基于以太網(wǎng)的低溫等離子體測控系統(tǒng)基于以太網(wǎng)的低溫等離子體測控系統(tǒng)

電壓電流采樣選用片外ADC122S051，其為雙通道串行12位ADC，采樣速率可達500kb／s，ADC的參考源采用REF3240，其提供4．096V參考電壓。
電壓通過1：500的分壓電阻取樣，得到待調(diào)理的前端電壓為0～4V，電壓信號首先通過跟隨器，然后通過UAF42AP搭建的50Hz陷波器，之后通過opa2227搭建的有源2階巴特沃茲濾波器濾波，該濾波器截止頻率設(shè)為10Hz，再將濾波后的信號送到ADC的模擬輸入通道1；電流信號則通過10Ω的取樣電阻，得到0～2V待調(diào)理的前端電壓，然后經(jīng)過1級跟隨，之后通過UAF42AP搭建的50Hz陷波器，然后經(jīng)過2階巴特沃茲濾波截止頻率10Hz，再經(jīng)過opa227放大2倍，然后經(jīng)過一階RC，之后送到ADC的模擬輸入通道2。
設(shè)計采用DAC輸出模擬電壓，選用芯片為TLV5637，其為雙通道SPI接口的10位DAC，DAC參考源選用2．5V基準的ADl582BRT，這樣DAC的輸
出范圍為0～5V。
MCU通過SPI接口控制ADC和DAC，5根控制線通過一片ADUM1401和一片ADUM1201進行數(shù)字隔離。其中5V的隔離電源由隔離DC／DC芯片DCP0 505提供。

3 軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計包括節(jié)點軟件以及上位機程序設(shè)計?？紤]到程序設(shè)計的靈活性，在LM3S8962上移植了ucos-ii操作系統(tǒng)，因為要實現(xiàn)以太網(wǎng)通信，故移植了輕型TCP／IP協(xié)議棧LWIP。
3．1 節(jié)點程序設(shè)計
各個設(shè)備節(jié)點主要負責接收PC端上位機發(fā)送的控制命令，給出應(yīng)答并進行相應(yīng)操作，另外周期性地上傳測量數(shù)據(jù)。
真空計節(jié)點：每隔100ms獲取一次真空度，獲取真空度是通過給真空計發(fā)送對應(yīng)的RS485命令。然后將真空度上傳給PC。
流量計節(jié)點：每隔100ms獲取一次流量值，獲取流量是通過給流量計發(fā)送對應(yīng)的RS485命令，然后將流量值上傳給PC。
直流高壓電源節(jié)點：每隔1ms測量一次電壓、電流值(快速采樣以便在輸出短路時迅速切斷電源進行保護)，然后每隔100ms將電壓、電流值上傳給PC；變頻器節(jié)點只需接收控制命令如電源開關(guān)、手自動、啟停、設(shè)置頻率等，不需要周期性上傳數(shù)據(jù)。
3．2 上位機程序設(shè)計
PC端上位機主要給各個節(jié)點發(fā)送控制各個設(shè)備的控制命令；接收各個節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)包并解析，然后在上位機界面上顯示出相關(guān)結(jié)果。由于各節(jié)點周期性(T=100ms)上傳數(shù)據(jù)，在上位機開啟一個1s的定時器，當定時時間到時，PC正常情況下會收到單獨一個節(jié)點發(fā)送的10幀數(shù)據(jù)，將每秒收到的幀數(shù)顯式出來，這樣可以對網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)進行監(jiān)控。
PC端上位機與節(jié)點間以太網(wǎng)通信采用UDP協(xié)議。下圖4為采用C#編寫的上位機界面截圖。

4 實驗測試
將系統(tǒng)連接好后，給各個節(jié)點電路板上電，然后打開上位機界面就可以通過上位機界面控制各個設(shè)備了，并顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)。操作步驟如下：
(1)打開變頻器電源，并設(shè)置為自動控制方式(即RS485命令控制)，設(shè)置變頻器運行頻率為40．0Hz，然后點擊運行，這時變頻器控制的真空泵開始運轉(zhuǎn)抽真空，這時會發(fā)現(xiàn)真空室氣壓不斷減小，設(shè)置的變頻器頻率越大，機械泵轉(zhuǎn)速越快，抽真空速度越快，穩(wěn)定時真空室壓強就更低，壓強可以低至0．1Pa(該真空計測量下限值)；變頻器頻率在實驗中限定在20．0～60．0Hz范圍內(nèi)；
(2)當真空泵抽真空基本達到穩(wěn)定后，打開流量計電源，設(shè)置為自動控制方式(即RS485命令控制)和閥控模式，然后可以設(shè)置工作氣體流量值(0～100sccm)，設(shè)置流量后會發(fā)現(xiàn)真空室里壓強會增加一些；
(3)當真空室氣壓穩(wěn)定后打開直流高壓電源，設(shè)置為自動控制方式(即通過DA輸出模擬電壓控制電源輸出功率)，設(shè)置DA輸出電壓(范圍0～500mV)，ADC采集的電壓與電流也會顯示出來(大約100ms刷新一次)；
操作中需要注意一點：在關(guān)掉設(shè)備時應(yīng)該先關(guān)直流高壓電源，再關(guān)變頻器。這是因為如果先關(guān)變頻器，機械泵停止抽真空，真空室氣壓很快就恢復(fù)為大氣壓，這會導(dǎo)致直流高壓電源因為氣壓太大不能放電，這相當于直流高壓電源空載，此時高壓電源的輸出電壓會達到其最大值，這可能會損壞相關(guān)設(shè)備。上位機軟件設(shè)計時考慮到了這一點，即在關(guān)閉變頻器時先判斷直流高壓電源是否已關(guān)閉，若尚未關(guān)閉，則不關(guān)閉變頻器并且彈出提示對話框。
實際測試發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以安全、穩(wěn)定、可靠地運行，系統(tǒng)的實時性也滿足使用要求。為了進一步提高系統(tǒng)實時性，可以考慮采用TDMA(時分多路復(fù)用訪問)的輪詢協(xié)議。