基于CAN總線的GaAs光電陰極制備測控系統(tǒng)

0　引言

　　GaAs光電陰極是一種負(fù)電子親和勢光電陰極，具有量子效率高、發(fā)射電子能量和角度分布集中的優(yōu)點(diǎn)，因而在微光像增強(qiáng)器、半導(dǎo)體敏感器件、自旋極化電子源等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]，但GaAs光電陰極的制備過程卻極為復(fù)雜，對制備工藝和條件都有嚴(yán)格要求。目前GaAs光電陰極的制備都主要依賴熟練操作人員進(jìn)行手工操作，這種操作方式不盡浪費(fèi)大量人力物力，而且制備質(zhì)量和效率得不到保證。而在制備過程中普遍采用的在線光譜響應(yīng)測試儀[2]，只能用于陰極制備后的光譜響應(yīng)曲線測試，評估陰極的制備質(zhì)量，它對陰極制備過程中的許多其它信息量，如真空度、銫源和氧源電流等，都沒有實(shí)時(shí)采集功能，更沒有對銫（氧）源電流的計(jì)算機(jī)控制和制備過程的自動(dòng)化，從而大大的制約了我國GaAs光電陰極制備工藝的理論研究、制備質(zhì)量和效率的提高。本文利用CAN總線可靠性高、成本低、配置靈活和傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)[3～5]，設(shè)計(jì)了一套基于CAN總線的GaAs光電陰極制備測控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)上述信息的實(shí)時(shí)測試和銫（氧）源電流的自動(dòng)控制。

　　1　測控系統(tǒng)組成

　　根據(jù)GaAs光電陰極制備工藝的要求，我們設(shè)計(jì)了如圖1所示的GaAs光電陰極制備測控系統(tǒng)原理框圖。該測控系統(tǒng)由三大部分構(gòu)成：超高真空激活系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和外圍測控設(shè)備，其中超高真空激活系統(tǒng)是用于GaAs光電陰極制備（加熱凈化和銫氧激活）的，制備過程中的多種信息量可通過外圍測控設(shè)備與計(jì)算機(jī)相連。測控設(shè)備共分兩部分，一部分完成光電流、光譜響應(yīng)曲線的測試，另一部分完成真空度的測試以及銫（氧）源電流信號的測試和控制。

　　第一部分相當(dāng)于一個(gè)光譜響應(yīng)測試儀，光譜響應(yīng)曲線測試時(shí)，先由計(jì)算機(jī)控制光柵單色儀輸出一定波長的單色光并照射到陰極面，陰極產(chǎn)生微弱的光電流，光電流放大后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，計(jì)算機(jī)將該信號和對應(yīng)的單色光輻射功率進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，就得到陰極的光譜響應(yīng)曲線[2]。這一部分中沒有用到CAN總線，本文中將不作介紹，重點(diǎn)介紹的是第二部分。在第二部分中，真空度、銫（氧）源電流信號是通過CAN總線實(shí)現(xiàn)測控的，測控信號通過USB-CAN轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)相連。這部分的設(shè)計(jì)，結(jié)合了CAN與USB總線的優(yōu)點(diǎn)，從而能實(shí)現(xiàn)更靈活的通信任務(wù)和更強(qiáng)大的信號測控功能。

　　圖1 GaAs光電陰極制備測控系統(tǒng)原理框圖

　　2　測控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 USB-CAN轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計(jì)

　　USB-CAN轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)USB與CAN兩種總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，如圖2所示為其結(jié)構(gòu)框圖。圖中微控制器89C52負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換器的監(jiān)控任務(wù)以及CAN與USB總線的通信任務(wù)。CAN控制器接口電路采用SJA1000和82C250，USB控制器接口電路采用USB通用設(shè)備接口芯片CH372。在微控制器中，USB與CAN總線報(bào)文的接收均采用中斷方式，這種方式能盡量減少時(shí)延，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信能力。

　　2.2 多信息量測控設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

　　原有系統(tǒng)的真空計(jì)和模擬電源等設(shè)備都是獨(dú)立工作的，不具有和計(jì)算機(jī)通信的能力。為了實(shí)現(xiàn)真空度和銫（氧）源電流信息的測控，同時(shí)也為了節(jié)省成本，本文采用的方案是在原有設(shè)備上增加一個(gè)多信息量測控模塊，使之具有數(shù)字化測控和通信功能。多信息量測控模塊的任務(wù)是將設(shè)備顯示的信號取出并傳輸給計(jì)算機(jī)或?qū)⒂?jì)算機(jī)發(fā)來的控制命令傳輸給設(shè)備，所以實(shí)際上測控模塊電路由兩部分構(gòu)成，一部分完成真空度、銫（氧）源電流信息的測試，另一部分實(shí)現(xiàn)銫（氧）源電流大小和通斷的控制。

　　在真空度、銫（氧）源電流信息的測試方面，為了保持采集數(shù)據(jù)與設(shè)備顯示數(shù)據(jù)的一致性，采用的方法是將設(shè)備數(shù)碼管上顯示的信息直接取出。真空計(jì)和模擬電源的顯示均由3位數(shù)碼管構(gòu)成，所以兩者可以采用相同的測試電路。如圖3所示為多信息量測試模塊結(jié)構(gòu)框圖，圖中真空計(jì)或電源的3位數(shù)碼管分別與一片雙四選一的電子開關(guān)CD4052相連，微控制器從鎖存器輸出地址選通信號，控制CD4052依次輸出數(shù)碼管8段顯示信息中的2段，連接到比較器LM358上，經(jīng)比較轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平后輸出給微控制器，最后微控制器將3個(gè)數(shù)碼管的信號組合在一起，得到真空計(jì)或電源上顯示的數(shù)據(jù)。在這里采用比較器的主要優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)不同數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)電平靈活的調(diào)整比較電壓，而且輸出邏輯電平穩(wěn)定，從而使測試電路具有更好的適用性。采集到顯示信息后，可在微控制器控制下，通過CAN總線傳輸給計(jì)算機(jī)。

　　圖2　USB－CAN轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)框圖　　　
　

　圖3　多信息量測試模塊結(jié)構(gòu)框圖

在原有的系統(tǒng)中，銫（氧）源電流大小的控制是通過手動(dòng)調(diào)節(jié)電源的模擬電位器來實(shí)現(xiàn)，而為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對電流大小的數(shù)字化控制，最直接的辦法就是用數(shù)字電位器取代電源的模擬電位器，按此方案設(shè)計(jì)的電流控制模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。電源有一個(gè)10K的粗調(diào)電位器和一個(gè)1K的細(xì)調(diào)電位器，分別用10K和1K數(shù)字電位器X9C103、X9C102取代，圖4中兩個(gè)數(shù)字電位器是串聯(lián)在一起的，這種接法可使電流控制精度更高，而實(shí)際控制精度超過了模擬電源的三位顯示精度，這完全能滿足系統(tǒng)對電流控制精度的要求。數(shù)字電位器或模擬電位器的選擇可由微控制器輸出控制信號，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)后控制雙刀雙擲繼電器來確定。微控制器也可以輸出控制信號來控制繼電器接通或斷開模擬電源的外接220V供電電源，從而實(shí)現(xiàn)銫（氧）源電流的通斷，同時(shí)由于控制的是220V交流電源，在微控制器和驅(qū)動(dòng)器之間必須進(jìn)行光電隔離。計(jì)算機(jī)可通過上述方式來實(shí)現(xiàn)陰極制備過程中的自動(dòng)銫氧交替。

　　圖4　銫（氧）源電流控制模塊結(jié)構(gòu)框圖

　　3 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 USB-CAN轉(zhuǎn)換器軟件設(shè)計(jì)

　　USB與CAN總線轉(zhuǎn)換器軟件主要進(jìn)行USB與CAN總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換，在測控設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)通信，其軟件設(shè)計(jì)主要包括CAN和USB接口芯片的初始化以及CAN與USB報(bào)文的發(fā)送和接收。USB與CAN總線控制器芯片分別采用CH372和SJA1000，CH372有內(nèi)置固件模式，使用非常方便。USB與CAN總線報(bào)文的接收均采用中斷方式來實(shí)現(xiàn)，這種方法能保證最快的響應(yīng)速度，提高通信效率。接收到的USB報(bào)文可通過CAN總線直接發(fā)送給測控設(shè)備，而接收到的CAN報(bào)文則通過兩步來發(fā)送給計(jì)算機(jī)，先通過USB中斷傳輸觸發(fā)計(jì)算機(jī)的中斷服務(wù)程序，后通過批量傳輸將CAN報(bào)文發(fā)送給計(jì)算機(jī)，這種方式可實(shí)時(shí)觸發(fā)計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的處理，提高計(jì)算機(jī)的響應(yīng)速度。

　　3.2 多信息量測控軟件設(shè)計(jì)

　　多信息量測控軟件分測試軟件和控制軟件。測試軟件的功能是將設(shè)備數(shù)碼管上顯示的數(shù)據(jù)取出，經(jīng)組合和譯碼后轉(zhuǎn)換為被測信息量。測試軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于控制CD4052依次選通各個(gè)數(shù)碼管分多次輸出顯示信息，然后將這些信息組合在一起，然后通過查找筆型碼表就可以得到設(shè)備顯示的真空度或電流大小?？刂栖浖墓δ苁峭ㄟ^數(shù)字電位器和繼電器實(shí)現(xiàn)銫（氧）源電流大小和通斷的控制，其中控制軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是電流大小的控制。由于電源輸出電流與電位器的阻值不一定呈線性關(guān)系，而且不同電源的情況也不盡相同，所以控制算法應(yīng)有一定的適應(yīng)性。借鑒人工調(diào)節(jié)電流時(shí)的經(jīng)驗(yàn)，控制軟件中采用的是兩步調(diào)節(jié)算法，先“粗調(diào)”后“細(xì)調(diào)”。兩步調(diào)節(jié)法先計(jì)算電流設(shè)定值和當(dāng)前值的差值，若相差較大，則進(jìn)行“粗調(diào)”（調(diào)節(jié)X9C103）。若差值已經(jīng)落到X9C102的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)時(shí)，則進(jìn)行“細(xì)調(diào)”（調(diào)節(jié)X9C102），細(xì)調(diào)時(shí)用“拆半”調(diào)節(jié)法（與拆半查找法類似）使電流快速接近并達(dá)到設(shè)定值。采用上述的兩步調(diào)節(jié)算法能保證輸出電流的調(diào)節(jié)時(shí)間短，控制精度高。

　　3.3 計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　計(jì)算機(jī)部分軟件共由三大模塊組成，包括多信息量測控模塊、信息顯示模塊和性能參數(shù)計(jì)算模塊，其中多信息量測控模塊包括光電流的A/D采集、真空度的采集、銫（氧）源電流的采集與控制。光電流由計(jì)算機(jī)控制定時(shí)進(jìn)行采集，真空度和銫（氧）源電流的采集則不同，它由真空計(jì)或電源在其顯示信息變化時(shí)主動(dòng)向計(jì)算機(jī)發(fā)送，計(jì)算機(jī)接收后更新顯示或進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為了能保證計(jì)算機(jī)及時(shí)接收到設(shè)備發(fā)來的信息，我們在軟件中采用了偽中斷和多線程技術(shù)。偽中斷服務(wù)程序是由CH372驅(qū)動(dòng)程序中斷后通過動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）在應(yīng)用層模擬調(diào)用的，能及時(shí)響應(yīng)USB中斷傳輸，多線程則能實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)的并行處理，提高響應(yīng)速度和處理效率。性能參數(shù)計(jì)算模塊主要對測試結(jié)果進(jìn)行分析處理，得到想要的各種制備工藝或陰極的性能參數(shù)。

　　4 結(jié)束語

　　CAN總線在GaAs光電陰極制備測控系統(tǒng)中的應(yīng)用成功的解決了系統(tǒng)測控信息量多，對可靠性和實(shí)時(shí)性要求高的難題，該測控系統(tǒng)的研制成功將有利于對GaAs光電陰極制備工藝進(jìn)行深入的理論研究，促進(jìn)提高GaAs光電陰極的制備水平，該系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 杜曉晴，常本康，宗志園. GaAs光電陰極p型摻雜濃度的理論優(yōu)化. 真空科學(xué)與技術(shù), 2004, 24(3)：195-198

　　[2] 錢蕓生，宗志園，常本康. GaAs光電陰極原位光譜響應(yīng)測試技術(shù)研究. 真空科學(xué)與技術(shù), 2000, 20(5)：305-307

　　[3] 遲東明，司棟森. CAN總線在停車場燈光智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用. 微計(jì)算機(jī)信息, 2005,21（2）：46-47.

　　[4] 王軼，張凡. CAN總線技術(shù)在智能汽車中的應(yīng)用. 微計(jì)算機(jī)信息, 2005,21（7）：48-50.

　 [5] 饒運(yùn)濤，鄒繼軍，鄭勇蕓. 現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2003.