基于安捷倫FRG700真空計的便攜式真空顯控系統設計

摘?要：安捷倫FRG700型全量程規廣泛應用于真空測量領域，但目前市場上沒有與之配套的便攜式控制器。為此研制了一種適配于安捷倫FRG700真空計的便攜式真空顯控系統，該系統以STM32微控制器為核心，可實現遠端狀態檢測、數據存儲、低電量報警以及在線真空度顯示等功能，為真空度檢測提供了一種便攜性、實時性的解決方案。

關鍵詞：便攜式真空測量;Cortex-M3;真空;FRG700

真空測量在半導體、科學儀器、航天產品、表面分析科學等領域具有廣泛應用[1]。安捷倫FRG700全量程規因其集成度高、測量范圍寬、便于安裝等優點，在真空計領域有較高的市場占有量。在傳統的真空度顯控方案中，與FRG700配套使用的是安捷倫AGD-100規控制器，該設備為典型的實驗室儀器，雖然測量精度高、單一性強，但受限于體積與工頻交流供電等因素，不適用于便攜式的真空測量工作。為此，本文提出了一種適用于安捷倫FRG700真空計的便攜式真空顯控系統（以下簡稱顯控系統），用以改善傳統真空度測量方案在便攜測量方面的不足。

1 系統硬件設計

設計的硬件系統包括以STM32F103C8T6微控制器為核心的外圍電路、OLED模塊、RS232通訊電路、信號調理電路、聲光報警電路、電壓轉換電路以及鋰電池等組件，如圖1所示。

綜合考慮重量、體積、使用時長等因素，選用12V/3000mAh的軟包鋰電池作為整個系統的動力源，該電池輸出電壓為9-12.6V，由3支18650電芯組成，內部集成了過流、短路、低壓以及過沖等保護電路。FRG700工作時需要顯控系統提供直流電源，為確保規供電與顯控系統的供電互不串擾，采取了分組供電的措施，并使用金升陽WRB1224ST-3WR2隔離穩壓模塊，將電池的輸出電壓提升至FRG700的額定工作電壓。顯控系統的信號調理部分與數字控制部分的供電，分別由金升陽WRA1212SD-1WR2模塊（±12V）與K78L03-500R3模塊（3.3V）進行提供。

顯控系統使用STM32的片上ADC測量模擬電壓信號。FRG700輸出的電壓信號與所測壓力呈對數關系，電壓范圍為0～10.5V，因此該信號先利用差分電路進行降壓，再經過有源低通濾波器濾除高頻噪聲后送入微控制器;電池電壓的測量用于剩余電量的檢測，信號調理電路首先使用電阻分壓，再采用電壓跟隨器進行阻抗變換和濾波，使得測量信號達到微控制器的可測范圍。

數字控制部分，微控制器使用SPI串行接口驅動1.3寸的OLED屏，用以顯示真空度等相關信息;配備了RS232通訊接口，可向遠端傳輸真空度等相關數據;設計了按鍵控制SD卡存儲的功能，使能后，微控制器將測得的真空數據通過SPI協議寫入SD卡;當電池電量不足時，微控制器驅動分立元件產生聲光報警，提醒用戶及時處理。

2 系統軟件設計

本設計使用STM32固件庫進行開發，STM32庫是意法半導體公司提供的一系列函數的合集，它建立了用戶函數調用的接口（API）與寄存器之間的橋梁，具有快速開發、便于移植、可讀性強等優點。為了更好地協調管理各個軟件模塊，提高系統運行的實時性，引入了μC/OS-II嵌入式實時操作系統。

采用模塊化的軟件設計理念。首先，移植操作系統，搭建基于μC/OS-II嵌入式軟件開發平臺;然后，分別對USART接口、SPI接口等外設進行驅動程序的開發;最后，根據整個測量過程，編寫應用程序，實現任務間的調度管理。

顯控系統軟件流程如圖2所示，首先對芯片和外設進行初始化，然后建立了6個應用任務，并給任務分配優先級與堆棧，用來執行用戶程序，最后調用μC/OS-II啟動函數來開啟操作系統。系統在運行時，任務之間通過信號量和消息郵箱的方式進行通信[2]，以實現系統的同步和管理，下表列出了系統建立的應用任務。

按鍵功能用來控制SD卡數據存儲功能的開啟/停止，RS232通訊使用串口IDLE中斷，通過“查詢/回應”的方式實現數據通訊，為實現上述兩種功能，軟件上設計了中斷，并加上了OSIntEnter（）和OSIntExit（）這兩個指令來控制中斷關閉與開啟[3]，以確保中斷運行時不被打斷。數據計算方面，根據FRG700的“電壓-壓強”的轉換公式，完成測量電壓到真空度（Pa）的轉換計算，并增加Torr與Mbar的計算與顯示，以提高使用便利性。對于電池剩余電量的檢測，根據廠家提供的電池輸出電壓和電池的剩余容量的曲線，分段建立了計算公式，實現對電池剩余電量的估計。在上表所述的應用任務中，adc_task與calc_task為主要任務，所以將這兩個任務的堆棧大小設置為1024，達到任務流暢運行的目的。

3 結論

傳統的基于FRG700的真空測量顯示方案雖然測量精度高，但體積較大、操作復雜，且不適用于無工頻交流電的場合。本文介紹的便攜式真空顯控系統可實時顯示3種單位的壓力數據，便于用戶直觀獲取真空度;設計的電量測量與報警功能，有利于鋰電池組的管理和維護;采用SD卡存儲測量數據的方案，可實現在無記錄終端情況下的真空度的數據記錄。整個系統成本低、體積小、質量輕、便于安裝與攜帶，具有一定的實用價值。

參考文獻：

[1]邵壯，延峰，王歡，董云寧，宋瑞海，魏萌萌，盧耀文.基于電路模擬的熱陰極電離真空計電參數校準裝置及方法[J].真空與低溫，2019，25（04）：259-264.

[2]謝苗苗，李華龍，李能菲.基于STM32的諧波參數實時獲取便攜裝置設計[J].儀表技術，2013（02）：32-34.

[3]王亭嶺，焦金戈，王琪，熊軍華，陳建明.基于STM32的便攜高分辨率色度檢測儀設計[J].儀表技術與傳感器，2015（11）：49-51.

作者簡介：蔡龍（1988-），男，河北唐山人，碩士，工程師，主要研究方向：分析儀器與嵌入式系統。