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基于安捷伦真空计的便携式真空显控系统设计

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摘要：

真空测量在半导体、科学仪器、航天产品、表面分析科学等领域具有广泛应用[1]。安捷伦FRG700全量程规因其集成度高、测量范围宽、便于安装等优点，在真空计领域有较高的市场占有量。在传统的真空度显控方案中，与FRG700配套使用的是安捷伦AGD-100规控制器，该设备为典型的实验室仪器，虽然测量精度高、单一性强，但受限于体积与工频交流供电等因素，不适用于便携式的真空测量工作。为此，本文提出了一种适用于安捷伦FRG700真空计的便携式真空显控系统(以下简称显控系统)，用以改善传统真空度测量方案在便携测量方面的不足。

1系统硬件设计

设计的硬件系统包括以STM32F103C8T6微控制器为核心的外围电路、OLED模块、RS232通讯电路、信号调理电路、声光报警电路、电压转换电路以及锂电池等组件，如图1所示。

综合考虑重量、体积、使用时长等因素，选用12V/3000mAh的软包锂电池作为整个系统的动力源，该电池输出电压为9-12.6V，由3支电芯组成，内部集成了过流、短路、低压以及过冲等保护电路。FRG700工作时需要显控系统提供直流电源，为确保规供电与显控系统的供电互不串扰，采取了分组供电的措施，并使用金升阳WRB1224ST-3WR2隔离稳压模块，将电池的输出电压提升至FRG700的额定工作电压。显控系统的信号调理部分与数字控制部分的供电，分别由金升阳WRA1212SD-1WR2模块(±12V)与K78L03-500R3模块(3.3V)进行提供。

显控系统使用STM32的片上ADC测量模拟电压信号。FRG700输出的电压信号与所测压力呈对数关系，电压范围为0～10.5V，因此该信号先利用差分电路进行降压，再经过有源低通滤波器滤除高频噪声后送入微控制器；电池电压的测量用于剩余电量的检测，信号调理电路首先使用电阻分压，再采用电压跟随器进行阻抗变换和滤波，使得测量信号达到微控制器的可测范围。

数字控制部分，微控制器使用SPI串行接口驱动1.3寸的OLED屏，用以显示真空度等相关信息；配备了RS232通讯接口，可向远端传输真空度等相关数据；设计了按键控制SD卡存储的功能，使能后，微控制器将测得的真空数据通过SPI协议写入SD卡；当电池电量不足时，微控制器驱动分立元件产生声光报警，提醒用户及时处理。

2系统软件设计

本设计使用STM32固件库进行开发，STM32库是意法半导体公司提供的一系列函数的合集，它建立了用户函数调用的接口(API)与寄存器之间的桥梁，具有快速开发、便于移植、可读性强等优点。为了更好地协调管理各个软件模块，提高系统运行的实时性，引入了μC/OS-II嵌入式实时操作系统。

采用模块化的软件设计理念。首先，移植操作系统，搭建基于μC/OS-II嵌入式软件开发平台；然后，分别对USART接口、SPI接口等外设进行驱动程序的开发；最后，根据整个测量过程，编写应用程序，实现任务间的调度管理。

显控系统软件流程如图2所示，首先对芯片和外设进行初始化，然后建立了6个应用任务，并给任务分配优先级与堆栈，用来执行用户程序，最后调用μC/OS-II启动函数来开启操作系统。系统在运行时，任务之间通过信号量和消息邮箱的方式进行通信[2]，以实现系统的同步和管理，下表列出了系统建立的应用任务。

任务名称优先级堆栈大小(Byte)所实现的功能adc_task获得adc转换数据calc_task计算真空度以及剩余电量oled_task4128OLED显示usart_task564RS232接口数据通讯key_task664按键功能、LED与蜂鸣器控制sd_task7512SD卡数据存储

按键功能用来控制SD卡数据存储功能的开启/停止，RS232通讯使用串口IDLE中断，通过“查询/回应”的方式实现数据通讯，为实现上述两种功能，软件上设计了中断，并加上了OSIntEnter()和OSIntExit()这两个指令来控制中断关闭与开启[3]，以确保中断运行时不被打断。数据计算方面，根据FRG700的“电压-压强”的转换公式，完成测量电压到真空度(Pa)的转换计算，并增加Torr与Mbar的计算与显示，以提高使用便利性。对于电池剩余电量的检测，根据厂家提供的电池输出电压和电池的剩余容量的曲线，分段建立了计算公式，实现对电池剩余电量的估计。在上表所述的应用任务中，adc_task与calc_task为主要任务，所以将这两个任务的堆栈大小设置为1024，达到任务流畅运行的目的。

3结论

传统的基于FRG700的真空测量显示方案虽然测量精度高，但体积较大、操作复杂，且不适用于无工频交流电的场合。本文介绍的便携式真空显控系统可实时显示3种单位的压力数据，便于用户直观获取真空度；设计的电量测量与报警功能，有利于锂电池组的管理和维护；采用SD卡存储测量数据的方案，可实现在无记录终端情况下的真空度的数据记录。整个系统成本低、体积小、质量轻、便于安装与携带，具有一定的实用价值。

文章来源：《真空科学与技术学报》网址: http://www.zkkxyjsxb.cn/qikandaodu/2021/0223/490.html