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)?，F(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主要有熱陰極電離超高真空計和冷陰極電離超高真空計，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。冷陰極電離真空計同熱陰極電離真空計一樣，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，熱陰極電離真空計是熱陰極發(fā)射電子；而冷陰極電離真空計是靠冷發(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，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的示意圖。該真空計由冷陰極電離規(guī)管(傳感器)和控制器組成。真空計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)大多真空計廠家仍采用的方案為：對數(shù)放大器采用分立元件設(shè)計，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，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。