基于CAN總線GaAs光電陰極制備測控系統(tǒng)的研究

1、    基于CAN總線GaAs光電陰極制備測控系統(tǒng)的研究0引言GaAs光電陰極是一種負(fù)電子親和勢光電陰極，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光電陰極的制備過程卻極為復(fù)雜，對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。而在制備過程中普遍采用的在線光0引言GaAs光電陰極是一種負(fù)電子親和勢光電陰極，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)

2、，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光電陰極的制備過程卻極為復(fù)雜，對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。而在制備過程中普遍采用的在線光譜響應(yīng)測試儀2，只能用于陰極制備后的光譜響應(yīng)曲線測試，評估陰極的制備質(zhì)量，它對陰極制備過程中的許多其它信息量，如真空度、銫源和氧源電流等，都沒有實(shí)時采集功能，更沒有對銫（氧）源電流的計算機(jī)控制和制備過程的自動化，從而大大的制約了我國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

3、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)35，設(shè)計了一套基于CAN總線的GaAs光電陰極制備測控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)上述信息的實(shí)時測試和銫（氧）源電流的自動控制。1測控系統(tǒng)組成根據(jù)GaAs光電陰極制備工藝的要求，我們設(shè)計了如圖1所示的GaAs光電陰極制備測控系統(tǒng)原理框圖。該測控系統(tǒng)由三大部分構(gòu)成：超高真空激活系統(tǒng)、計算機(jī)和外圍測控設(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，制備過程中的多種信息量可通過外圍測控設(shè)備與計算機(jī)相連。測控設(shè)備共分兩部分，一部分完成光電流、光譜響應(yīng)曲線的測試，另一部分完成真空度的測試以及銫（氧）源電流信號的測試和控制。第一部

4、分相當(dāng)于一個光譜響應(yīng)測試儀，光譜響應(yīng)曲線測試時，先由計算機(jī)控制光柵單色儀輸出一定波長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，計算機(jī)將該信號和對應(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）源電流信號是通過CAN總線實(shí)現(xiàn)測控的，測控信號通過USB-CAN轉(zhuǎn)換器與計算機(jī)相連。這部分的設(shè)計，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)大的信號測控功能。 圖1  GaAs光電陰極制備測控系統(tǒng)原理框圖2測控系統(tǒng)

5、硬件設(shè)計2.1  USB-CAN轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計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總線報文的接收均采用中斷方式，這種方式能盡量減少時延，提高系統(tǒng)實(shí)時通信能力。2.2  多信息量測控設(shè)備硬件設(shè)計原有系統(tǒng)的真空計和模擬電源等設(shè)備都是獨(dú)立工作的，不具有和計算機(jī)通信的能力。為了實(shí)現(xiàn)真空度和銫（氧）源電流信息的測控，同時也

6、為了節(jié)省成本，本文采用的方案是在原有設(shè)備上增加一個多信息量測控模塊，使之具有數(shù)字化測控和通信功能。多信息量測控模塊的任務(wù)是將設(shè)備顯示的信號取出并傳輸給計算機(jī)或?qū)⒂嬎銠C(jī)發(fā)來的控制命令傳輸給設(shè)備，所以實(shí)際上測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試電路。如圖3所示為多信息量測試模塊結(jié)構(gòu)框圖，圖中真空計或電源的3位數(shù)碼管分別與一片雙四選一

7、的電子開關(guān)CD4052相連，微控制器從鎖存器輸出地址選通信號，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個數(shù)碼管的信號組合在一起，得到真空計或電源上顯示的數(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CAN總線傳輸給計算機(jī) 圖2USBCAN轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)框圖 圖3多信息量測試模塊結(jié)構(gòu)框圖     

8、0;  原有的系統(tǒng)中，銫（氧）源電流大小的控制是通過手動調(diào)節(jié)電源的模擬電位器來實(shí)現(xiàn)，而為了實(shí)現(xiàn)計算機(jī)對電流大小的數(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)計的電流控制模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。電源有一個10K的粗調(diào)電位器和一個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)際控制精度超過了模擬電源的三位顯示精度，這完全能滿足系統(tǒng)對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，經(jīng)過驅(qū)動后控制雙刀雙擲繼電器來確定。微控制器也可以輸出控

9、制信號來控制繼電器接通或斷開模擬電源的外接220V供電電源，從而實(shí)現(xiàn)銫（氧）源電流的通斷，同時由于控制的是220V交流電源，在微控制器和驅(qū)動器之間必須進(jìn)行光電隔離。計算機(jī)可通過上述方式來實(shí)現(xiàn)陰極制備過程中的自動銫氧交替。 圖4銫（氧）源電流控制模塊結(jié)構(gòu)框圖3  測控系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1  USB-CAN轉(zhuǎn)換器軟件設(shè)計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，在測控設(shè)備與計算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)通信，其軟件設(shè)計主要包括CAN和USB接口芯片的初始化以及CAN與USB報文的發(fā)送和接收。USB與CAN總線控制器芯片分別采用CH372和SJA1000，CH37

10、2有內(nèi)置固件模式，使用非常方便。USB與CAN總線報文的接收均采用中斷方式來實(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報文可通過CAN總線直接發(fā)送給測控設(shè)備，而接收到的CAN報文則通過兩步來發(fā)送給計算機(jī)，先通過USB中斷傳輸觸發(fā)計算機(jī)的中斷服務(wù)程序，后通過批量傳輸將CAN報文發(fā)送給計算機(jī)，這種方式可實(shí)時觸發(fā)計算機(jī)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的處理，提高計算機(jī)的響應(yīng)速度。3.2  多信息量測控軟件設(shè)計多信息量測控軟件分測試軟件和控制軟件。測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)換為被測信息量。測試軟件設(shè)計的關(guān)鍵在于控制CD4052依次選通各個數(shù)碼管分多次輸出

11、顯示信息，然后將這些信息組合在一起，然后通過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。控制軟件的功能是通過數(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，則進(jìn)行“細(xì)調(diào)”（調(diào)節(jié)X9C102），細(xì)調(diào)時用“拆半”調(diào)節(jié)法（與拆半查找法

12、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)時間短，控制精度高。3.3  計算機(jī)軟件設(shè)計計算機(jī)部分軟件共由三大模塊組成，包括多信息量測控模塊、信息顯示模塊和性能參數(shù)計算模塊，其中多信息量測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。光電流由計算機(jī)控制定時進(jìn)行采集，真空度和銫（氧）源電流的采集則不同，它由真空計或電源在其顯示信息變化時主動向計算機(jī)發(fā)送，計算機(jī)接收后更新顯示或進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為了能保證計算機(jī)及時接收到設(shè)備發(fā)來的信息，我們在軟件中采用了偽中斷和多線程技術(shù)。偽中斷服務(wù)程序是由CH372驅(qū)動程序中斷后通過動態(tài)鏈接庫（DLL）在應(yīng)用層模擬調(diào)用的，能及時響應(yīng)USB中斷傳輸，多線程則能實(shí)現(xiàn)多個任務(wù)的并行處理，提高響應(yīng)速度