基于以太網(wǎng)的低溫等離子體測控系統(tǒng)基于以太網(wǎng)的低溫等離子體測控系統(tǒng)

摘要：針對低溫等離子體設(shè)備系統(tǒng)的特點，構(gòu)建了基于以太網(wǎng)的低溫等離子體測控系統(tǒng)。設(shè)計開發(fā)了帶有以太網(wǎng)和RS485接口的設(shè)備節(jié)點電路板，采用C#編寫了上位機軟件。測試發(fā)現(xiàn)通過上位機軟件或者手動的方式可以控制真空泵的抽速、工作氣體的進(jìn)氣量、直流高壓電源放電電壓。系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，實時性滿足控制要求。
關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；RS485；低溫等離子體

0 引言
等離子體是一種由自由電子和帶電離子為主要成分的物質(zhì)形態(tài)，常被視為是除固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。等離子體分為三類：高溫等離子體(熱核聚變等離子體)、熱等離子體(離子體弧、等離子體炬等)、冷等離子體(低氣壓交直流、射頻、微波等離子體以及高氣壓介質(zhì)阻擋放電、電暈放電、RF放電等)。低溫等離子體主要應(yīng)用于等離子體輔助薄膜沉積、等離子體聚合、材料表面改性、生物樣品處理、納米材料制備、等離子體化學(xué)和電子束、粒子束和激光束的產(chǎn)生。
以太網(wǎng)以其高速、低成本、易使用的優(yōu)勢，使其成為局域網(wǎng)中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。由于以太網(wǎng)MAC層使用CSMA／CD(載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測)技術(shù)而被認(rèn)為是不確定的、非實時網(wǎng)絡(luò)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展這些問題逐漸得到解決，工業(yè)以太網(wǎng)漸漸發(fā)展成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)。
目前，在低溫等離子體應(yīng)用領(lǐng)域，國內(nèi)的低溫等離子體設(shè)備系統(tǒng)自動化程度較低，將以太網(wǎng)技術(shù)引入該領(lǐng)域，可以提高等離子體技術(shù)的應(yīng)用水平。故構(gòu)建與研究基于以太網(wǎng)的低溫等離子體測控系統(tǒng)具有重要意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制需求
低溫等離子體設(shè)備系統(tǒng)一般由真空室、放電電源、真空泵、真空計、流量控制器和其它測量設(shè)備組成?；谝蕴W(wǎng)的低溫等離子體測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

本系統(tǒng)的放電電源選用的是直流高壓電源，其具有0～2000V、0～200mA輸出能力，可以通過旋鈕或通過外部0～500mV模擬電壓調(diào)節(jié)電源輸出電壓；真空計采用的是成都正華電子儀器有限公司的ZDRI-LED型真空計，可測量0．1～100000Pa范圍氣壓；工作氣體流量控制器以及流測量顯示器分別采用北京匯博隆儀器有限公司的S49系列質(zhì)量流量控制器和M51系列數(shù)字流量顯示儀，為簡單起見，將二者的組合稱為流量計(既可以設(shè)置流量，也可以測量流量)，可以設(shè)定的流量范圍為0～100sccm；變頻器采用的是臺安公司的SV3-402-H3變頻器，變頻范圍為0．1 ～650．0Hz；真空泵采用的是海門市華豐真空設(shè)備有限公司的2XZ-2型直聯(lián)旋片式真空泵，極限壓強為0．06Pa。變頻器用來控制真空泵實現(xiàn)變頻調(diào)速，這樣就可以控制真空泵抽氣速率，進(jìn)而影響真空室穩(wěn)定時的真空度。其中真空計、流量計、變頻器都具有RS485接口，即可以通過發(fā)送相應(yīng)的RS485命令來控制這些設(shè)備。
系統(tǒng)工作流程如下：首先是真空泵抽真空，抽到一定真空本底時設(shè)置工作氣體流量，待真空室氣壓穩(wěn)定時開啟直流高壓電源放電，產(chǎn)生等離子體。在工業(yè)應(yīng)用中可能會要求等離子體參數(shù)穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內(nèi)，這就涉及到真空度、直流高壓電源輸出電壓、電流及等離子體參數(shù)的測量，以及真空泵抽速、工作氣體流量的控制。
控制要求：1)可以在上位機界面上實時顯示真空度；2)可以通過上位機界面控制變頻器電源開／關(guān)，手／自動控制、運行／停止，設(shè)置頻率；3)可以通過上位機界面設(shè)置工作氣體流量，顯示測得的流量，還可以手動設(shè)置流量；4)可以通過上位機界面控制直流高壓電源的開／關(guān)，控制電源的輸出功率，還可以實時顯示直流高壓電源輸出的電壓、電流大小；

2 硬件設(shè)計
由于選取RS485通信控制真空計、流量計和變頻器，故節(jié)點電路板需要有RS485接口；各個節(jié)點與PC間通信采用以太網(wǎng)，故也需要具有以太網(wǎng)接口。
由于真空計、流量計、變頻器的控制要求相似，故可以設(shè)計一塊通用控制板；但是直流高壓電源有2路模擬量輸出、1路模擬量輸入和2路繼電器，為了減小通用板的尺寸，故針對直流高壓電源的控制要求單獨設(shè)計一塊直流高壓電源控制板。
針對上述控制要求，我們選擇了TI公司的Correx—M3系列的LM3S8962作為主控制器，其工作頻率可達(dá)50M，內(nèi)含256kB單周期Flash、64kB單周期SRAM，另外具有一路CAN接口、一個同步串行接口(SSI)、2個通用異步收發(fā)器(UART)、4路ADC輸入、一個10／100M以太網(wǎng)控制器和PHY 該控制器芯片滿足我們的使用要求。
2．1 通用節(jié)點板
通用節(jié)點板主要負(fù)責(zé)通信控制功能(Ethernet、RS485)以及一路繼電器、LED指示燈，通用節(jié)點電路板功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。