МИ- 1201 質譜儀信號電路改造

馬騰

（中核陜西鈾濃縮有限公司，陜西 漢中723000）

1 測控電路

МИ-1201 質譜儀的電路分為模擬和數字兩大部分，儀器的控制、數據的采集均由計算機通過數字電路傳遞信息對模擬電路實現控制，數字電路負責把質譜信號轉換成數字信號供計算機分析、處理，并將計算機發出的數字信號轉變成模擬信號去控制質譜計的工作，因此數字電路是儀器運行的技術關鍵[1]。

1.1 數字電路

AK2 離子源通道控制器是計算機控制和采集高壓穩定器單元（A50）和離子源供電單元（A45）的接口。AK3 控制臺控制器主要功能是控制質譜計的進樣電磁閥，接通高壓穩定器單元（A50）和離子源供電單元（A45）供電。AK5 電壓控制器主要功能是將質譜計的各檢測點的電信號切換到與數字電壓表配套的控制臺A62 的輸入端；并且將測量結果傳送到通信總線。AK6自動穩峰裝置的作用是補償磁場的漂移，確保相對測量時磁場的穩定。AK8 是計算機控制掃描穩定器單元（A43）的接口，主要功能是向掃描穩定器發送設定的控制脈沖，實現磁場的掃描和按設定的質量數進行磁場的跳轉。AK9 是計算機控制U/F 轉換單元（A44）的接口，功能是控制六個U/F 組件工作，并采集和計算U/F 組件確定時間內的脈沖數。AK10 是計算機總線接口（A63）和質諧計的二級接口。質譜計的二次總線是在И-41 接口基礎上構成的，AK10 對數據信息和控制信號進行整形匹配。A63 是計算機總線與質譜計之間的通訊接口，通過通訊電纜和AK10 相聯。

1.2 模擬電路

МИ-1201 質譜計進行樣品分析主要涉及三個部分的功能，分別是電磁閥的開關控制，磁場調節與自穩定控制，接收杯信號采集。每一個電磁閥開關的控制裝置是由計算機發出指令，通過光電耦合器，經過譯碼器驛碼后進行單獨控制。磁場控制過程是采用脈沖方式調制電磁鐵所需電流，主要包括了三角波發生器、比較器、大功率開關電路、濾波器等電路。三角波發生器產生的三角波頻率經過測量約為25KHz。為了方便計算機對磁場進行控制，使用標準電流脈沖電路形成器，將計算機輸出的調控磁場的信號轉換成對應脈沖，按計算機指令完成對磁場的增減、跳轉及穩定控制，電路中的控制信號的基準頻率經過測量為125KHz，使用觸發器與恒流源電子開關進行驅動。

МИ-1201 質譜儀分析樣品豐度依據接收器上的樣品離子流信號，這一部分微弱的電流信號經過靜電計轉化、放大為電壓信號后，由U/F 轉換單元將電壓信號轉換為計算機能夠識別的脈沖信號進行數據傳輸與采集。電壓信號轉換后變為方波脈沖信號，測量質譜計在空閑狀態下各接收杯的方波脈沖信號頻率。

2 電路設計

2.1 CAN 總線電路

選用CAN 總線作為МИ-1201 質譜儀新的總線通訊方式，取代由多個數字板電路構成的信號電路。圍繞計算機與CAN 總線協議開發信號采集轉換電路板，將模擬電路上的模擬電壓信號轉換為數字信號。開發一個通信控制電路板，將數字信號轉換為CAN 總線協議中要求的標準模式。傳輸至CAN 轉USB 控制器，轉為USB 通信信號，使用計算機主板的USB 接口將各個電路單元的工作信號采集至計算機中進行存儲，發出計算機的控制指令到各個電路單元的驅動電路，轉換為驅動的模擬電壓信號。

質譜計的信號處理系統設計采用總線式網絡拓撲結構。計算機通過USB-CAN 轉換器與各模擬電路單元進行通信，各單元接收計算機發送的控制信號，通過模數轉換器與輸入輸出控制器將計算機命令轉換為模擬信號，驅動模擬電路上的步進電機與繼電器，實現控制。計算機通過USB 數據線連接到USB-CAN 轉換器，轉換器CAN 總線接口完成與模擬數字轉換板上芯片的數據傳輸，由總線控制器把數據傳輸到CAN 總線上。

2.2 電路設計

總線控制器在通電時讀取地址碼，通過CAN 總線將其送往計算機，經過確認后，啟動完成該功能單元的維護與復位程序。各模擬電路單元中電源組件的控制以及通過CAN 總線與計算機聯系的功能，由用總線控制電路板進行，持續控制每一個單元，保證與計算機間聯系。CAN 信號接收引腳RX 和發送引腳TX 并不直接連接到總線驅動器的RXD 和TXD 端。而是經過高速光耦6N137 進行連接，為了實現真正意義上完全的電氣隔離，光耦部分的VA 與VB 通過DC-DC 模塊進行隔離。并在CANH 和CANL 引腳與地之間并聯兩個30P 的電容，用于濾除總線上的高頻干擾。

3 程序

使用新的CAN 總線控制電路板替代原有多個數字板通信后，采用VC++進行測控程序修改，在Windows 環境下編程，利用工具對驅動程序進行重新編寫，使新測控程序能驅動CAN 總線控制電路，實現信號采集與控制功能。МИ-1201 質譜儀磁場控制單元是進行磁場調節與自穩定控制的關鍵部件，安裝CAN總線控制器與輸入輸出控制器后，使用新程序可以成功實現磁流信號采集與調節。

圖1 CAN 總線控制電路結構圖

4 應用測試

使用相對標準偏差表征氣體同位素質譜計測量的隨機誤差。使用兩個標準樣品，其中一個作為待測樣品。標準和待測交替進樣。記憶因子和儀器的不穩定因素也都被考慮進去。選用GBW04225（D58=0.031035）和GBW04235（D58=0.048849）兩 個標準樣品在質譜計上進行了雙標準相對測量。測試結果如表1所示。

表1 雙標準相對測量結果統計表

測試結果均符合《專用質譜計校準規范》中關于相對標準偏差小于0.04%和系統相對偏差小于0.04%的要求。測試表明，使用基于CAN 總線協議的通信方式對信號處理電路進行改造，軟件進行更新，新的設計可以在保證МИ-1201 質譜儀原有功能的基礎上，實現計算機對關鍵信號參數的實時監控，并實時顯示，簡化了電路結構，提高了信號板的通用性。