微控制器、信号调理电路、RS232通讯接口、LCD模块、真空规与上位机组成。基于此系统搭建四极质谱仪真空腔体测试平台，可控制8路真空进样阀的开关，同时显示、上传8个被测腔体的真空度数据，据此实现四极质谱仪真空部件的筛查与性能对比。与传统方案相比，所研制的真空显控系统具有较高的集成度、较低的成本和紧凑的体积，并提高了测试的自动化程度与可靠性。

关键词真空测量;Cortex-M3;真空;真空规

0 前言

真空是四极质谱仪的“生命”，是质谱仪极为重要的组成部分[1]。四极质谱仪真空系统的组成如图1所示。进样阀实现不同梯度真空的连通与隔断;进样膜是分隔不同真空的部件;真空腔体承载离子源、质量分析器、检测器等核心部件并连接各个真空部件;真空泵用于获得质谱仪的工作压力，一般由前级泵与后级泵组成[2];真空规为真空度测量部件。

真空系统在设计时需要考虑多种因素，比如不同材质的真空腔体的放气程度、保压能力;不同厂家、规格真空泵的抽气效果等等。设计方案之间的对比测试必不可少，而真空度数据的记录与归纳整理显得尤为重要。在传统方案中，串行测试实效性差，并行测试则需要多路真空规，而市面上绝大多数真空计都只能对应一个真空规，测试人员难以同时对多路真空度数据进行连续准确地记录，此外，每一路进样阀都需要一个驱动信号去控制，进一步增加了系统的复杂度。为此，本文介绍了一种多通道真空显控系统（以下简称显控系统），用以改善传统方案效率低、成本高、布线复杂的等不足。

1 系统硬件设计

所设计的电路硬件系统包括以STM32F103RCT6微控制器为核心最小系统，RS232通讯模块、LCD显示模块、真空度采集模块和进样阀控制模块，如图2所示。其中真空规将所测的压力信号转换为电信号，根据使用需求，真空规选用安捷伦FRG700型全量程规。系统中8路真空规输出的信号经模拟多路复用电路选通后，进入信号调理电路和AD转换电路，STM32微控制器通过串行接口获取ADC数据，进行分析处理，再通过RS232通讯接口，向上位机传输真空度等相关数据。同时，微控制器接收上位机发送的控制指令，控制8路进样阀的开闭。此外，微控制器使用16位并行接口驱动4.3寸的TFT_LCD屏，用以显示真空度、阀状态等相关信息。

1.1 真空度采集模块

真空度采集模块是整个硬件设计的核心，其性能直接影响显控系统测量真空度的可靠性与准确性。真空规FRG700输出的电压信号与所测压力呈对数关系，该信号的电压范围为0～10.5V，模拟电子开关受STM32控制实现模拟多路复用功能，将8路真空规的输出信号分时导通，经差分电路进行降压与有源低通滤波器消噪后，送入ADC芯片进行模拟量的采集读取。多路选通与信号调理电路的原理图如图3所示。

AD转换的作用是将滤波电路输出的模拟信号V_Vac转换为数字量信号，芯片选用TI公司的ADS1246，它是24位单通道、差分输入的AD转换器，具有高精度、24位无失码、极低内部电压基础漂移、增益可编程等特性，是微控制系统进行高精密数据采集的理想产品。微控制器通过SPI串行通讯获取AD转换后的数据，相关引脚包括SCLK、DIN、DOUT、CS和DRDY等，电路原理图如图4所示。

1.2 进样阀控制电路

进样阀是真空系统中重要的控制部件，进样阀的开启与关断，可实现进样管路与真空管路之间的连通与隔断，进而将样品引入到真空腔内部的核心分析单元之中。进样阀动作后，在真空泵抽气作用下，真空腔内真空度恢复到质谱仪正常工作压力所需时间，是测试平台的主要测试项目之一。本系统中的进样阀额定开启电压为24V，由双路继电器中的一路控制其开闭，继电器另一路连接双色LED，用于指示进样阀的状态。由于微控制器输出电流有限，因此加入了达林顿阵列芯片ULN2003以增强驱动能力[3]。进样阀控制电路的原理图如图5所示。

2 系统软件设计

本设计使用STM32固件库进行开发，采用模块化的软件设计理念，并引入μC/OS-II嵌入式实时操作系统管理各软件模块。系统软件设计工作主要包括以下几个方面：（1）将μC/OS-II操作系统移植到微控制器中，经过裁剪配置，建立嵌入式开发平台;（2）将工程划分为足够小的模块，并将模块功能编写为函数，实现用户任务的创建;（3）设计基于多任务切换机制的应用软件。

系统软件运行流程如下：首先完成μC/OS-II以及硬件外设的初始化;然后建立了开始任务，并在开始任务中创建了4个子任务;最后调用启动函数来开启操作系统，系统软件流程图如图6所示。为实现系统的同步和管理，系统中的多个任务在运行时，通过信号量和消息邮箱的方式进行通信[4]。

系统所建立的4个子任务中，优先级最高的为采集任务acq_task，负责控制模拟电子开关的分时选通、24位采样数据的获取以及电压与压力之间的转换计算;其次是通讯任务uart_task，负责对发送给上位机的数据进行组包，以及对串口接收的数据进行协议解析与响应;然后是阀控任务ctrl_task，负责控制各路进样阀的开闭;最后是显示任务lcd_task，负责更新液晶屏的显示信息。在本设计中，微控制器与上位机间通过“查询/回应”的方式实现数据通讯，程序通过使用OSIntEnter（）和OSIntExit（）这两个指令，使得串口发送/接收完成中断函数运行时不会被打断[5]。

3 系统测试

将各通道的真空规与进样阀的控制线缆接入到所设计的硬件板卡上，通道号与板卡连接器的编号需一一对应。供电电源方面，仅需一路24V直流电源即可使系统正常工作。上位机的客户端软件使用VC++ 6.0開发平台完成，其界面如图7所示。

在客户端软件相应的功能区域开展相应的操作。在真空监测功能区域，软件实时更新显控系统上传的真空度与进样阀的状态信息，当对通道7的进样阀进行了开阀操作后，可看出通道7的真空度随之降低，阀状态也更新为“开阀”，并且真空监测的信息与显控系统LCD显示的内容相一致。由此可见，上、下位机之间指令解析正确，所设计的显控系统功能完备。

4 结论

多通道真空显控系统以STM32微控制器为核心，采用模块化的硬件电路设计。在软件设计上引入了μC/OS-II嵌入式实时操作系统，增强了系统的实时性与稳定性，并应用Micro soft Visual C++ 6.0设计了客户端软件，使得系统可以自动运行。测试结果表明，显控系统可同时完成8路进样阀的控制与真空度的记录，降低了使用成本，简化了系统。所设计的显控系统也可应用于其他阀控类和真空测量的场合，具有较好的拓展性。

参考文献

[1]姜佩贺，周志权，陈焕文，赵占锋.低真空环境下四极杆质量分析器灵敏度仿真研究[J].质谱学报，2018，39（01）：20-27.

[2]赵加鹏，龙希伟，宋春丽，李芳，陈宁.四极质谱仪真空系统设计[J].真空，2017，54（04）：13-17.

[3]麻硕，邱忠义，陈卓哲.小型真空室真空测量与控制系统的设计与实现[J].自动化与仪表，2017，32（04）：59-62.

[4]谢苗苗，李华龙，李能菲.基于STM32的谐波参数实时获取便携装置设计[J].仪表技术，2013（02）：32-34.

[5]何康华，雷阳阳.基于uCOS-III的教育机器人系统设计[J].电子测量技术，2016，39（10）：114-118.