李泰國，郭美如，趙以德，王亮，肖玉華

(蘭州空間技術物理研究所，真空低溫技術與物理重點實驗室，甘肅蘭州730000)

1 引言

小型磁偏轉質譜計主要用于移動設備上或航天器上進行氣體成分的定量分析。質譜計主要由物理部分，電控單元(下位機)，高壓電源和質譜計上位機軟件等組成［1］。質譜計上位機軟件通過CAN總線［2］對質譜計的電控單元進行掃描控制，同時對數(shù)據(jù)信號進行采集、分析、處理和保存。質譜計下位機采用TI公司生產(chǎn)的32位浮點型高性能的DSP數(shù)字信號處理芯片作為主控芯片，與上位機軟件通訊［3］采用雙通道CAN總線，完成啟動指令、質譜計試驗數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)輪詢指令的接收以及試驗數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)輸出等功能。質譜計數(shù)據(jù)采集原理如圖1所示。

2 小型磁偏轉質譜計上位機軟件的設計

2.1 質譜計上位機軟件系統(tǒng)架構與工作流程

上位機軟件開始運行后，首先進行初始化設置。包括CAN總線協(xié)議幀格式設置、波特率設置、CAN報文濾波設置以及工作模式設置等。

圖1 質譜計數(shù)據(jù)采集原理框圖

在初始化設置完成后，上位機等待操作人員發(fā)送開機指令。下位機接收到上位機發(fā)送的間接指令，按照預先設置的流程開始工作。包括創(chuàng)建保存數(shù)據(jù)的文本文檔、執(zhí)行2秒一次的狀態(tài)數(shù)據(jù)輪詢以及1秒一次的試驗數(shù)據(jù)輪詢、將輪詢到的原始數(shù)據(jù)保存到文本文檔中。在程序運行到預設的時間后自動退出主線程，等待操作人員發(fā)送關機指令。

上位機軟件中集成了對原始數(shù)據(jù)處理模塊。通過文件對話框打開上位機采集的數(shù)據(jù)，采用約定的數(shù)據(jù)格式對數(shù)據(jù)進行解析，獲得狀態(tài)數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)并保存到相應的文本文檔中。質譜計上位機軟件工作流程圖，如圖2所示。

圖2 質譜計上位機軟件工作流程圖

2.2 質譜計上位機與下位機通信協(xié)議

小型磁偏轉質譜計上位機與下位機通信采用標準CAN總線。下位機控制器為SJA1000，接口芯片為PCA82C250。上位機通過周立功USBCAN－II接口卡與下位機通信。周立功CAN接口卡有針對于VC++編程環(huán)境的DLL(動態(tài)鏈接庫)，在上位機軟件實現(xiàn)過程中直接調用DLL的函數(shù)可以縮短軟件的研制周期。CAN總線物理層協(xié)議和邏輯鏈路層協(xié)議符合CAN技術規(guī)范2.0A要求。應用層協(xié)議設計過程中考慮格式的檢測、容錯能力，以保證系統(tǒng)安全可靠，一個通信節(jié)點的時效不影響其他通信節(jié)點的通信。上位機軟件中初始化CAN接口卡與安全關閉CAN接口卡的流程圖如圖3所示。

質譜計在通信過程中，首先由上位機通過CAN總線向下位機發(fā)送開機指令，下位機收到開機指令后開始工作。在工作過程中，上位機每1S通過CAN總線向下位機進行一次狀態(tài)數(shù)據(jù)輪詢，每2S進行一次試驗數(shù)據(jù)輪詢。下位機在收到輪詢指令后通過CAN總線向上位機發(fā)送相應數(shù)據(jù)，上位機在接收到數(shù)據(jù)后按原始格式保存在文本文檔中。質譜計通過CAN總線發(fā)送指令與接收數(shù)據(jù)的流程如圖4所示。

3 基于VC++的小型磁偏轉質譜計上位機軟件的實現(xiàn)

3.1 上位機軟件運行參數(shù)設置

小型磁偏轉質譜計上位機軟件參數(shù)設置包括:CAN通道選擇，驗證碼、屏蔽碼、濾波方式設置，模式選擇，發(fā)送方式選擇，幀類型以及幀模式設置。參數(shù)設置界面如圖5所示。

3.2 上位機軟件數(shù)據(jù)存儲與解析

質譜計上位機軟件通過CAN接口卡接收下位機上傳的4幀每包的狀態(tài)數(shù)據(jù)以及30幀每包的試驗數(shù)據(jù)，上位機軟件將按順序接收到的數(shù)據(jù)以原始格式實時的保存到TXT文檔中。

在數(shù)據(jù)采集完成后，可通過上位機軟件的數(shù)據(jù)處理頁面解析采集的數(shù)據(jù)。由于原始數(shù)據(jù)中包含了狀態(tài)數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)兩種類型的數(shù)據(jù)，所以在數(shù)據(jù)解析過程中，分別依據(jù)狀態(tài)數(shù)據(jù)以及試驗數(shù)約定格式進行解析數(shù)據(jù)，將解析后的數(shù)據(jù)分別保存在兩個文件中。其中，解析后的狀態(tài)數(shù)據(jù)格式如圖6所示:

圖3 初始化與安全關閉CAN接口卡流程圖

圖4 上位機和下位機握手數(shù)據(jù)流程圖

圖5 上位機參數(shù)設置界面

圖6 解析后的狀態(tài)數(shù)據(jù)格式

3.3 上位機軟件運行界面

質譜計上位機軟件開機運行界面如下圖所示。

圖7 質譜計上位機軟件運行界面

4 結論

利用CAN總線通信功能實現(xiàn)與下位機通信，設計了小型磁偏轉質譜計上位機軟件，實現(xiàn)了對質譜下位機軟件的控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)保存和解析。該上位機軟件具有如下特性:

(1)通過計算機控制來實現(xiàn)掃描電壓連續(xù)可調;(2)通過上位機實現(xiàn)對下位機的參數(shù)設置;(3)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信號的采集、存儲和解析。

利用USBCAN－2A開發(fā)的接口，通過VC++與下位機進行CAN通信?？s短了編制軟件的周期，提高了數(shù)據(jù)測量的穩(wěn)定性，優(yōu)化了現(xiàn)有系統(tǒng)，使工作效率大為提高。

［1］郭紅運，李得天，郭美如，等.基于LabVIEW的小型磁偏轉質譜計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計.中國儀器儀表學會，2010.

［2］饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場總線CAN原理與應用技術.－北京:北京航空航天大學出版社，2003.6.

［3］周旭，李小敏，俞承芳.基于ARM的集散系統(tǒng)上位機設計［J］.儀器儀表學報，2006 27(z1).

［4］郭美如，李得天，肖玉華.小型磁偏轉質譜計磁場的分析計算［J］.真空與低溫，2010.

［5］孫鑫，余安萍.VC++深入詳解.電子工業(yè)出版社，2006，6.

［6］Detian Li，Meiru Guo，Yuhua Xiao.Development of a miniature magnetic sector mass spectrometer［J］.Vacuum 85(2011)1170－1173.