基于PC104的实时质谱仪真空监测系统

基于PC104的实时质谱仪真空监测系统
王文锦;严奉轩;李芳;凌大鹏;孙喜堂
【摘要】This paper presents a real-time vacuum monitoring system for mass spectrometer based on PC104.This system main-ly consists of high-speed analog signal acquisition,data filtering based on PIC32,and real-time anti-jamming communication tech-nology.A high-speed A/D converter was employed to acquire external physical quantities that are to be monitored.According to the characteristics of A/D signal's random disturbance,a moving average filter was used to reduce noise while giving consideration of the real-time request of the system.Afterwards,an error-resilient status transfer mechanism was proposed during communication with the upper computer to guarantee transmission reliability.Experimental results show that while possessing good real-time capability and low power consumption,the noise factors of the vacuum and temperature measuring data processed by our filtering algorithm are decreased by
58.4%and 60.2%respectively.Hence,the proposed system satisfies the requirements of real -time monitoring in harsh field condition.%文中提出了一种基于PC104的实时质谱仪真空监测系统。

该系统主要由高速模拟量采集、PIC32数据滤波处理、实时抗干扰通信机制3项关键技术组成。

高速A／D采集
芯片对需要监测的外界物理量进行A／D转换后，根据A／D信号随机误差的特点，并兼顾系统的实时性，采用滑动平均滤波算法进行降噪处理。

与上位机通信交互过程中，使用抵御通信差错的状态转移机制，保证传输的可靠性。

实验结果表明，该系统在具备良好实时性和低功耗的前提下，滤波处理后真空度和温度测量数据的噪
声指数分别降低了58．4％和60．2％，满足在恶劣现场环境中进行实时监测的
需求。

【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2015(000)012
【总页数】4页(P26-28,31)
【关键词】PC104;PIC32;质谱仪;信号监测
【作者】王文锦;严奉轩;李芳;凌大鹏;孙喜堂
【作者单位】中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北邯郸 056027;中国船
舶重工集团公司第七一八研究所，河北邯郸 056027;中国船舶重工集团公司第七
一八研究所，河北邯郸 056027;中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北邯
郸 056027;中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北邯郸 056027
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
随着现代科技的发展，质谱分析技术在现场环境监测、产品检测等许多科学研究和生产领域已发挥着十分重要的作用。

真空度、温度等物理量信号是质谱仪的重要性能参数，直接关系到质谱仪的使用寿命，影响质谱仪的检测水平和分析能力。

因此，有必要研制外界模拟量的采集与处理系统。

同时，由于仪器工作的现场环境较为恶劣，对监测系统的实时性、功耗、抗干扰能力和差错对抗机制也提出了严峻的挑战。

现阶段，国内的现场监测系统多采用工业控制计算机实现，其小型化、智能化测试设备的相关技术还有待进一步研究。

本文基于PC104架构搭建了小型化的实时质谱仪真空监测系统，以高速A/D转换芯片实现外界物理量信号的采集，以PIC32
处理器完成数据的封装拆包与后期处理，通过异步串口通信模块实现数据与上位机之间的通信，最终在上位机软件对各项外界物理量信号进行实时监测。

质谱仪实时监控系统不仅要具备高性能、高可靠性，而且还要结构灵活，扩展性高。

该系统采用PC104体系结构，由主控制板和外围电路扩展板构成。

其结构框图如图1所示。

PC104是嵌入式工控机的一种，使用堆叠的方式可以将多个PC104主板结合到一起，并通过螺栓固定，保证系统的牢固可靠，应对恶劣的使用环境。

它是与普通PC机100%兼容的层叠式嵌入式计算机，具有体积小、功耗低、扩展性高、功能
强大等特点，已经在航空航天、军用武器装备、工业控制等领域得到了广泛应用[1-3]。

PIC32MX是新型32位高性能系列单片机。

采用改进的哈佛架构、C编译器优化
的指令集，带5级流水线的MIPS 32位内核。

频率最高可达80 MHz，具有单周
期乘法单元和高性能除法单元。

具有指令集小、功耗低、速度快等优点。

本文采用PIC32MX360F512L单片机(以下简称PIC32)。

该真空监测系统的关键技术包括：高速模拟量采集、PIC32数据滤波处理、实时抗干扰通信机制。

下面具体介绍各部分的实现过程。

1.1 高速模拟量采集
该真空监测系统需要采集的物理量共有5路：2路真空度信号、1路温度信号、1
路流量计信号、1路离子泵电流信号。

为保证模拟量采集的速度和精度，该系统采用的A/D转换芯片是MCP3208。

这
是一款12位8输入通道的ADC转换器。

其重要特点是采样速度快(每秒可达100 K)；低功耗，工作电流400 μA，静态电流500 nA；小线性误差(±1LSB)。

MCP3208与PIC32连接的示意图如图2所示。

通信采用的是标准串行SPI方式。

当CS端由高电平变为低电平时，芯片的转换和数据传输被初始化。

DIN端输入的
第一位信号是单端/差动输入选择位，接下来DIN端输入的3位信号用于第0～7
输入通道的选择。

最终12位转换结果从最高位到最低位依次DOUT端输出。

下面以温度和真空度测量模块为例，介绍模拟量采集的具体过程。

1.1.1 温度测量模块
质谱仪中温度的测量电路是经典的电桥差分式电路，其原理如图3所示。

温度传
感器使用PT100，使用5 V供电，信号经过信号转接电路板的转接，进入控制MCP3208模拟数字转换模块，由PIC32和上位机共同监控温度。

在质谱仪中温度在-20～+50 ℃之间，在此区间内电压值是线性变化的。

A/D的采样值在温度T1时应该为AD1，在温度T2时应该为AD2。

由此计算出A/D采样
值和温度的对应公式
1.1.2 真空测量模块
真空规PKR251对真空腔中10-5 Pa量级的高真空环境使用冷阴极原理进行测量，其原理图如图4所示。

在PKR251特定的测量范围内(即5×10-7～105 Pa)，会输出与真空度成对数关系的电压信号。

真空度与电压的关系可以用更精确的公式来描述
式中：p为测得的真空度；U为测到的电压，正常值在1.82与8.6之间，小于
1.82大于0.5超限，小于9.5大于8.6超限，小于0.5或大于9.5错误；d为常数9.33。

1.2 PIC32数据滤波处理
在A/D进行数据采集时，会遇到数据的随机误差，随机误差是由随机干扰引起的，其特点是在相同条件下测量同一量时，其大小和符号会出现无规则的变化而无法预测，但多次测量的结果符合统计规律。

通过使用适当的数字滤波器，可以较好的拟合出有用信号，使噪声有较大的衰减以提高信号的信噪比(SNR)。

从滤波性能、实时性等方面综合考虑，本文选用滑动平均滤波算法[4]。

平均滤波器的抽样响应为
式中；fs为A/D采样频率；f为实际信号频率。

该滤波器的噪声减小比
NRR越小，信噪比越大。

滑动平均滤波算法只采样一次，将一次采样值和过去的若干次采样值一起求平均，得到的有效采样值即可投入使用。

如图5所示，把连续取N个采样值看成一个队列，队列长度固定为N,每次采样到一个新数据放入队尾，并扔掉原来队首的一个
数据(先进先出原则)，把队列中的N个数据进行算术平均值运算，就可获得新的滤波结果。

该算法可以保证系统的实时性，对周期性干扰有良好的抑制作用，且平滑度高。

1.3 实时抗干扰通信机制
PIC32通过异步串口通信模块与上位机进行数据交换。

下面以PIC32单片机接收
上位机指令帧为例，介绍该系统的抗差错通信机制。

PIC32单片机接收到的上位机控制指令帧格式为：帧头、数据正文、校验和、帧尾。

该指令帧每秒发送一次。

在传输过程中一旦出现异常，时序上即失去同步，通信过程中就会出现大量的误码，导致整个通信系统失效。

为此，本文提出了一种抵御通信差错的状态转移机制[5]。

图6给出了接收上位机指令的状态转移示意图，具体流程如下。

(1)系统默认处于空闲状态，当串口接收到数据后，跳转到帧头识别状态。

(2)如果帧头正确，跳转到数据接收状态；如果帧头错误，返回空闲状态。

(3)数据正文接收过程中，如有两次数据接收时间间隔过长的情况，返回默认的空
闲状态。

所有数据全部接收完成后，跳转到校验和判断状态。

(4)如果校验和正确，跳转到帧尾判断状态；如果错误返回空闲状态。

(5)如果帧尾正确，跳转到结束状态；如果错误返回空闲状态。

为确保通信的稳定性，两次数据接收的时间间隔超过设定值时，一律跳转到默认的
空闲状态。

在串口通信的过程中，当信道噪声或干扰造成差错时，以上通信机制可以有效避免差错扩散，以最快速度恢复发送和接收端的同步，保证了传输的可靠性。

为测试系统的实时性，使用示波器观测系统的外界物理量采集、数据滤波处理、与上位机数据交互整个流程的运行时间，每个运行周期大约是36 ms，满足实时性要求。

使用功率表测算系统的功耗，数据为5.2 W，具备低功耗的特性。

为验证系统的有效性，对滤波前后的真空度和温度测量数据进行了对比，对比结果如图7、图8所示。

评价指标采用噪声指数[6]，其定义为：
式中：N=(-1 2 -1) ；L为对应数据序列的长度。

从表1中的实验数据可以看出，滤波处理后，真空度和温度测量数据的噪声指数分别降低了58.4%和60.2%，证明了滤波算法的有效性。

本文提出了一种基于PIC32的实时质谱仪真空监测系统。

采用MCP3208高速
A/D转换芯片，保证模拟量采集的速度和精度。

根据A/D采集数据随机误差的特点，使用滑动平均滤波算法拟合出有用信号，在保证实时性的同时，对周期性干扰有良好的抑制作用。

抵御通信差错的状态转移机制可有效避免信道噪声或干扰造成的差错扩散，确保传输的可靠性。

实验结果表明，该系统的实时性高，功耗低，滤波后真空度和温度测量数据的噪声指数分别降低了58.4%和60.2%，满足在恶劣环境中进行真空系统实时监测的要求。

【相关文献】
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[3] 李正军，陈亮.基于PC104的CAN总线接口设计及其嵌入式应用.仪表技术与传感器，2008(7):57-59.
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