*

(1.大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院，大連 116028；2.大連依利特分析儀器有限公司，大連 116023)

1 引言

氘燈作為一種理想的紫外光源在高效液相色譜儀、紫外分光光度計(jì)、膠片厚度測量儀等分析儀器中廣泛應(yīng)用[1]。隨著國內(nèi)外高端分析儀器的發(fā)展，不僅對分析儀器的穩(wěn)定性及使用壽命提出了要求，也提出了分析儀器智能化的發(fā)展理念[2]。例如，通過上位機(jī)軟件控制檢測器的各種功能、監(jiān)測檢測器的參數(shù)及性能指標(biāo)。氘燈電源作為紫外檢測器的核心部件，也應(yīng)該考慮智能化發(fā)展。目前，德國Heraeus生產(chǎn)的PSD186型氘燈電源[3]，其預(yù)熱電壓可調(diào)，能點(diǎn)亮所有功率為30 W的氘燈；日本HAMAMATSU生產(chǎn)的C9598型氘燈電源[4]，使用了精密的恒流電路，具有高穩(wěn)定性，外部控制及結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)；國內(nèi)田俊杰采用基于場效應(yīng)管的數(shù)控恒流源方案，使輸出電流保持穩(wěn)定[5]；徐丹陽等人使用了L6561功率因數(shù)校準(zhǔn)電路和UC3843穩(wěn)壓電路，改善了傳統(tǒng)電路功率因數(shù)低、電流諧波大的問題[6]；天津拓普儀器有限公司發(fā)明的高精度恒流氘燈電源，使用采樣器對電流采樣進(jìn)行反饋控制，以提高電流穩(wěn)定性[7]。

本研究設(shè)計(jì)了一種基于STM32的智能氘燈電源，可與上位機(jī)進(jìn)行通信，接收上位機(jī)發(fā)送來的氘燈發(fā)光強(qiáng)度數(shù)據(jù)，根據(jù)氘燈發(fā)光強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)電流檔位大小，讓氘燈能量保持在一個(gè)相對固定的水平。除了自動(dòng)調(diào)節(jié)電流檔位，也可以開啟手動(dòng)調(diào)節(jié)模式，人為的調(diào)節(jié)電流檔位大小，滿足不同場合對氘燈能量的需求，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的氘燈電源系統(tǒng)適用于點(diǎn)亮預(yù)熱電壓/電流為2.5 V/4 A的氘燈[8]。系統(tǒng)主要包括：MCU主控模塊、電源模塊、預(yù)熱電路模塊、高壓啟輝模塊、電流檔位調(diào)節(jié)模塊、外部通信模塊等[9]。系統(tǒng)的輸入電壓為220 V市電，為了滿足各部分電路需求電壓的不同，通過AD～DC電源模塊將電壓220 V轉(zhuǎn)換為30 V，進(jìn)一步采用3個(gè)LM2596將30 V電壓分別轉(zhuǎn)化為12 V、6 V、3.3 V電壓[10]，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2.1 MCU主控模塊設(shè)計(jì)

采用STM32F103C8T6作為智能氘燈電源控制模塊的核心，程序上使用STM32特有的固件庫開發(fā)，不必接觸底層寄存器，縮短了開發(fā)周期，降低了編程難度。STM32主要負(fù)責(zé)控制氘燈電源各模塊的啟動(dòng)順序、定時(shí)器中斷、外部通信；處理上位機(jī)發(fā)送來的發(fā)光強(qiáng)度數(shù)據(jù)以及記錄開燈次數(shù)、開燈時(shí)間等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)時(shí)鐘源采用有源晶振，提高了系統(tǒng)程序運(yùn)行的準(zhǔn)確性和安全性，避免了控制系統(tǒng)因?yàn)閺?fù)雜的電磁環(huán)境影響了時(shí)鐘的準(zhǔn)確性[11]。圖2為設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)原理圖。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖2 最小系統(tǒng)原理圖

2.2 電流檔位調(diào)節(jié)模塊設(shè)計(jì)

電流檔位調(diào)節(jié)模塊分為恒流和控制兩個(gè)部分電路組成，恒流電路主要采用LM317三端可調(diào)穩(wěn)壓芯片，將兩個(gè)LM317T串聯(lián)組成跟蹤與調(diào)節(jié)器電路，使得第二個(gè)LM317輸出恒定的電壓，再使用高精度電阻將恒定電壓轉(zhuǎn)換成電流供氘燈陽極使用[12]。為了減小波紋電壓，在電路中加入濾波電容。同時(shí)在穩(wěn)壓器的輸入端和輸出端之間跨接一個(gè)二極管，防止在輸出短路時(shí)，電容向穩(wěn)壓器調(diào)整端放電，調(diào)整管發(fā)射結(jié)反偏，損壞穩(wěn)壓器。控制部分主要分為三檔可調(diào)，選取兩個(gè)NPN型晶體三極管組成開關(guān)電路，通過STM32輸出高低電平控制三極管的開關(guān)，從而控制兩個(gè)繼電器吸合，完成電流檔位的調(diào)節(jié)。其硬件電路圖如圖3所示。

圖3 電流檔位調(diào)節(jié)電路圖

根據(jù)氘燈使用說明可知[13]，氘燈運(yùn)行時(shí)的電流應(yīng)在300±20 mA之內(nèi)，因此取兩個(gè)繼電器都不吸合輸出電流為280 mA，只吸合一個(gè)繼電器輸出電流為300 mA，兩個(gè)繼電器都吸合輸出電流為320 mA。根據(jù)LM317的計(jì)算公式(1)和(2)可計(jì)算出限流電阻R1，R2，R3阻值的大小，其中Vref為LM317的參考電壓，其固定值為1.25 V。

Vout =Vref (1+Ra/Rb)+ (Iadj×Rb)

(1)

Iout=Vref/Rs

(2)

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與流程設(shè)計(jì)

STM32微控制器采用C語言編程，完成硬件和數(shù)據(jù)初始化功能，由微控制單元控制時(shí)序電路讓預(yù)熱電路對氘燈陰極燈絲進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的燈絲預(yù)熱時(shí)間，高壓啟輝電路作用在氘燈的陽極陰極之間，使燈擊穿啟輝并進(jìn)入弧光放電后，恒流電路開始持續(xù)給氘燈陽極提供穩(wěn)定電能[14]。EEPROM用來存儲(chǔ)電路相關(guān)參數(shù)，初始化成功后進(jìn)入標(biāo)志位循環(huán)掃描狀態(tài)，系統(tǒng)每隔30min就會(huì)接收上位機(jī)發(fā)送來的光強(qiáng)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在EEPROM中，單片機(jī)通過IIC 總線讀取上一次儲(chǔ)存在EEPROM中的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行處理判斷，從而自動(dòng)根據(jù)光強(qiáng)調(diào)整電流檔位，軟件程序流程圖如圖4所示。

3.2 STM32與上位機(jī)的通信協(xié)議設(shè)計(jì)

STM32采用串口傳輸數(shù)據(jù)方式與上位機(jī)通信，氘燈電源從上位機(jī)獲取光強(qiáng)數(shù)據(jù)格式如表1所示。

表1 氘燈電源獲取光強(qiáng)數(shù)據(jù)通信協(xié)議格式

表中均為十六進(jìn)制數(shù)，55表示數(shù)據(jù)幀的包頭用來識別一個(gè)數(shù)據(jù)幀的開始，00 09為光強(qiáng)的數(shù)據(jù)位數(shù)，aa為目標(biāo)地址，01表示獲取光強(qiáng)數(shù)據(jù)，01為發(fā)光強(qiáng)度值存儲(chǔ)的起始地址，af為一組數(shù)據(jù)幀的包尾，從數(shù)據(jù)長度開始結(jié)算累加、異或校驗(yàn)和，到數(shù)據(jù)的最后一位結(jié)束，用于標(biāo)識一幀的結(jié)束。發(fā)送上述命令用來獲取氘燈發(fā)光強(qiáng)數(shù)據(jù)，當(dāng)上位機(jī)收到這條命令時(shí)，會(huì)采集氘燈發(fā)光強(qiáng)度的數(shù)據(jù)并向氘燈電源做出回應(yīng)，應(yīng)答數(shù)據(jù)格式如表2所示。

圖4 軟件流程圖

包頭數(shù)據(jù)長度目標(biāo)地址功能碼數(shù)據(jù)包尾5500 09010200 05 38 31d7

表中均為十六進(jìn)制數(shù)，55表示數(shù)據(jù)幀的包頭用來識別一個(gè)數(shù)據(jù)幀的開始，00 09為光強(qiáng)的數(shù)據(jù)位數(shù)，01為氘燈電源板，02表示發(fā)送光強(qiáng)數(shù)據(jù)，0X00053831的十進(jìn)制數(shù)為342065，此命令發(fā)送氘燈發(fā)光強(qiáng)數(shù)據(jù)給氘燈電源，氘燈電源接收到數(shù)據(jù)后，可以判斷數(shù)據(jù)包的完整性，正確性，然后提取數(shù)據(jù)，存放在EEPROM中用于主程序處理[15]。

4 系統(tǒng)測試及分析

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

驗(yàn)證智能氘燈電源基本性能指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖5所示。使用基本直流精度為0.0035 %的多功能數(shù)字萬用表用連接氘燈，用于實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。PC機(jī)使用RS232通信線與萬用表連接，用于顯示采集來的數(shù)據(jù)。智能氘燈電源輸出端接入氘燈引線，用于點(diǎn)亮氘燈。D5101紫外檢測器的控制板與智能氘燈電源使用串口通信，用于向氘燈電源板發(fā)送光強(qiáng)數(shù)據(jù)。

圖5 氘燈電源實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖

4.2 基礎(chǔ)參數(shù)測試

對設(shè)計(jì)的氘燈電源陽極電壓、預(yù)熱電壓以及啟輝電壓等參數(shù)進(jìn)行測試，驗(yàn)證其是否滿足氘燈電源的基本要求，實(shí)驗(yàn)過程如下。

(1) 氘燈陽極電流測試

將萬用表調(diào)節(jié)至直流電流檔位串聯(lián)在氘燈陽極與氘燈電源之間。在開機(jī)約20 s繼電器有動(dòng)作后，測試并記錄，得到氘燈陽極電流波形如圖6(a)所示。經(jīng)過計(jì)算其電流波動(dòng)為：0.05 %，漂移為：±0.06 %/h。

(2) 氘燈陽極電壓測試

用萬用表直流電壓檔位，黑色表筆接在接線端子的“地”端，紅表筆接在接線端子的陽極端，在開機(jī)約20 s繼電器有動(dòng)作后，測試并記錄。得到氘燈電源陽極電壓波形圖，如圖6(b)所示。氘燈陽極電壓在開機(jī)前20 s為122.54 V，20 s后氘燈點(diǎn)亮陽極電壓變?yōu)?0 V，滿足設(shè)計(jì)要求。

(3) 氘燈陰極電壓測試

用萬用表直流電壓檔位，黑色表筆接在接線端子的“地”端，紅表筆接在接線端子的陰極端，測試并記錄。得到氘燈電源陰極電壓波形圖，如圖6(c)所示。氘燈陰極電壓在氘燈點(diǎn)亮前的20 s預(yù)熱時(shí)間內(nèi)的實(shí)測電壓值為2.32 V，點(diǎn)燈后維持電壓實(shí)測值在0.93 V左右，可以正常點(diǎn)亮氘燈。

(4) 氘燈啟輝電壓測試

將數(shù)字萬用表調(diào)節(jié)至1000 V直流電壓檔位，黑色表筆接在接線端子的“地”端，紅表筆接在接線端子的陽極端，測試并記錄。得到氘燈電源啟輝電壓波形圖，如圖6(d)所示，啟輝電壓達(dá)到392 V，滿足氘燈啟輝要求。

圖6 基礎(chǔ)參數(shù)測試(a).氘燈陽極電流；(b)氘燈陽極電壓 ；(c)氘燈陰極電壓 ；(d)氘燈啟輝電壓

4.3 檔位反饋調(diào)節(jié)測試

為了測試氘燈電源能否自動(dòng)調(diào)節(jié)電流檔位，首先開啟調(diào)節(jié)模式，使用新、中、舊3個(gè)使用時(shí)間不同的氘燈，分別連入D5101紫外檢測器的智能氘燈電源上，并將數(shù)字萬用表調(diào)節(jié)至電流檔位與氘燈電源串聯(lián)。開機(jī)點(diǎn)燈等待D5101紫外檢測器自檢通過，在PC端打開數(shù)據(jù)采集工具，觀察并記錄不同氘燈對應(yīng)的電流檔位以及氘燈的發(fā)光強(qiáng)度大小。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 反饋調(diào)節(jié)測試結(jié)果

*測量的發(fā)光強(qiáng)度數(shù)值大小是氘燈電源的轉(zhuǎn)換值，并非標(biāo)準(zhǔn)發(fā)光強(qiáng)度計(jì)量單位。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，相比于普通氘燈電源，智能氘燈電源可以自動(dòng)調(diào)整電流檔位，控制氘燈能量保持在一個(gè)相對固定的水平。新燈接入智能氘燈電源，電流檔位自動(dòng)調(diào)整至低檔，氘燈發(fā)光強(qiáng)度降低，降低后的光強(qiáng)既滿足實(shí)驗(yàn)需求又減少了氘燈能量不必要的浪費(fèi)。舊燈接入氘燈電源，電流檔位自動(dòng)調(diào)整至高檔，發(fā)光強(qiáng)度升高，光強(qiáng)的升高既降低了分析系統(tǒng)的信噪比，又延長了氘燈的使用壽命[16]。自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)功能不僅提高了儀器的整體性能，又減少多余能量的浪費(fèi)，符合了現(xiàn)代科學(xué)儀器智能化、綠色化的發(fā)展要求，是未來科學(xué)儀器的發(fā)展方向。

5 結(jié)論

經(jīng)過原理圖和PCB 設(shè)計(jì)、焊接制板、硬件測試、模塊程序編寫、模塊程序功能測試，最后通過反復(fù)的調(diào)試，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)氘燈的正常點(diǎn)亮，以及根據(jù)光強(qiáng)能量去自動(dòng)調(diào)節(jié)氘燈電源電流檔位，其電流波動(dòng)為：0.05 %，漂移為：±0.06 %/h。對于發(fā)展智能電源具有一定的參考價(jià)值。

[1] 劉金元，薛鳳儀.紫外和真空紫外光譜輻射標(biāo)準(zhǔn)燈-氘燈[J].計(jì)量技術(shù)，2002,(3):19-21.

[2] 李昌厚.現(xiàn)代科學(xué)儀器發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢[J].分析儀器，2014,(1):119-122.

[3] Heraeus.PowerSuppliesfor Deuterium Lamps[EB/OL].https://apps.heraeus.com/Power_Supplies_EN/power_supplies_en_epaper.html#p=6.

[4] Hamamatsu.C9598_TLSO:1051E04 [EB/OL].[2011-07].http://www.hamamatsu.com.cn/UserFiles/DownFile/Product/C9598_M9596_TLSO1051E04.

[5] 田俊杰，董威等.基于場效應(yīng)管的數(shù)控恒流源設(shè)計(jì)[J].中國測試，2009,35(1):118-121.

[6] 徐丹陽，陳婉婉等.寬光譜光源的功率因數(shù)校準(zhǔn)及穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2017,37(1):19-22.

[7] 天津市拓普儀器有限公司.高穩(wěn)定度恒流電源[P].CN:106376162，2017.02.01.

[8] 楊嘯濤.長壽命氘燈的特性及其使用[J].中國無機(jī)分析化學(xué)，2011,1(1):83-88.

[9] 蔣曉波，楊嘯濤，劉木清.氘燈啟動(dòng)對于電流的要求[J].中國照明電器，2009,(11):1-4.

[10] 潘傳勇，于國臣等.基于LM2596的不間斷直流電源設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013,36(17): 107-109.

[11] 王永虹，徐偉.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實(shí)踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008：18-21.

[12] TI.LM317 3-Terminal Adjustable Regulator:SLVS044X[EB/OL].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/lm317.pdf.

[13] Hamamatsu.L2D2_TLS:1006E01[EB/OL].[2011-07].http://www.hamamatsu.com.cn/UserFiles/DownFile/Product/L2D2_TLS%201006E01.pdf.

[14] 杜海龍，馬海濤.基于單片機(jī)的氘燈電源系統(tǒng)[J].電源技術(shù)，2009,25(3):131-132.

[15] 曾增烽，劉浩等.基于51單片機(jī)的串行通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)[J].硅谷，2009,(13):21-22.

[16] 李昌厚.氘燈質(zhì)量評價(jià)方法與探討[J].分析儀器，2009,(4):76-78.