基于虛擬儀器的氦質譜檢漏儀監控系統設計

目前，檢漏技術在半導體、電力、制冷、航空航天、原子能、真空、醫療和汽車等行業都已得到成功的應用。而氦質譜檢漏方法與氣泡識別法、壓強衰減法和鹵素檢漏等方法相比，有著檢測靈敏度高、速度快和適用范圍寬的優點，而且，選擇了無毒、無破壞性、質量輕的惰性氣體氦氣作為探測氣體，使氦質譜檢漏儀得到了非常廣泛的應用。

??????? 隨著集成電路和計算機技術的發展，測量儀器開始與虛擬儀器技術緊密結合，向著自動化、智能化的方向發展。氦質譜撿漏儀也順應這個潮流，出現了自動化程度很高的產品，如：中科院科儀中心的ZQ]2291型儀器，自動校準氦峰，自動調節零點，量程自動轉換，自動數據處理，可外接打印機。整機由微機控制，菜單選擇功能，一個按鈕即可完成一次全檢漏過程^[1]。
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??????? 實驗室現有一部中科院科儀中心的ZQJ一230D型氦質譜檢漏儀，自動化程度較低，數據記錄及操作相對麻煩。為了對其進行升級，結合虛擬儀器技術，本文設計開發了一套監控系統。該監控系統將氦質譜檢漏儀的控制面板一部分功能轉移到電腦上來，提供了良好的人機交互界面，具有數據分析、記錄功能，可以進行一定程度上的自動運行，減輕了操作人員的勞動量。

1? 系統構成及其工作過程
??????? 系統整體結構如圖1所示。系統工作流程及各主要組成模塊功能如下：氦質譜檢漏儀給出反映其運行狀態的原始電信號，包括反映氦離子流大小、真空度以及開關狀態的電信號等；信號調理模塊將這些電信號調整為適合采集卡采集的信號；信號采集卡再將從信號調理電路出來的模擬信號進行A／D轉換，轉換所得的數字信號輸人計算機；在計算機上的軟件系統對從采集卡進來的數據進行分析、顯示和記錄，同時判斷出檢漏儀的運行情況，通過RS232串口向單片機控制接口模塊發送相應的控制指令；單片機控制接口模塊接收計算機的指令，通過接口電路控制檢漏儀執行相應的動作，從而實現檢漏儀的自動化運行。

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2? 系統設計
??????? 虛擬儀器監控系統包括硬件和軟件兩部分，其中硬件由計算機、數據采集卡、控制接口電路及其它輔助電路組成，軟件在LabVIEW軟件工具平臺下編寫。下面分別從硬件和軟件兩方面對檢漏儀監控系統進行分析和設計。
2．1系統硬件設計
??????? 硬件系統主要包括氦質譜檢漏儀、信號采集卡、單片機控制接口電路等。
2．1．1氦質譜檢漏儀
??????? 系統所用檢漏儀為ZO_I-230D型氦質譜檢漏儀，檢漏方式為逆擴散型，工作原理如圖2所示。

??????? 逆擴散檢漏是把被檢件接在分子泵出氣口一端，漏入的氦氣由分子泵出氣口逆著泵的排氣方向進入安裝在泵的進氣口端的質譜室內而被檢測。在質譜室內，根據質譜學原理，測出氦氣的多少，從而確定漏孔的漏率。
2．1．2數據采集卡
??????? 系統以虛擬儀器技術為平臺，選用美國NI(National Instruments)公司的M系列PCI-6220多功能數據采集卡。這款數據采集卡是NI公司推出的適用于PCI總線及其兼容機的數據采集和控制設備，是一款性價比較好的產品，有模擬輸入(AI)、數字輸入／輸出(Digital I／O)、定時／計數、自動校準功能。
??????? M系列PCI一6220數據采集卡的主要性能指標：
??????? (1)總線類型：PCI
??????? (2)模擬信號輸入部分基本性能指標：
???????????? 輸入通道：16路單端輸入(8路差分輸入)
???????????? 最高采樣率：250KS／s
?????????? ? 逐次逼近式A／D轉換器
??????????? ?分辨率：16位
??????? (3)數字I／O：3個
??????? (4)定時／計數：2個
2．1．3單片機控制接口電路
??????? 由于實驗室的電磁環境不會太惡劣，可以采用MCSSl單片機作為控制電路的智能控制單元，給出控制信號。本監控系統的控制電路組成框圖如圖3所示。單片機采用AT89S52芯片，通過RS485接口電路(采用MAX485芯片)與計算機進行串口通信，通過繼電器對檢漏儀的部分開關進行控制，采用TLC5620D／A芯片及電壓調整電路輸出用于檢漏儀狀態調整的電壓信號。

2．2系統軟件設計
??????? 軟件系統是整個監控系統的核心，是實現自動化運作的關鍵所在，主要包括計算機端和單片機端軟件系統。
2．2．1計算機端軟件系統
??????? 計算機端軟件系統的開發平臺選用Lab—VIEW7．1，這是由虛擬儀器概念的創始者NI公司開發的一種圖形化編程語言，與VC、VB等其他可視化編程語言相比，LabVIEW函數庫豐富、編程簡單直觀、調試方便，界面風格也接近于傳統儀器。使用LabVIEW進行軟件開發可以節省大量的學習軟件、調試程序和界面修飾的時間，大大簡化了系統的構建及源代碼的編寫，可以使開發者把主要精力集中在系統的設計上，因此非常適合實際工程上的應用^[2]。
??????? 該系統采用模塊化設計，整個系統由信號采集模塊、信號處理模塊、數據存儲模塊、界面管理模塊以及串口通信模塊組成，各個模塊按照一定的執行順序集成于主程序框架中，層次分明，修改方便。軟件系統結構及各模塊數據流向如圖4所示，簡單說明如下：

??????? (1)信號采集模塊
??????? PCI-6220數據采集卡支持LabVIEW7．1自帶的驅動，通過簡單的配置后，直接調用DAQmx的子VI就可以實現對采集卡的操作。信號采集模塊的功能是控制數據采集卡，采集氦離子流電信號、真空度電信號以及其它的相關電壓信號，并將反映這些信號變化的數字量送給信號處理模塊。由于氦質譜檢漏儀輸出的信號都是變化較慢的信號，信號量多，不需要進行高速采集，所以數據采集卡的采樣率設置為200，模擬輸入通道數為16。
??????? (2)信號處理模塊
??????? 檢漏儀的輸出的信號不需要進行復雜的數學處理，因此，信號處理模塊的數學處理內容不是很多，該模塊的功能主要包括：濾除信號的工頻干擾；將各個電壓信號轉換為對應的物理量，送給界面模塊進行指示；對開關信號、真空度信號等進行關聯分析，判斷并確認檢漏儀的工作狀態，給出提示及相應的控制指令。其中，濾除工頻干擾是通過數字巴特沃斯(Butterworth)低通濾波器對采集進來的數字量進行處理實現的，體現了虛擬儀器技術的軟件代替硬件的優點。這一模塊在系統各部分的相互協作中起決定性作用，是整個軟件系統的難點所在。
??????? (3)數據存儲提取模塊
??????? 由于檢漏儀需要記錄的數據量不大，因此不需要建立數據庫，該模塊的功能就是建立文件，將反映漏率的數據寫入文本文件中進行保存，并能按照用戶的要求回放出已保存的文件的數據曲線。所建立的文本文件也可以由Windows系統方便訪問。
??????? (4)界面管理模塊
??????? 該模塊的功能是管理交互界面及其控件，負責指示各種參量、顯示歷史曲線、報警提示，并根據用戶對控件(按鍵、旋鈕等)的操作向其它模塊發送信息。
??????? (5)串口通信模塊
??????? 用LabVIEW里的Serial子VI編寫這一模塊程序。該模塊實現計算機與控制接口模塊中的單片機之間的串口通信功能。為防止由于通信出錯而導致的誤動作，采用帶有循環冗余校驗(Cyclical Redundancy Check)碼的信息包進行傳輸^[3]。監控系統界面模擬了ZQJ一230D型氦質譜檢漏儀的操作面板，如圖5所示。

2．2．2單片機端軟件系統
??????? 單片機端軟件系統采用匯編語言開發，程序主要功能是實現帶CRC(Cyclieal Redundancy Check)校驗的與計算機的串口通信，分析計算機端發來的數據包，再根據數據包內容執行相應的動作，如驅動繼電器和TLC5620D／A芯片^[4]。

3? 結束語
??????? 本文基于LabVIEw開發平臺，設計了氦質譜檢漏儀的監控系統，主要說明了系統的硬件構成及其軟件系統。目前該監控系統已可以進行信號的采集，可以根據用戶的界面操作控制檢漏儀的部分動作，運行比較穩定，人機交互界面良好，為進一步的自動控制開發打下了良好的基礎。而且該監控系統的可移植性好，只需要改變部分軟件就可以應用到某些測量儀器的監控系統上，如四極桿質譜儀，體現了虛擬儀器技術的優勢。