基于虚拟仪器的氦质谱检漏仪监控系统设计
目前，检漏技术在半导体、电力、制冷、航空航天、原子能、真空、医疗和汽车等行业都已得到成功的应用。而氦质谱检漏方法与气泡识别法、压强衰减法和卤素检漏等方法相比，有着检测灵敏度高、速度快和适用范围宽的优点，而且，选择了无毒、无破坏性、质量轻的惰性气体氦气作为探测气体，使氦质谱检漏仪得到了非常广泛的应用。
随着集成电路和计算机技术的发展，测量仪器开始与虚拟仪器技术紧密结合，向着自动化、智能化的方向发展。氦质谱捡漏仪也顺应这个潮流，出现了自动化程度很高的产品，如：中科院科仪中心的ZQ]2291型仪器，自动校准氦峰，自动调节零点，量程自动转换，自动数据处理，可外接打印机。整机由微机控制，菜单选择功能，一个按钮即可完成一次全检漏过程[1]。
实验室现有一部中科院科仪中心的ZQJ一230D型氦质谱检漏仪，自动化程度较低，数据记录及操作相对麻烦。为了对其进行升级，结合虚拟仪器技术，本文设计开发了一套监控系统。该监控系统将氦质谱检漏仪的控制面板一部分功能转移到电脑上来，提供了良好的人机交互界面，具有数据分析、记录功能，可以进行一定程度上的自动运行，减轻了操作人员的劳动量。
1 系统构成及其工作过程
系统整体结构如图1所示。系统工作流程及各主要组成模块功能如下：氦质谱检漏仪给出反映其运行状态的原始电信号，包括反映氦离子流大小、真空度以及开关状态的电信号等；信号调理模块将这些电信号调整为适合采集卡采集的信号；信号采集卡再将从信号调理电路出来的模拟信号进行A／D转换，转换所得的数字信号输人计算机；在计算机上的软件系统对从采集卡进来的数据进行分析、显示和记录，同时判断出检漏仪的运行情况，通过RS232串口向单片机控制接口模块发送相应的控制指令；单片机控制接口模块接收计算机的指令，通过接口电路控制检漏仪执行相应的动作，从而实现检漏仪的自动化运行。
2 系统设计
虚拟仪器监控系统包括硬件和软件两部分，其中硬件由计算机、数据采集卡、控制接口电路及其它辅助电路组成，软件在LabVIEW软件工具平台下编写。下面分别从硬件和软件两方面对检漏仪监控系统进行分析和设计。
2．1系统硬件设计
硬件系统主要包括氦质谱检漏仪、信号采集卡、单片机控制接口电路等。
2．1．1氦质谱检漏仪
系统所用检漏仪为ZO_I-230D型氦质谱检漏仪，检漏方式为逆扩散型，工作原理如图2所示。
逆扩散检漏是把被检件接在分子泵出气口一端，漏入的氦气由分子泵出气口逆着泵的排气方向进入安装在泵的进气口端的质谱室内而被检测。在质谱室内，根据质谱学原理，测出氦气的多少，从而确定漏孔的漏率。
2．1．2数据采集卡
系统以虚拟仪器技术为平台，选用美国NI(National Instruments)公司的M系列PCI-6220多功能数据采集卡。这款数据采集卡是NI公司推出的适用于PCI总线及其兼容机的数据采集和控制设备，是一款性价比较好的产品，有模拟输入(AI)、数字输入／输出(Digital I／O)、定时／计数、自动校准功能。
M系列PCI一6220数据采集卡的主要性能指标：
(1)总线类型：PCI
(2)模拟信号输入部分基本性能指标：
输入通道：16路单端输入(8路差分输入)
最高采样率：250KS／s
逐次逼近式A／D转换器
分辨率：16位
(3)数字I／O：3个
(4)定时／计数：2个
2．1．3单片机控制接口电路
由于实验室的电磁环境不会太恶劣，可以采用MCSSl单片机作为控制电路的智能控制单元，给出控制信号。本监控系统的控制电路组成框图如图3所示。单片机采用AT89S52芯片，通过RS485接口电路(采用MAX485芯片)与计算机进行串口通信，通过继电器对检漏仪的部分开关进行控制，采用TLC5620D／A芯片及电压调整电路输出用于检漏仪状态调整的电压信号。
2．2系统软件设计
软件系统是整个监控系统的核心，是实现自动化运作的关键所在，主要包括计算机端和单片机端软件系统。
2．2．1计算机端软件系统
计算机端软件系统的开发平台选用Lab—VIEW7．1，这是由虚拟仪器概念的创始者NI公司开发的一种图形化编程语言，与VC、VB等其他可视化编程语言相比，LabVIEW函数库丰富、编程简单直观、调试方便，界面风格也接近于传统仪器。使用LabVIEW进行软件开发可以节省大量的学习软件、调试程序和界面修饰的时间，大大简化了系统的构建及源代码的编写，可以使开发者把主要精力集中在系统的设计上，因此非常适合实际工程上的应用[2]。
该系统采用模块化设计，整个系统由信号采集模块、信号处理模块、数据存储模块、界面管理模块以及串口通信模块组成，各个模块按照一定的执行顺序集成于主程序框架中，层次分明，修改方便。软件系统结构及各模块数据流向如图4所示，简单说明如下：
(1)信号采集模块
PCI-6220数据采集卡支持LabVIEW7．1自带的驱动，通过简单的配置后，直接调用DAQmx的子VI就可以实现对采集卡的操作。信号采集模块的功能是控制数据采集卡，采集氦离子流电信号、真空度电信号以及其它的相关电压信号，并将反映这些信号变化的数字量送给信号处理模块。由于氦质谱检漏仪输出的信号都是变化较慢的信号，信号量多，不需要进行高速采集，所以数据采集卡的采样率设置为200，模拟输入通道数为16。
(2)信号处理模块
检漏仪的输出的信号不需要进行复杂的数学处理，因此，信号处理模块的数学处理内容不是很多，该模块的功能主要包括：滤除信号的工频干扰；将各个电压信号转换为对应的物理量，送给界面模块进行指示；对开关信号、真空度信号等进行关联分析，判断并确认检漏仪的工作状态，给出提示及相应的控制指令。其中，滤除工频干扰是通过数字巴特沃斯(Butterworth)低通滤波器对采集进来的数字量进行处理实现的，体现了虚拟仪器技术的软件代替硬件的优点。这一模块在系统各部分的相互协作中起决定性作用，是整个软件系统的难点所在。
(3)数据存储提取模块
由于检漏仪需要记录的数据量不大，因此不需要建立数据库，该模块的功能就是建立文件，将反映漏率的数据写入文本文件中进行保存，并能按照用户的要求回放出已保存的文件的数据曲线。所建立的文本文件也可以由Windows系统方便访问。
(4)界面管理模块
该模块的功能是管理交互界面及其控件，负责指示各种参量、显示历史曲线、报警提示，并根据用户对控件(按键、旋钮等)的操作向其它模块发送信息。
(5)串口通信模块
用LabVIEW里的Serial子VI编写这一模块程序。该模块实现计算机与控制接口模块中的单片机之间的串口通信功能。为防止由于通信出错而导致的误动作，采用带有循环冗余校验(Cyclical Redundancy Check)码的信息包进行传输[3]。监控系统界面模拟了ZQJ一230D型氦质谱检漏仪的操作面板，如图5所示。
2．2．2单片机端软件系统
单片机端软件系统采用汇编语言开发，程序主要功能是实现带CRC(Cyclieal Redundancy Check)校验的与计算机的串口通信，分析计算机端发来的数据包，再根据数据包内容执行相应的动作，如驱动继电器和TLC5620D／A芯片[4]。
3 结束语
本文基于LabVIEw开发平台，设计了氦质谱检漏仪的监控系统，主要说明了系统的硬件构成及其软件系统。目前该监控系统已可以进行信号的采集，可以根据用户的界面操作控制检漏仪的部分动作，运行比较稳定，人机交互界面良好，为进一步的自动控制开发打下了良好的基础。而且该监控系统的可移植性好，只需要改变部分软件就可以应用到某些测量仪器的监控系统上，如四极杆质谱仪，体现了虚拟仪器技术的优势。
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