基于安捷伦FRG700真空计的便携式真空显控系统设计

摘 要：安捷伦FRG700型全量程规广泛应用于真空测量领域，但目前市场上没有与之配套的便携式控制器。为此研制了一种适配于安捷伦FRG700真空计的便携式真空显控系统，该系统以STM32微控制器为核心，可实现远端状态检测、数据存储、低电量报警以及在线真空度显示等功能，为真空度检测提供了一种便携性、实时性的解决方案。

关键词：便携式真空测量;Cortex-M3;真空;FRG700

真空测量在半导体、科学仪器、航天产品、表面分析科学等领域具有广泛应用[1]。安捷伦FRG700全量程规因其集成度高、测量范围宽、便于安装等优点，在真空计领域有较高的市场占有量。在传统的真空度显控方案中，与FRG700配套使用的是安捷伦AGD-100规控制器，该设备为典型的实验室仪器，虽然测量精度高、单一性强，但受限于体积与工频交流供电等因素，不适用于便携式的真空测量工作。为此，本文提出了一种适用于安捷伦FRG700真空计的便携式真空显控系統（以下简称显控系统），用以改善传统真空度测量方案在便携测量方面的不足。

1 系统硬件设计

设计的硬件系统包括以STM32F103C8T6微控制器为核心的外围电路、OLED模块、RS232通讯电路、信号调理电路、声光报警电路、电压转换电路以及锂电池等组件，如图1所示。

综合考虑重量、体积、使用时长等因素，选用12V/3000mAh的软包锂电池作为整个系统的动力源，该电池输出电压为9-12.6V，由3支18650电芯组成，内部集成了过流、短路、低压以及过冲等保护电路。FRG700工作时需要显控系统提供直流电源，为确保规供电与显控系统的供电互不串扰，采取了分组供电的措施，并使用金升阳WRB1224ST-3WR2隔离稳压模块，将电池的输出电压提升至FRG700的额定工作电压。显控系统的信号调理部分与数字控制部分的供电，分别由金升阳WRA1212SD-1WR2模块（±12V）与K78L03-500R3模块（3.3V）进行提供。

显控系统使用STM32的片上ADC测量模拟电压信号。FRG700输出的电压信号与所测压力呈对数关系，电压范围为0～10.5V，因此该信号先利用差分电路进行降压，再经过有源低通滤波器滤除高频噪声后送入微控制器;电池电压的测量用于剩余电量的检测，信号调理电路首先使用电阻分压，再采用电压跟随器进行阻抗变换和滤波，使得测量信号达到微控制器的可测范围。

数字控制部分，微控制器使用SPI串行接口驱动1.3寸的OLED屏，用以显示真空度等相关信息;配备了RS232通讯接口，可向远端传输真空度等相关数据;设计了按键控制SD卡存储的功能，使能后，微控制器将测得的真空数据通过SPI协议写入SD卡;当电池电量不足时，微控制器驱动分立元件产生声光报警，提醒用户及时处理。

2 系统软件设计

本设计使用STM32固件库进行开发，STM32库是意法半导体公司提供的一系列函数的合集，它建立了用户函数调用的接口（API）与寄存器之间的桥梁，具有快速开发、便于移植、可读性强等优点。为了更好地协调管理各个软件模块，提高系统运行的实时性，引入了μC/OS-II嵌入式实时操作系统。

采用模块化的软件设计理念。首先，移植操作系统，搭建基于μC/OS-II嵌入式软件开发平台;然后，分别对USART接口、SPI接口等外设进行驱动程序的开发;最后，根据整个测量过程，编写应用程序，实现任务间的调度管理。

显控系统软件流程如图2所示，首先对芯片和外设进行初始化，然后建立了6个应用任务，并给任务分配优先级与堆栈，用来执行用户程序，最后调用μC/OS-II启动函数来开启操作系统。系统在运行时，任务之间通过信号量和消息邮箱的方式进行通信[2]，以实现系统的同步和管理，下表列出了系统建立的应用任务。

按键功能用来控制SD卡数据存储功能的开启/停止，RS232通讯使用串口IDLE中断，通过“查询/回应”的方式实现数据通讯，为实现上述两种功能，软件上设计了中断，并加上了OSIntEnter（）和OSIntExit（）这两个指令来控制中断关闭与开启[3]，以确保中断运行时不被打断。数据计算方面，根据FRG700的“电压-压强”的转换公式，完成测量电压到真空度（Pa）的转换计算，并增加Torr与Mbar的计算与显示，以提高使用便利性。对于电池剩余电量的检测，根据厂家提供的电池输出电压和电池的剩余容量的曲线，分段建立了计算公式，实现对电池剩余电量的估计。在上表所述的应用任务中，adc_task与calc_task为主要任务，所以将这两个任务的堆栈大小设置为1024，达到任务流畅运行的目的。

3 结论

传统的基于FRG700的真空测量显示方案虽然测量精度高，但体积较大、操作复杂，且不适用于无工频交流电的场合。本文介绍的便携式真空显控系统可实时显示3种单位的压力数据，便于用户直观获取真空度;设计的电量测量与报警功能，有利于锂电池组的管理和维护;采用SD卡存储测量数据的方案，可实现在无记录终端情况下的真空度的数据记录。整个系统成本低、体积小、质量轻、便于安装与携带，具有一定的实用价值。

参考文献：

[1]邵壮，延峰，王欢，董云宁，宋瑞海，魏萌萌，卢耀文.基于电路模拟的热阴极电离真空计电参数校准装置及方法[J].真空与低温，2019，25（04）：259-264.

[2]谢苗苗，李华龙，李能菲.基于STM32的谐波参数实时获取便携装置设计[J].仪表技术，2013（02）：32-34.

[3]王亭岭，焦金戈，王琪，熊军华，陈建明.基于STM32的便携高分辨率色度检测仪设计[J].仪表技术与传感器，2015（11）：49-51.

作者简介：蔡龙（1988-），男，河北唐山人，硕士，工程师，主要研究方向：分析仪器与嵌入式系统。