馬騰

（中核陜西鈾濃縮有限公司，陜西 漢中723000）

1 測(cè)控電路

МИ-1201 質(zhì)譜儀的電路分為模擬和數(shù)字兩大部分，儀器的控制、數(shù)據(jù)的采集均由計(jì)算機(jī)通過數(shù)字電路傳遞信息對(duì)模擬電路實(shí)現(xiàn)控制，數(shù)字電路負(fù)責(zé)把質(zhì)譜信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)供計(jì)算機(jī)分析、處理，并將計(jì)算機(jī)發(fā)出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變成模擬信號(hào)去控制質(zhì)譜計(jì)的工作，因此數(shù)字電路是儀器運(yùn)行的技術(shù)關(guān)鍵[1]。

1.1 數(shù)字電路

AK2 離子源通道控制器是計(jì)算機(jī)控制和采集高壓穩(wěn)定器單元（A50）和離子源供電單元（A45）的接口。AK3 控制臺(tái)控制器主要功能是控制質(zhì)譜計(jì)的進(jìn)樣電磁閥，接通高壓穩(wěn)定器單元（A50）和離子源供電單元（A45）供電。AK5 電壓控制器主要功能是將質(zhì)譜計(jì)的各檢測(cè)點(diǎn)的電信號(hào)切換到與數(shù)字電壓表配套的控制臺(tái)A62 的輸入端；并且將測(cè)量結(jié)果傳送到通信總線。AK6自動(dòng)穩(wěn)峰裝置的作用是補(bǔ)償磁場(chǎng)的漂移，確保相對(duì)測(cè)量時(shí)磁場(chǎng)的穩(wěn)定。AK8 是計(jì)算機(jī)控制掃描穩(wěn)定器單元（A43）的接口，主要功能是向掃描穩(wěn)定器發(fā)送設(shè)定的控制脈沖，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的掃描和按設(shè)定的質(zhì)量數(shù)進(jìn)行磁場(chǎng)的跳轉(zhuǎn)。AK9 是計(jì)算機(jī)控制U/F 轉(zhuǎn)換單元（A44）的接口，功能是控制六個(gè)U/F 組件工作，并采集和計(jì)算U/F 組件確定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)。AK10 是計(jì)算機(jī)總線接口（A63）和質(zhì)諧計(jì)的二級(jí)接口。質(zhì)譜計(jì)的二次總線是在И-41 接口基礎(chǔ)上構(gòu)成的，AK10 對(duì)數(shù)據(jù)信息和控制信號(hào)進(jìn)行整形匹配。A63 是計(jì)算機(jī)總線與質(zhì)譜計(jì)之間的通訊接口，通過通訊電纜和AK10 相聯(lián)。

1.2 模擬電路

МИ-1201 質(zhì)譜計(jì)進(jìn)行樣品分析主要涉及三個(gè)部分的功能，分別是電磁閥的開關(guān)控制，磁場(chǎng)調(diào)節(jié)與自穩(wěn)定控制，接收杯信號(hào)采集。每一個(gè)電磁閥開關(guān)的控制裝置是由計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，通過光電耦合器，經(jīng)過譯碼器驛碼后進(jìn)行單獨(dú)控制。磁場(chǎng)控制過程是采用脈沖方式調(diào)制電磁鐵所需電流，主要包括了三角波發(fā)生器、比較器、大功率開關(guān)電路、濾波器等電路。三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波頻率經(jīng)過測(cè)量約為25KHz。為了方便計(jì)算機(jī)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行控制，使用標(biāo)準(zhǔn)電流脈沖電路形成器，將計(jì)算機(jī)輸出的調(diào)控磁場(chǎng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)脈沖，按計(jì)算機(jī)指令完成對(duì)磁場(chǎng)的增減、跳轉(zhuǎn)及穩(wěn)定控制，電路中的控制信號(hào)的基準(zhǔn)頻率經(jīng)過測(cè)量為125KHz，使用觸發(fā)器與恒流源電子開關(guān)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

МИ-1201 質(zhì)譜儀分析樣品豐度依據(jù)接收器上的樣品離子流信號(hào)，這一部分微弱的電流信號(hào)經(jīng)過靜電計(jì)轉(zhuǎn)化、放大為電壓信號(hào)后，由U/F 轉(zhuǎn)換單元將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的脈沖信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與采集。電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換后變?yōu)榉讲}沖信號(hào)，測(cè)量質(zhì)譜計(jì)在空閑狀態(tài)下各接收杯的方波脈沖信號(hào)頻率。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 CAN 總線電路

選用CAN 總線作為МИ-1201 質(zhì)譜儀新的總線通訊方式，取代由多個(gè)數(shù)字板電路構(gòu)成的信號(hào)電路。圍繞計(jì)算機(jī)與CAN 總線協(xié)議開發(fā)信號(hào)采集轉(zhuǎn)換電路板，將模擬電路上的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。開發(fā)一個(gè)通信控制電路板，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為CAN 總線協(xié)議中要求的標(biāo)準(zhǔn)模式。傳輸至CAN 轉(zhuǎn)USB 控制器，轉(zhuǎn)為USB 通信信號(hào)，使用計(jì)算機(jī)主板的USB 接口將各個(gè)電路單元的工作信號(hào)采集至計(jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)，發(fā)出計(jì)算機(jī)的控制指令到各個(gè)電路單元的驅(qū)動(dòng)電路，轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)的模擬電壓信號(hào)。

質(zhì)譜計(jì)的信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用總線式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)通過USB-CAN 轉(zhuǎn)換器與各模擬電路單元進(jìn)行通信，各單元接收計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制信號(hào)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器與輸入輸出控制器將計(jì)算機(jī)命令轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，驅(qū)動(dòng)模擬電路上的步進(jìn)電機(jī)與繼電器，實(shí)現(xiàn)控制。計(jì)算機(jī)通過USB 數(shù)據(jù)線連接到USB-CAN 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器CAN 總線接口完成與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換板上芯片的數(shù)據(jù)傳輸，由總線控制器把數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺AN 總線上。

2.2 電路設(shè)計(jì)

總線控制器在通電時(shí)讀取地址碼，通過CAN 總線將其送往計(jì)算機(jī)，經(jīng)過確認(rèn)后，啟動(dòng)完成該功能單元的維護(hù)與復(fù)位程序。各模擬電路單元中電源組件的控制以及通過CAN 總線與計(jì)算機(jī)聯(lián)系的功能，由用總線控制電路板進(jìn)行，持續(xù)控制每一個(gè)單元，保證與計(jì)算機(jī)間聯(lián)系。CAN 信號(hào)接收引腳RX 和發(fā)送引腳TX 并不直接連接到總線驅(qū)動(dòng)器的RXD 和TXD 端。而是經(jīng)過高速光耦6N137 進(jìn)行連接，為了實(shí)現(xiàn)真正意義上完全的電氣隔離，光耦部分的VA 與VB 通過DC-DC 模塊進(jìn)行隔離。并在CANH 和CANL 引腳與地之間并聯(lián)兩個(gè)30P 的電容，用于濾除總線上的高頻干擾。

3 程序

使用新的CAN 總線控制電路板替代原有多個(gè)數(shù)字板通信后，采用VC++進(jìn)行測(cè)控程序修改，在Windows 環(huán)境下編程，利用工具對(duì)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行重新編寫，使新測(cè)控程序能驅(qū)動(dòng)CAN 總線控制電路，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集與控制功能。МИ-1201 質(zhì)譜儀磁場(chǎng)控制單元是進(jìn)行磁場(chǎng)調(diào)節(jié)與自穩(wěn)定控制的關(guān)鍵部件，安裝CAN總線控制器與輸入輸出控制器后，使用新程序可以成功實(shí)現(xiàn)磁流信號(hào)采集與調(diào)節(jié)。

圖1 CAN 總線控制電路結(jié)構(gòu)圖

4 應(yīng)用測(cè)試

使用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差表征氣體同位素質(zhì)譜計(jì)測(cè)量的隨機(jī)誤差。使用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品，其中一個(gè)作為待測(cè)樣品。標(biāo)準(zhǔn)和待測(cè)交替進(jìn)樣。記憶因子和儀器的不穩(wěn)定因素也都被考慮進(jìn)去。選用GBW04225（D58=0.031035）和GBW04235（D58=0.048849）兩 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品在質(zhì)譜計(jì)上進(jìn)行了雙標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)測(cè)量。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 雙標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

測(cè)試結(jié)果均符合《專用質(zhì)譜計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》中關(guān)于相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.04%和系統(tǒng)相對(duì)偏差小于0.04%的要求。測(cè)試表明，使用基于CAN 總線協(xié)議的通信方式對(duì)信號(hào)處理電路進(jìn)行改造，軟件進(jìn)行更新，新的設(shè)計(jì)可以在保證МИ-1201 質(zhì)譜儀原有功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)關(guān)鍵信號(hào)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并實(shí)時(shí)顯示，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，提高了信號(hào)板的通用性。