基于CAN總線的GaAs光電陰極制備測(cè)控系統(tǒng)

    0　引言

　　GaAs光電陰極是一種負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極，具有量子效率高、發(fā)射電子能量和角度分布集中的優(yōu)點(diǎn)，因而在微光像增強(qiáng)器、半導(dǎo)體敏感器件、自旋極化電子源等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]，但GaAs光電陰極的制備過(guò)程卻極為復(fù)雜，對(duì)制備工藝和條件都有嚴(yán)格要求。目前GaAs光電陰極的制備都主要依賴熟練操作人員進(jìn)行手工操作，這種操作方式不盡浪費(fèi)大量人力物力，而且制備質(zhì)量和效率得不到保證。而在制備過(guò)程中普遍采用的在線光譜響應(yīng)測(cè)試儀[2]，只能用于陰極制備后的光譜響應(yīng)曲線測(cè)試，評(píng)估陰極的制備質(zhì)量，它對(duì)陰極制備過(guò)程中的許多其它信息量，如真空度、銫源和氧源電流等，都沒(méi)有實(shí)時(shí)采集功能，更沒(méi)有對(duì)銫（氧）源電流的計(jì)算機(jī)控制和制備過(guò)程的自動(dòng)化，從而大大的制約了我國(guó)GaAs光電陰極制備工藝的理論研究、制備質(zhì)量和效率的提高。本文利用CAN總線可靠性高、成本低、配置靈活和傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)[3～5]，設(shè)計(jì)了一套基于CAN總線的GaAs光電陰極制備測(cè)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)上述信息的實(shí)時(shí)測(cè)試和銫（氧）源電流的自動(dòng)控制。

　　1　測(cè)控系統(tǒng)組成

　　根據(jù)GaAs光電陰極制備工藝的要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖1所示的GaAs光電陰極制備測(cè)控系統(tǒng)原理框圖。該測(cè)控系統(tǒng)由三大部分構(gòu)成：超高真空激活系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和外圍測(cè)控設(shè)備，其中超高真空激活系統(tǒng)是用于GaAs光電陰極制備（加熱凈化和銫氧激活）的，制備過(guò)程中的多種信息量可通過(guò)外圍測(cè)控設(shè)備與計(jì)算機(jī)相連。測(cè)控設(shè)備共分兩部分，一部分完成光電流、光譜響應(yīng)曲線的測(cè)試，另一部分完成真空度的測(cè)試以及銫（氧）源電流信號(hào)的測(cè)試和控制。

　　第一部分相當(dāng)于一個(gè)光譜響應(yīng)測(cè)試儀，光譜響應(yīng)曲線測(cè)試時(shí)，先由計(jì)算機(jī)控制光柵單色儀輸出一定波長(zhǎng)的單色光并照射到陰極面，陰極產(chǎn)生微弱的光電流，光電流放大后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，計(jì)算機(jī)將該信號(hào)和對(duì)應(yīng)的單色光輻射功率進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，就得到陰極的光譜響應(yīng)曲線[2]。這一部分中沒(méi)有用到CAN總線，本文中將不作介紹，重點(diǎn)介紹的是第二部分。在第二部分中，真空度、銫（氧）源電流信號(hào)是通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)測(cè)控的，測(cè)控信號(hào)通過(guò)USB-CAN轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)相連。這部分的設(shè)計(jì)，結(jié)合了CAN與USB總線的優(yōu)點(diǎn)，從而能實(shí)現(xiàn)更靈活的通信任務(wù)和更強(qiáng)大的信號(hào)測(cè)控功能。

　　圖1  GaAs光電陰極制備測(cè)控系統(tǒng)原理框圖

　　2　測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1  USB-CAN轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計(jì)

　　USB-CAN轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)USB與CAN兩種總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，如圖2所示為其結(jié)構(gòu)框圖。圖中微控制器89C52負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換器的監(jiān)控任務(wù)以及CAN與USB總線的通信任務(wù)。CAN控制器接口電路采用SJA1000和82C250，USB控制器接口電路采用USB通用設(shè)備接口芯片CH372。在微控制器中，USB與CAN總線報(bào)文的接收均采用中斷方式，這種方式能盡量減少時(shí)延，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信能力。

　　2.2  多信息量測(cè)控設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

　　原有系統(tǒng)的真空計(jì)和模擬電源等設(shè)備都是獨(dú)立工作的，不具有和計(jì)算機(jī)通信的能力。為了實(shí)現(xiàn)真空度和銫（氧）源電流信息的測(cè)控，同時(shí)也為了節(jié)省成本，本文采用的方案是在原有設(shè)備上增加一個(gè)多信息量測(cè)控模塊，使之具有數(shù)字化測(cè)控和通信功能。多信息量測(cè)控模塊的任務(wù)是將設(shè)備顯示的信號(hào)取出并傳輸給計(jì)算機(jī)或?qū)⒂?jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的控制命令傳輸給設(shè)備，所以實(shí)際上測(cè)控模塊電路由兩部分構(gòu)成，一部分完成真空度、銫（氧）源電流信息的測(cè)試，另一部分實(shí)現(xiàn)銫（氧）源電流大小和通斷的控制。

　　在真空度、銫（氧）源電流信息的測(cè)試方面，為了保持采集數(shù)據(jù)與設(shè)備顯示數(shù)據(jù)的一致性，采用的方法是將設(shè)備數(shù)碼管上顯示的信息直接取出。真空計(jì)和模擬電源的顯示均由3位數(shù)碼管構(gòu)成，所以兩者可以采用相同的測(cè)試電路。如圖3所示為多信息量測(cè)試模塊結(jié)構(gòu)框圖，圖中真空計(jì)或電源的3位數(shù)碼管分別與一片雙四選一的電子開(kāi)關(guān)CD4052相連，微控制器從鎖存器輸出地址選通信號(hào)，控制CD4052依次輸出數(shù)碼管8段顯示信息中的2段，連接到比較器LM358上，經(jīng)比較轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平后輸出給微控制器，最后微控制器將3個(gè)數(shù)碼管的信號(hào)組合在一起，得到真空計(jì)或電源上顯示的數(shù)據(jù)。在這里采用比較器的主要優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)不同數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)電平靈活的調(diào)整比較電壓，而且輸出邏輯電平穩(wěn)定，從而使測(cè)試電路具有更好的適用性。采集到顯示信息后，可在微控制器控制下，通過(guò)CAN總線傳輸給計(jì)算機(jī)。

　　圖2　USB－CAN轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)框圖　　　
　

　圖3　多信息量測(cè)試模塊結(jié)構(gòu)框圖

在原有的系統(tǒng)中，銫（氧）源電流大小的控制是通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)電源的模擬電位器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)電流大小的數(shù)字化控制，最直接的辦法就是用數(shù)字電位器取代電源的模擬電位器，按此方案設(shè)計(jì)的電流控制模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。電源有一個(gè)10K的粗調(diào)電位器和一個(gè)1K的細(xì)調(diào)電位器，分別用10K和1K數(shù)字電位器X9C103、X9C102取代，圖4中兩個(gè)數(shù)字電位器是串聯(lián)在一起的，這種接法可使電流控制精度更高，而實(shí)際控制精度超過(guò)了模擬電源的三位顯示精度，這完全能滿足系統(tǒng)對(duì)電流控制精度的要求。數(shù)字電位器或模擬電位器的選擇可由微控制器輸出控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)后控制雙刀雙擲繼電器來(lái)確定。微控制器也可以輸出控制信號(hào)來(lái)控制繼電器接通或斷開(kāi)模擬電源的外接220V供電電源，從而實(shí)現(xiàn)銫（氧）源電流的通斷，同時(shí)由于控制的是220V交流電源，在微控制器和驅(qū)動(dòng)器之間必須進(jìn)行光電隔離。計(jì)算機(jī)可通過(guò)上述方式來(lái)實(shí)現(xiàn)陰極制備過(guò)程中的自動(dòng)銫氧交替。

　　圖4　銫（氧）源電流控制模塊結(jié)構(gòu)框圖

　　3  測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1  USB-CAN轉(zhuǎn)換器軟件設(shè)計(jì)

　　USB與CAN總線轉(zhuǎn)換器軟件主要進(jìn)行USB與CAN總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換，在測(cè)控設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)通信，其軟件設(shè)計(jì)主要包括CAN和USB接口芯片的初始化以及CAN與USB報(bào)文的發(fā)送和接收。USB與CAN總線控制器芯片分別采用CH372和SJA1000，CH372有內(nèi)置固件模式，使用非常方便。USB與CAN總線報(bào)文的接收均采用中斷方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種方法能保證最快的響應(yīng)速度，提高通信效率。接收到的USB報(bào)文可通過(guò)CAN總線直接發(fā)送給測(cè)控設(shè)備，而接收到的CAN報(bào)文則通過(guò)兩步來(lái)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，先通過(guò)USB中斷傳輸觸發(fā)計(jì)算機(jī)的中斷服務(wù)程序，后通過(guò)批量傳輸將CAN報(bào)文發(fā)送給計(jì)算機(jī)，這種方式可實(shí)時(shí)觸發(fā)計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的處理，提高計(jì)算機(jī)的響應(yīng)速度。

　　3.2  多信息量測(cè)控軟件設(shè)計(jì)

　　多信息量測(cè)控軟件分測(cè)試軟件和控制軟件。測(cè)試軟件的功能是將設(shè)備數(shù)碼管上顯示的數(shù)據(jù)取出，經(jīng)組合和譯碼后轉(zhuǎn)換為被測(cè)信息量。測(cè)試軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于控制CD4052依次選通各個(gè)數(shù)碼管分多次輸出顯示信息，然后將這些信息組合在一起，然后通過(guò)查找筆型碼表就可以得到設(shè)備顯示的真空度或電流大小?？刂栖浖墓δ苁峭ㄟ^(guò)數(shù)字電位器和繼電器實(shí)現(xiàn)銫（氧）源電流大小和通斷的控制，其中控制軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是電流大小的控制。由于電源輸出電流與電位器的阻值不一定呈線性關(guān)系，而且不同電源的情況也不盡相同，所以控制算法應(yīng)有一定的適應(yīng)性。借鑒人工調(diào)節(jié)電流時(shí)的經(jīng)驗(yàn)，控制軟件中采用的是兩步調(diào)節(jié)算法，先“粗調(diào)”后“細(xì)調(diào)”。兩步調(diào)節(jié)法先計(jì)算電流設(shè)定值和當(dāng)前值的差值，若相差較大，則進(jìn)行“粗調(diào)”（調(diào)節(jié)X9C103）。若差值已經(jīng)落到X9C102的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)時(shí)，則進(jìn)行“細(xì)調(diào)”（調(diào)節(jié)X9C102），細(xì)調(diào)時(shí)用“拆半”調(diào)節(jié)法（與拆半查找法類似）使電流快速接近并達(dá)到設(shè)定值。采用上述的兩步調(diào)節(jié)算法能保證輸出電流的調(diào)節(jié)時(shí)間短，控制精度高。

　　3.3  計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　計(jì)算機(jī)部分軟件共由三大模塊組成，包括多信息量測(cè)控模塊、信息顯示模塊和性能參數(shù)計(jì)算模塊，其中多信息量測(cè)控模塊包括光電流的A/D采集、真空度的采集、銫（氧）源電流的采集與控制。光電流由計(jì)算機(jī)控制定時(shí)進(jìn)行采集，真空度和銫（氧）源電流的采集則不同，它由真空計(jì)或電源在其顯示信息變化時(shí)主動(dòng)向計(jì)算機(jī)發(fā)送，計(jì)算機(jī)接收后更新顯示或進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為了能保證計(jì)算機(jī)及時(shí)接收到設(shè)備發(fā)來(lái)的信息，我們?cè)谲浖胁捎昧藗沃袛嗪投嗑€程技術(shù)。偽中斷服務(wù)程序是由CH372驅(qū)動(dòng)程序中斷后通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）在應(yīng)用層模擬調(diào)用的，能及時(shí)響應(yīng)USB中斷傳輸，多線程則能實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)的并行處理，提高響應(yīng)速度和處理效率。性能參數(shù)計(jì)算模塊主要對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析處理，得到想要的各種制備工藝或陰極的性能參數(shù)。

　　4  結(jié)束語(yǔ)

　　CAN總線在GaAs光電陰極制備測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用成功的解決了系統(tǒng)測(cè)控信息量多，對(duì)可靠性和實(shí)時(shí)性要求高的難題，該測(cè)控系統(tǒng)的研制成功將有利于對(duì)GaAs光電陰極制備工藝進(jìn)行深入的理論研究，促進(jìn)提高GaAs光電陰極的制備水平，該系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 杜曉晴，常本康，宗志園. GaAs光電陰極p型摻雜濃度的理論優(yōu)化. 真空科學(xué)與技術(shù), 2004, 24(3)：195-198

　　[2] 錢蕓生，宗志園，常本康. GaAs光電陰極原位光譜響應(yīng)測(cè)試技術(shù)研究. 真空科學(xué)與技術(shù), 2000, 20(5)：305-307

　　[3] 遲東明，司棟森. CAN總線在停車場(chǎng)燈光智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用. 微計(jì)算機(jī)信息, 2005,21（2）：46-47.

　　[4] 王軼，張凡. CAN總線技術(shù)在智能汽車中的應(yīng)用. 微計(jì)算機(jī)信息, 2005,21（7）：48-50.

　    [5] 饒運(yùn)濤，鄒繼軍，鄭勇蕓. 現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2003.