蔡龍

（北京市北分儀器技術有限責任公司 北京市 100194）

1 引言

質譜儀擁有優越的定性、定量能力，極高的靈敏度和很好的廣譜性，是目前公認的化學分析儀器中最強有力的工具[1]。通常質譜儀包括以下關鍵部件：進樣系統、離子源、質量分析器、離子檢測器、真空部件以及測控系統[2]。真空是質譜儀的“生命”，是質譜儀極為重要的組成部分：

（1）電子倍增器、離子源等核心部件需要在高真空下才能正常工作；

（2）真空度影響質譜儀中離子的平均自由行程，從而影響到儀器的分辨率；

（3）高真空下能避免發生離子-分子反應，保證質譜圖樣的正確。

綜上，為確保質譜儀正常工作，真空度必須達到并穩定地控制在預定范圍內[3]，這就要求必須對真空度進行準確地測量。

2 硬件結構

在質譜儀的真空系統中，初級泵提供高真空泵正常工作所需要的前級真空，按照高真空獲取設備的不同，質譜儀可以分為離子泵平臺和分子泵平臺兩種類型。

真空測量系統通過擬定的通訊協議，使用RS232串行通訊向測控系統實時傳輸真空度等相關數據。當腔體的真空度達到預定值時，真空測量系統向測控系統發送真空狀態正常的信息。最終測控系統通過TCP/IP協議向上位機傳輸包含真空度及真空狀態在內的數據包，實現對真空度的實時監測。真空狀態決定儀器能否正常開閥、掃描，該機制保護了真空腔體內部離子源等元件。真空測量系統的硬件組成如圖1所示。

為了降低開發周期、節約成本，分子泵平臺和離子泵平臺所使用的真空測量板卡硬件上是相同的，下位機軟件則根據不同平臺的具體需求而區分設計。板卡的硬件系統包括以STM32F103RCT6微控制器為核心的外圍電路、RS232通訊電路、信號調理電路、LCD顯示模塊、LED顯示與報警電路等功能組件。

在離子泵平臺中，使用的離子泵電源為Agilent公司的4UHV，該電源具有向遠端實時傳輸狀態數據的RS232接口，真空測量板卡根據該電源自帶的通訊協議，通過串口2獲取真空度信息，將數據重新打包后，使用串口1向質譜儀的測控系統發送真空度等相關數據。

對于分子泵平臺，選用Agilent公司的FRG-700全量程規作為測量真空的裝置，真空測量板上的調理電路將真空規的輸出信號進行調理后，送入STM32微控制器的片上ADC，根據真空規的“電壓-真空度”轉換公式，得到真空測量數據，并上傳到至質譜儀測控系統。

3 軟件設計

3.1 離子泵平臺

離子泵平臺的真空測量系統程序設計要實現如下幾個功能：

（1）真空測量系統與離子泵電源之間的通訊功能；

（2）消息的解析和信息提取；

（3）為保證通訊過程中信息數據的準確，軟件設計中要包含錯誤檢測[4]；

（4）真空測量系統與測控系統之間的通訊功能。

軟件主程序流程圖如圖2(a)所示。

離子泵平臺的真空測量系統軟件流程如下：對芯片和外設進行初始化，其中串口2設置為接收中斷；串口2向離子泵電源發送詢問電壓/電流值的命令后，接收離子泵電源返回的消息；如果本次沒有收到返回消息，或者消息解析后發現數據錯誤，則容錯程序會對數據進行處理；當離子泵電源的電流小于7mA時，真空狀態視為正常；按照與測控約定好的協議向串口1發送數據。串口2的發送、接收、數據處理以及串口1的發送為一個循環，時間間隔為1s。

圖1：真空測量系統組成示意圖

表1：真空測量系統與測控系統通訊協議的格式

圖2：軟件流程圖

圖3：上位機真空度測量界面

STM32微控制器與離子泵電源間的串行通訊是真空度實時監測的關鍵。通過“查詢/回應”的方式實現數據通訊是4UHV系列電源自帶的通訊協議的特點。在與離子泵電源通訊過程中，偶爾會發生離子泵電源應答異常的現象，如果不進行相應處理，則會導致解析異常，影響協議可用性。針對此問題，在軟件中建立緩沖區，記錄每次向測控發送消息的內容。當出現解析異常的情況時，本次向測控系統發送消息時則使用緩沖區中相應的值，當接收數據錯誤的次數超過3次后，則認為離子泵電源關閉。該容錯機制提高了通訊的可靠性。

3.2 分子泵平臺

分子泵平臺中真空測量系統的程序設計主要實現如下幾個功能：

（1）STM32片上ADC的軟件配置，以及ADC值軟件濾波的實現；

（2）完成測量電壓到壓強值的轉換計算；

（3）依照與測控系統約定的協議，將真空度等相關數據組包并發送至測控系統。

軟件主程序流程圖見圖2(b)。

分子泵平臺的真空測量系統軟件流程如下：系統對目標板進行初始化，啟動AD轉換，判斷電壓U是否超出了真空規1.82V～8.6V的有效測量范圍，如果超過，則協議中超量程的一位會被置位；如果未超過，則根據FRG-700的“電壓-壓強”轉換公式，進行測量電壓值到真空度的計算，并將計算出的真空度按照協議向測控發送。此外，真空腔體是否達到質譜儀的最低工作壓強也會在協議中體現。發送消息的時間間隔為1s。

3.3 與測控系統的通訊

STM32通過串口1向測控系統發送消息。為了保證真空測量系統與測控系統之間數據傳輸的可靠性與正確性，需要設計嚴格、合理、規范的通信協議[5]。一般地，串口通信中一個幀通常包括起始位、數據位、效驗位、結束位等。結合兩種真空平臺的真空測量流程，設計通訊協議的格式如表1所示。

4 實驗結果

將真空測量系統嵌入到四極桿質譜儀中進行測試，圖3(a)顯示了離子泵平臺的工作情況，此刻離子泵電源的輸出電壓為3000V，電流為330uA，上位機進行換算后得到真空度為8.4×10-5Pa；圖3(b)顯示分子泵平臺在開機后真空度由低變高的過程，可以看出，上位機能準確地獲取真空測量系統采集的真空度相關信息，能夠滿足儀器正常使用需求。

5 結論

本文介紹了一種用于質譜儀的真空測量系統，詳細闡述了系統的硬件結構和軟件設計，所研制的真空測量系統兼容分子泵和離子泵兩種真空平臺，實現了對真空度的實時測量，測試結果符合預期要求，提高了儀器的自動化程度和可靠性，為質譜儀的正常工作提供了條件保障。