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GaAs光電陰極是一種負電子親和勢光電陰極，具有量子效率高、發射電子能量和角度分布集中的優點，因而在微光像增強器、半導體敏感器件、自旋極化電子源等眾多領域得到了廣泛的應用，但GaAs光電陰極的制備過程卻極為復雜，對制備工藝和條件都有嚴格要求。目前GaAs光電陰極的制備都主要依賴熟練操作人員進行手工操作，這種操作方式不盡浪費大量人力物力，而且制備質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測試儀，只能用于陰極制備后的光譜響應曲線測試，評估陰極的制備質量，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，都沒有實時采集功能，更沒有對銫（氧）源電流的計算機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、制備質量和效率的提高。本文利用CAN總線可靠性高、成本低、配置靈活和傳輸速度快等優點，設計了一套基于CAN總線的GaAs光電陰極制備測控系統，可實現上述信息的實時測試和銫（氧）源電流的自動控制。 1 測控系統組成 根據GaAs光電陰極制備工藝的要求，我們設計了如圖1所示的GaAs光電陰極制備測控系統原理框圖。該測控系統由三大部分構成：超高真空激活系統、計算機和外圍測控設備，其中超高真空激活系統是用于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備與計算機相連。測控設備共分兩部分，一部分完成光電流、光譜響應曲線的測試，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。 第一部分相當于一個光譜響應測試儀，光譜響應曲線測試時，先由計算機控制光柵單色儀輸出一定波長的單色光并照射到陰極面，陰極產生微弱的光電流，光電流放大后經A/D轉換為數字信號，計算機將該信號和對應的單色光輻射功率進行數據處理，就得到陰極的光譜響應曲線。這一部分中沒有用到CAN總線，本文中將不作介紹，重點介紹的是第二部分。在第二部分中，真空度、銫（氧）源電流信號是通過CAN總線實現測控的，測控信號通過USB-CAN轉換器與計算機相連。這部分的設計，結合了CAN與USB總線的優點，從而能實現更靈活的通信任務和更強大的信號測控功能。 圖1 GaAs光電陰極制備測控系統原理框圖 2 測控系統硬件設計 2.1 USB-CAN轉換器硬件設計 USB-CAN轉換器實現USB與CAN兩種總線之間的協議轉換，如圖2所示為其結構框圖。圖中微控制器89C52負責轉換器的監控任務以及CAN與USB總線的通信任務。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，提高系統實時通信能力。 2.2 多信息量測控設備硬件設計 原有系統的真空計和模擬電源等設備都是獨立工作的，不具有和計算機通信的能力。為了實現真空度和銫（氧）源電流信息的測控，同時也為了節省成本，本文采用的方案是在原有設備上增加一個多信息量測控模塊，使之具有數字化測控和通信功能。多信息量測控模塊的任務是將設備顯示的信號取出并傳輸給計算機或將計算機發來的控制命令傳輸給設備，所以實際上測控模塊電路由兩部分構成，一部分完成真空度、銫（氧）源電流信息的測試，另一部分實現銫（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，為了保持采集數據與設備顯示數據的一致性，采用的方法是將設備數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位數碼管構成，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構框圖，圖中真空計或電源的3位數碼管分別與一片雙四選一的電子開關CD4052相連，微控制器從鎖存器輸出地址選通信號，控制CD4052依次輸出數碼管8段顯示信息中的2段，連接到比較器LM358上，經比較轉換為標準的邏輯電平后輸出給微控制器，最后微控制器將3個數碼管的信號組合在一起，得到真空計或電源上顯示的數據。在這里采用比較器的主要優點是可以根據不同數碼管的驅動電平靈活的調整比較電壓，而且輸出邏輯電平穩定，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 圖2 USB－CAN轉換器結構框圖 圖3 多信息量測試模塊結構框圖 原有的系統中，銫（氧）源電流大小的控制是通過手動調節電源的模擬電位器來實現，而為了實現計算機對電流大小的數字化控制，最直接的辦法就是用數字電位器取代電源的模擬電位器，按此方案設計的電流控制模塊結構框圖如圖4所示。電源有一個10K的粗調電位器和一個1K的細調電位器，分別用10K和1K數字電位器X9C103、X9C102取代，圖4中兩個數字電位器是串聯在一起的，這種接法可使電流控制精度更高，而實際控制精度超過了模擬電源的三位顯示精度，這完全能滿足系統對電流控制精度的要求。數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，經過驅動后控制雙刀雙擲繼電器來確定。微控制器也可以輸出控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，從而實現銫（氧）源電流的通斷，同時由于控制的是220V交流電源，在微控制器和驅動器之間必須進行光電隔離。計算機可通過上述方式來實現陰極制備過程中的自動銫氧交替。 圖4 銫（氧）源電流控制模塊結構框圖 3 測控系統軟件設計 3.1 USB-CAN轉換器軟件設計 USB與CAN總線轉換器軟件主要進行USB與CAN總線的協議轉換，在測控設備與計算機之間實現通信，其軟件設計主要包括CAN和USB接口芯片的初始化以及CAN與USB報文的發送和接收。USB與CAN總線控制器芯片分別采用CH372和SJA1000，CH372有內置固件模式，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現，這種方法能保證最快的響應速度，提高通信效率。接收到的USB報文可通過CAN總線直接發送給測控設備，而接收到的CAN報文則通過兩步來發送給計算機，先通過USB中斷傳輸觸發計算機的中斷服務程序，后通過批量傳輸將CAN報文發送給計算機，這種方式可實時觸發計算機進行采集數據的處理，提高計算機的響應速度。 3.2 多信息量測控軟件設計 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備數碼管上顯示的數據取出，經組合和譯碼后轉換為被測信息量。測試軟件設計的關鍵在于控制CD4052依次選通各個數碼管分多次輸出顯示信息，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備顯示的真空度或電流大小。控制軟件的功能是通過數字電位器和繼電器實現銫（氧）源電流大小和通斷的控制，其中控制軟件設計的重點是電流大小的控制。由于電源輸出電流與電位器的阻值不一定呈線性關系，而且不同電源的情況也不盡相同，所以控制算法應有一定的適應性。借鑒人工調節電流時的經驗，控制軟件中采用的是兩步調節算法，先“粗調”后“細調”。兩步調節法先計算電流設定值和當前值的差值，若相差較大，則進行“粗調”（調節X9C103）。若差值已經落到X9C102的調節范圍內時，則進行“細調”（調節X9C102），細調時用“拆半”調節法（與拆半查找法類似）使電流快速接近并達到設定值。采用上述的兩步調節算法能保證輸出電流的調節時間短，控制精度高。 3.3 計算機軟件設計 計算機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。光電流由計算機控制定時進行采集，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發送，計算機接收后更新顯示或進行數據處理。為了能保證計算機及時接收到設備發來的信息，我們在軟件中采用了偽中斷和多線程技術。偽中斷服務程序是由CH372驅動程序中斷后通過動態鏈接庫（DLL）在應用層模擬調用的，能及時響應USB中斷傳輸，多線程則能實現多個任務的并行處理，提高響應速度和處理效率。性能參數計算模塊主要對測試結果進行分析處理，得到想要的各種制備工藝或陰極的性能參數。 4 結束語 CAN總線在GaAs光電陰極制備測控系統中的應用成功的解決了系統測控信息量多，對可靠性和實時性要求高的難題，該測控系統的研制成功將有利于對GaAs光電陰極制備工藝進行深入的理論研究，促進提高GaAs光電陰極的制備水平，該系統具有良好的應用前景和推廣價值。 |
