自1990年以來,，被業(yè)內(nèi)人士稱為“自動化儀表與控制系統(tǒng)的一次具有深遠(yuǎn)影響的重大變革”的現(xiàn)場總線技術(shù)，包括基于現(xiàn)場總線的工業(yè)過程智能自動化儀表和開放自動化系統(tǒng),，在國內(nèi)外引起人們廣泛的注意和高度重視,，成為世界范圍內(nèi)自動化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。
　　現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式,、雙向傳輸,、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。有通信就必須有協(xié)議,，從這個意義上講,，現(xiàn)場總線就是一個定義了硬件接口和通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)一步說,，現(xiàn)場總線不單單是一種通信技術(shù),，也不僅僅是用數(shù)字儀表代替模擬儀表，關(guān)鍵是用新一代的現(xiàn)場控制系統(tǒng)(FCS)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集散控制系統(tǒng)(DCS),，實(shí)現(xiàn)智能儀表,、通信網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)的集成?；谶@種總線的新一代控制系統(tǒng)被譽(yù)為第五代控制系統(tǒng),，即現(xiàn)場控制系統(tǒng)。現(xiàn)場控制系統(tǒng)是繼PLC(可編程邏輯控制器)和DCS之后最具生命力的控制系統(tǒng),?？梢哉f,，信號傳輸?shù)娜珨?shù)字化、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的全分散式,、現(xiàn)場設(shè)備的互操作性,、通信網(wǎng)絡(luò)的全互連性、技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的全開放性是現(xiàn)場控制系統(tǒng)最顯著的特征^[1],。
　　現(xiàn)有的幾個總線組織和大公司已經(jīng)推出了一些現(xiàn)場總線,，如WORLDFIP、CAN,、LONWORKS,、PROFIBUS、HART,、FF等，但它們將最終統(tǒng)一到一個標(biāo)準(zhǔn)之下是必然的,。FF有可能成為這個標(biāo)準(zhǔn),，而其他總線則可能成為這個標(biāo)準(zhǔn)的子集。
　　現(xiàn)場總線的節(jié)點(diǎn)是現(xiàn)場儀表或現(xiàn)場設(shè)備,，如傳感器,、變送器、執(zhí)行器等,，但它們不是傳統(tǒng)的單功能的現(xiàn)場儀表,，而是具有綜合功能的微機(jī)化儀表。現(xiàn)場儀表的研制和開發(fā)是下一世紀(jì)FCS的基礎(chǔ),、信息工業(yè)的源頭,，生產(chǎn)測量儀表的部門必然向現(xiàn)場總線靠攏。
　　CAN 最早由德國BOSCH公司推出,，其總線規(guī)范成為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO－DIS11519－1(用于低速通信)和ISO－DIS 11898^[2] (用于高速通信),，得到了Motorola、Intel,、Philips,、Siemens、NEC,、TI,、NI等公司的廣泛支持。CAN具有卓越的特性和極高的可靠性,，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連,，受到了工業(yè)及儀器、儀表領(lǐng)域的廣泛重視,，被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場設(shè)備總線之一,。目前使用該總線技術(shù)的中國用戶較多,，中國地區(qū)負(fù)責(zé)推廣該技術(shù)的部門有中國單片機(jī)公共實(shí)驗(yàn)室和北京三興達(dá)公司。
　　在真空測量領(lǐng)域,，用于超高真空測量的真空計(jì)主要有熱陰極電離超高真空計(jì)和冷陰極電離超高真空計(jì),，它們都是利用氣體分子電離的原理來測量真空度的一種儀器。真空計(jì)由測量規(guī)管(傳感器)和電氣測量電路(控制器)組成,。熱陰極電離規(guī)管由三個電極組成,，真空計(jì)通過控制器的控制電路單元對電極施加電壓、電流,，將非電量的氣體壓力轉(zhuǎn)換成電量－離子電流,，利用控制器的測量顯示單元給出測量結(jié)果。冷陰極電離真空計(jì)同熱陰極電離真空計(jì)一樣,，是利用低壓力下氣體分子的電離電流與壓力有關(guān)的特性,、用放電電流來測量真空度的一種儀器。兩者不同在于電離源,，熱陰極電離真空計(jì)是熱陰極發(fā)射電子,；而冷陰極電離真空計(jì)是靠冷發(fā)射產(chǎn)生少量的初始自由電子，它們在電場,、磁場的共同作用下最終形成自持氣體放電(一般稱為潘寧放電),。冷陰極電離超高真空規(guī)管沒有與壓力無關(guān)的本低光電流，沒有熱陰極,，不怕大氣沖擊,。目前用于超高真空測量的冷陰極電離規(guī)管是倒置磁控管式規(guī)管。
　　國內(nèi)品牌的冷陰極電離超高真空計(jì)主要是M014規(guī)管^[3]及控制器,，由于控制器的局限性,，測量范圍是1.1×10^－1Pa～3.1×10^－7Pa。國外品牌有美國HPS公司的Series 423 I－MAG規(guī)管及其控制器(測量范圍是1×10^－1Pa～4×10^－9Pa),、BALZERS公司的IKR 020及其控制器^[4](測量范圍是5×10^－1Pa～4×10^－8Pa),。目前基于M014規(guī)管的真空計(jì)的市場價格約5000元，價格低廉,、操作簡單,，但控制器的保護(hù)、報警功能很弱,，測量誤差較大,，另外測量范圍和通訊功能也有限。相比之下國外的真空計(jì)測量范圍寬,，保護(hù),、報警功能完善，并帶有RS485和RS232通訊接口,，多個真空計(jì)組網(wǎng)容易,。國外該種控制器價格在3500美元左右,，規(guī)管價格約500美元。
　　從以上討論可以看出,，我國在超高真空測量領(lǐng)域,，尤其在10^－8Pa以上，沒有定型,、功能完善且符合當(dāng)前數(shù)字世界潮流的現(xiàn)場儀表,。1998年我們利用先進(jìn)的電子設(shè)計(jì)工具和仿真技術(shù)，研制和開發(fā)了三款,、兩種類型的超高真空計(jì),，它們均帶有符合CAN協(xié)議的現(xiàn)場總線接口、RS485接口,、RS232接口以及用于聯(lián)鎖保護(hù)快速響應(yīng)的接口,。這里我們著重介紹基于CAN總線的冷陰極電離超高真空計(jì)的解決方案。
1 系統(tǒng)組成和工作原理
　　圖1是智能超高真空冷陰極電離真空計(jì)的示意圖,。該真空計(jì)由冷陰極電離規(guī)管(傳感器)和控制器組成,。真空計(jì)的控制器分為三部分：高壓電源單元、程控放電電流放大器和微控制器單元,。冷陰極電離規(guī)管內(nèi)有兩個電極：陽極和陰極。對IKR020和M014規(guī)管來說,，陽極電位為3300V,，陰極電位為0V(均相對地)?？刂破鞯闹饕δ苁翘峁┓€(wěn)定的高壓并精確地測定放電電流,。此放電電流與壓力的關(guān)系為：I＝K×Pn，式中I為放電電流,、K為常數(shù),、P為真空壓強(qiáng)、n為常數(shù)(通常在1～2之間,，與規(guī)管結(jié)構(gòu)有關(guān)),。顯然只要精確測定放電電流I，由此公式即可得到真空度P,。

　　下面進(jìn)行具體的介紹,。
1.1高壓電源單元
　　圖2是控制器的高壓電源單元原理圖，采用我們?yōu)槲⑼ǖ腊搴凸怆姳对龉茉O(shè)計(jì)的高精度高壓電源模塊,。這是一個典型的高壓回掃變換器,。當(dāng)U1輸出脈沖信號時，功率場效應(yīng)管Q1處于開關(guān)狀態(tài),。由于開關(guān)速度很高,，以及變壓器T1初級線圈電感的存在,，所以dv/dt的結(jié)果會產(chǎn)生很高的過沖電壓，這個高的過沖電壓在脈沖的下降沿產(chǎn)生,。經(jīng)過變壓器的耦合,，在變壓器的次級產(chǎn)生更高的電壓，并通過二極管D1對C1充電,。在脈沖頻率足夠高時,，就可以產(chǎn)生穩(wěn)定的高壓輸出。U1輸出的脈沖開關(guān)頻率為20kHz,，開關(guān)占空比恒定為1,。電源的穩(wěn)壓控制是通過一個由OP1、OP2構(gòu)成的線性調(diào)壓器組成的閉環(huán)回路執(zhí)行的,。當(dāng)輸出高壓大于設(shè)定值時,，則流過R2的電流增加，經(jīng)過OP1,、OP2組成的反饋回路后,，將減小變壓器T1初級線圈的輸入電壓，從而減小過沖電壓,，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)壓的目的,。如果輸出高壓小于設(shè)定值，上述過程將相反,，增大了變壓器T1初級線圈的輸入電壓,。該高壓單元最大可提供1000μA的電流。高壓輸出端有一個4MΩ的限流電阻R1,，用于在系統(tǒng)真空度較差時保護(hù)高壓電極,。另外該高壓單元的地線必須與控制器及規(guī)管的外殼地隔離。

　　上述討論均是針對正高壓輸出進(jìn)行的,，為了獲得本實(shí)驗(yàn)需要的負(fù)高壓輸出,，必須將D1方向?qū)φ{(diào)，另外還需要將線性調(diào)壓器的輸出端與功率場效應(yīng)管Q1的漏極2對調(diào),，這主要是由于T1初次級線圈的過沖電壓是非對稱的,。通過OP2對高壓輸出設(shè)定，即可獲得所需要的負(fù)高壓,。
1.2 程控離子流放大器
　　由于真空度P和離子流Iion的對數(shù)呈線性關(guān)系,，因此在早期的設(shè)計(jì)中，通常采用離子流對數(shù)放大器,。放大器輸出的電壓信號可直接驅(qū)動一個指針式電壓表,，顯示真空度。文獻(xiàn)^[5]告訴我們,，采用分立元件設(shè)計(jì)對數(shù)放大器是困難的,，難以精確測量1000pA以下的離子流(對應(yīng)的真空度為1.0×10^－7Pa),。典型的對數(shù)放大器有BB公司的LOG100，價格不菲,。目前國內(nèi)大多真空計(jì)廠家仍采用的方案為：對數(shù)放大器采用分立元件設(shè)計(jì),，用數(shù)字電壓表代替指針式電壓表。測量精度和可靠性在10^－7Pa量程非常有限,。
　　目前半導(dǎo)體工業(yè)迅速發(fā)展,，大量新型高速微處理器涌現(xiàn)，加上C編程語言的引入,，使對數(shù)轉(zhuǎn)換完全可在CPU內(nèi)進(jìn)行,。圖3是我們的程控離子流放大器原理示意圖，規(guī)管的放電離子流采用底端測量方式,。該離子流首先由規(guī)管外殼收集,，然后經(jīng)規(guī)管外殼和控制器組成的測量地，再通過R9流回高壓電源單元,。由于離子流的變化跨度很大(約7個量級),，為了獲得高的測量精度，必須進(jìn)行量程切換,。進(jìn)行量程切換的最好辦法是使用目前流行的可程控模擬開關(guān)集成電路——超低泄漏模擬開關(guān)U2,，由于它體積小、開關(guān)無觸點(diǎn),，可有效增加系統(tǒng)的可靠性,。程控離子流放大器的另一個核心部件為超低偏置電流的單片運(yùn)算放大器U3。使用這兩個芯片,，可精確測量超高真空時極弱的離子流,，例如小于1pA的離子流,。本單元的電路板布線和屏蔽是非常重要的,，必須嚴(yán)格按照運(yùn)算放大器應(yīng)用手冊實(shí)施。放大后的電壓信號最后接至微處理器單元的V/F轉(zhuǎn)換器AD650,，然后由微處理器分析,、處理，并獲得需要的結(jié)果,。如不考慮規(guī)管因素,，我們的設(shè)計(jì)可以工作在10^－10Pa量級，此時的離子流約在10^－12安培量級(1pA),。由于規(guī)管本身的條件限制,，目前該設(shè)計(jì)的離子流測量范圍是100pA～700μA，對應(yīng)真空度為1×10^－2Pa～1.3×10^－8Pa,。

　　另外該單元電壓輸出經(jīng)比較隔離后有一個快速輸出,，用于需要快速報警的場合(例如真空系統(tǒng)沖入大氣),。用IKR020規(guī)管測試，響應(yīng)時間在500μs～1500μs之間,。
1.3 微控制器單元
　　微控制器單元由六個部分組成,，如圖1所示。
　　·模數(shù)轉(zhuǎn)換：由專用V/F轉(zhuǎn)換器和計(jì)數(shù)器8253擔(dān)任,。V/F轉(zhuǎn)換器將離子流放大器輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為頻率后,，由8253記數(shù)，再送給CPU計(jì)算,，轉(zhuǎn)化為真空度,。在量程范圍內(nèi)，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度為15位,，最后的采樣和顯示頻率為10Hz,。
　　·微處理器：由80C32擔(dān)任。
　　·報警閾值設(shè)定：由一片帶有EEPROM的監(jiān)控芯片X25045擔(dān)任,。內(nèi)置的1024字節(jié)RAM可用于真空報警閾值上下限的設(shè)置以及一些系統(tǒng)關(guān)鍵配置數(shù)據(jù)的存儲(例如真空計(jì)標(biāo)識),。報警輸出采用20mA電流環(huán)，便于光隔離和抗干擾,。報警反應(yīng)時間小于150ms,，滿足對除快閥以外的一般閥門的控制。報警包括：當(dāng)前真空度超過設(shè)定閾值,、真空度突然發(fā)生量級變化等,。報警時將關(guān)斷高壓電源。
　　·鍵盤/顯示：由一片8155管理六只鍵盤和6位高亮度數(shù)碼管,。鍵盤功能包括開關(guān)高壓,、報警閾值設(shè)定等功能。顯示包括真空度和報警等,。
　　·通訊接口：支持RS232C,、RS485和現(xiàn)場總線CAN協(xié)議。RS232C接口芯片采用MAX202E,，RS485接口芯片采用SN75LBC185,，CAN接口芯片采用Philips公司的SJA1000通訊控制器和82C250總線收發(fā)器。
　　目前本文介紹的冷陰極電離規(guī)控制器GH080適用于BALZERS公司的IKR 020規(guī)管和國產(chǎn)M014型規(guī)管,。圖4為在本實(shí)驗(yàn)室按照ISO/DIS3568國際標(biāo)準(zhǔn)建造的比對系統(tǒng)上的比對結(jié)果,。圖中的橫坐標(biāo)為BALZERS公司的IMG040型真空計(jì)的測量值，相當(dāng)于二次標(biāo)準(zhǔn),。圖中的GH070為熱陰極電離真空計(jì),，線性好，在超高真空下表現(xiàn)優(yōu)良，而GH080在超高真空下則有飽和的趨勢,，差別在于使用不同的規(guī)管,。冷陰極電離規(guī)控制器使用的規(guī)管通常是以外殼為離子流的收集極，另外還有高壓以及空氣濕度的存在,，電子設(shè)計(jì)中有難以克服的漏電流,。如果IKR020采用HPS公司的Series 423 I－MAG規(guī)管結(jié)構(gòu)(增加一個輔助陰極)，我們的設(shè)計(jì)可以很容易進(jìn)入10^－9Pa量級,。如果不考慮規(guī)管因素,，我們的設(shè)計(jì)可以工作在10^－10Pa量級，此時的離子流約在10^－12安培量級,。目前該控制器使用IKR020規(guī)管的量程范圍是1×10^－2Pa～1.3×10^－8Pa,，其量程上限已達(dá)到國內(nèi)外同類控制器的最好水平。