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

電壓電流采樣選用片外ADC122S051，其為雙通道串行12位ADC，采樣速率可達(dá)500kb／s，ADC的參考源采用REF3240，其提供4．096V參考電壓。
電壓通過1：500的分壓電阻取樣，得到待調(diào)理的前端電壓為0～4V，電壓信號(hào)首先通過跟隨器，然后通過UAF42AP搭建的50Hz陷波器，之后通過opa2227搭建的有源2階巴特沃茲濾波器濾波，該濾波器截止頻率設(shè)為10Hz，再將濾波后的信號(hào)送到ADC的模擬輸入通道1；電流信號(hào)則通過10Ω的取樣電阻，得到0～2V待調(diào)理的前端電壓，然后經(jīng)過1級(jí)跟隨，之后通過UAF42AP搭建的50Hz陷波器，然后經(jīng)過2階巴特沃茲濾波截止頻率10Hz，再經(jīng)過opa227放大2倍，然后經(jīng)過一階RC，之后送到ADC的模擬輸入通道2。
設(shè)計(jì)采用DAC輸出模擬電壓，選用芯片為TLV5637，其為雙通道SPI接口的10位DAC，DAC參考源選用2．5V基準(zhǔn)的ADl582BRT，這樣DAC的輸
出范圍為0～5V。
MCU通過SPI接口控制ADC和DAC，5根控制線通過一片ADUM1401和一片ADUM1201進(jìn)行數(shù)字隔離。其中5V的隔離電源由隔離DC／DC芯片DCP0 505提供。

3 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括節(jié)點(diǎn)軟件以及上位機(jī)程序設(shè)計(jì)?？紤]到程序設(shè)計(jì)的靈活性，在LM3S8962上移植了ucos-ii操作系統(tǒng)，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，故移植了輕型TCP／IP協(xié)議棧LWIP。
3．1 節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)
各個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)接收PC端上位機(jī)發(fā)送的控制命令，給出應(yīng)答并進(jìn)行相應(yīng)操作，另外周期性地上傳測(cè)量數(shù)據(jù)。
真空計(jì)節(jié)點(diǎn)：每隔100ms獲取一次真空度，獲取真空度是通過給真空計(jì)發(fā)送對(duì)應(yīng)的RS485命令。然后將真空度上傳給PC。
流量計(jì)節(jié)點(diǎn)：每隔100ms獲取一次流量值，獲取流量是通過給流量計(jì)發(fā)送對(duì)應(yīng)的RS485命令，然后將流量值上傳給PC。
直流高壓電源節(jié)點(diǎn)：每隔1ms測(cè)量一次電壓、電流值(快速采樣以便在輸出短路時(shí)迅速切斷電源進(jìn)行保護(hù))，然后每隔100ms將電壓、電流值上傳給PC；變頻器節(jié)點(diǎn)只需接收控制命令如電源開關(guān)、手自動(dòng)、啟停、設(shè)置頻率等，不需要周期性上傳數(shù)據(jù)。
3．2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)
PC端上位機(jī)主要給各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制各個(gè)設(shè)備的控制命令；接收各個(gè)節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)包并解析，然后在上位機(jī)界面上顯示出相關(guān)結(jié)果。由于各節(jié)點(diǎn)周期性(T=100ms)上傳數(shù)據(jù)，在上位機(jī)開啟一個(gè)1s的定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)，PC正常情況下會(huì)收到單獨(dú)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的10幀數(shù)據(jù)，將每秒收到的幀數(shù)顯式出來，這樣可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。
PC端上位機(jī)與節(jié)點(diǎn)間以太網(wǎng)通信采用UDP協(xié)議。下圖4為采用C#編寫的上位機(jī)界面截圖。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
將系統(tǒng)連接好后，給各個(gè)節(jié)點(diǎn)電路板上電，然后打開上位機(jī)界面就可以通過上位機(jī)界面控制各個(gè)設(shè)備了，并顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。操作步驟如下：
(1)打開變頻器電源，并設(shè)置為自動(dòng)控制方式(即RS485命令控制)，設(shè)置變頻器運(yùn)行頻率為40．0Hz，然后點(diǎn)擊運(yùn)行，這時(shí)變頻器控制的真空泵開始運(yùn)轉(zhuǎn)抽真空，這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)真空室氣壓不斷減小，設(shè)置的變頻器頻率越大，機(jī)械泵轉(zhuǎn)速越快，抽真空速度越快，穩(wěn)定時(shí)真空室壓強(qiáng)就更低，壓強(qiáng)可以低至0．1Pa(該真空計(jì)測(cè)量下限值)；變頻器頻率在實(shí)驗(yàn)中限定在20．0～60．0Hz范圍內(nèi)；
(2)當(dāng)真空泵抽真空基本達(dá)到穩(wěn)定后，打開流量計(jì)電源，設(shè)置為自動(dòng)控制方式(即RS485命令控制)和閥控模式，然后可以設(shè)置工作氣體流量值(0～100sccm)，設(shè)置流量后會(huì)發(fā)現(xiàn)真空室里壓強(qiáng)會(huì)增加一些；
(3)當(dāng)真空室氣壓穩(wěn)定后打開直流高壓電源，設(shè)置為自動(dòng)控制方式(即通過DA輸出模擬電壓控制電源輸出功率)，設(shè)置DA輸出電壓(范圍0～500mV)，ADC采集的電壓與電流也會(huì)顯示出來(大約100ms刷新一次)；
操作中需要注意一點(diǎn)：在關(guān)掉設(shè)備時(shí)應(yīng)該先關(guān)直流高壓電源，再關(guān)變頻器。這是因?yàn)槿绻汝P(guān)變頻器，機(jī)械泵停止抽真空，真空室氣壓很快就恢復(fù)為大氣壓，這會(huì)導(dǎo)致直流高壓電源因?yàn)闅鈮禾蟛荒芊烹?，這相當(dāng)于直流高壓電源空載，此時(shí)高壓電源的輸出電壓會(huì)達(dá)到其最大值，這可能會(huì)損壞相關(guān)設(shè)備。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了這一點(diǎn)，即在關(guān)閉變頻器時(shí)先判斷直流高壓電源是否已關(guān)閉，若尚未關(guān)閉，則不關(guān)閉變頻器并且彈出提示對(duì)話框。
實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以安全、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性也滿足使用要求。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，可以考慮采用TDMA(時(shí)分多路復(fù)用訪問)的輪詢協(xié)議。