國(guó)防科工委真空計(jì)量一級(jí)站開展真空計(jì)量的研究己有三十多年的歷史，全壓力、分壓力和流量(漏率)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置己經(jīng)逐漸建立起來，分別用于校準(zhǔn)其空計(jì)、質(zhì)譜計(jì)、潤(rùn)孔和流量計(jì)。目前，真空計(jì)量一級(jí)站正致力于極高真空、微流量、分壓力的校準(zhǔn)技術(shù)研究，計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛地應(yīng)用在上述研究領(lǐng)域，不但完成了非平衡態(tài)分子流理論的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，而且在真空計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝里的研制中實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制、儀器儀表通訊、數(shù)據(jù)采集和處理等功能。本文介紹了相關(guān)的計(jì)算機(jī)技術(shù)及其在真空計(jì)量研究中取得的一些應(yīng)用成果。

1、引言

　　飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

　　八十年代美國(guó)己經(jīng)將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到真空設(shè)備的研制中。九十年代初，國(guó)防科工委真空計(jì)量一級(jí)站開始在真空計(jì)量中應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，經(jīng)過近十年的研究和實(shí)踐，不但完成了非平衡態(tài)分子流理論的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，而且在真空計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制中實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制、儀器儀表通訊、數(shù)據(jù)采集和處理等功能。本文介紹了相關(guān)的計(jì)算機(jī)技術(shù)及其在真空計(jì)量研究中取得的一些應(yīng)用成果。

2、計(jì)算機(jī)技術(shù)

2.1、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)

　　在計(jì)算機(jī)軟件的開發(fā)過程中，最早使用的計(jì)算機(jī)軟件是用匯編語(yǔ)言寫成的，運(yùn)行在早期的單板機(jī)上，接著采用Basic, Fortran, C等高級(jí)編程語(yǔ)言編制的計(jì)算機(jī)軟件被大量使用，目前采用的方法是運(yùn)用上述高級(jí)編程語(yǔ)言和Microsoft Foxpro, Microsoft Access等數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)開發(fā)軟件進(jìn)行混合編程，不但使開發(fā)的應(yīng)用軟件具有快速的運(yùn)算功能、強(qiáng)大的接口操作功能，而且能夠?qū)π��?zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理。

　　計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)平臺(tái)從早期的DOS操作系統(tǒng)發(fā)展到Windows。操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)管理，具有OLE(Object Linking and Embedding)對(duì)象鏈接及嵌入和DDE(Dynamic Data Exchange)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換功能，能夠與其它應(yīng)用程序之間傳遞信息，最大限度地利用Windows應(yīng)用程序提供的大量資源。

2.2、計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)

　　為了能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)真空系統(tǒng)的控制，首先要利用模擬電路和數(shù)字電路的基礎(chǔ)知識(shí)設(shè)計(jì)制作一些控制電路和轉(zhuǎn)換電路，用于計(jì)算機(jī)和被控對(duì)象之間的硬件聯(lián)系。然后將被控對(duì)象通過硬件電路、可編程控制器、計(jì)算機(jī)接口與控制計(jì)算機(jī)相連，組成測(cè)量與控制系統(tǒng)。可編程控制器和計(jì)算機(jī)接口技術(shù)在計(jì)算機(jī)控制中應(yīng)用十分廣泛。

2.2.1、可編程控制器

　　可編程控制器(ProgrammbleC ontroller)，縮寫成PC.1 969年美國(guó)DEC數(shù)字設(shè)備公司研制出世界上第一臺(tái)可編程控制器。它是為了取代繼電器控制而研制的，既保留了繼電器控制的優(yōu)點(diǎn)，又因?yàn)椴捎昧宋⑿陀?jì)算機(jī)的一些原理和技術(shù)，克服了繼電器控制的缺陷。現(xiàn)代的可編程控制器吸取了過程控制儀表、通訊技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)的特點(diǎn)，使可編程控制器不僅能完成程序控制，還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)川。由于可編程控制器具有極高的可靠性，編程簡(jiǎn)單，使用方便，已成為當(dāng)前和今后工業(yè)控制的主要手段和重要的基礎(chǔ)控制設(shè)備之一，在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。

　　可編程控制器一般由輸入部分、邏輯部分和輸出部分三個(gè)部分組成，如圖1所示。輸入部分收集并保存被控對(duì)象實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)和消息;邏輯部分處理由輸入部分所取得的信息，并判斷那些功能需要輸出;輸出部分提供被控對(duì)象中，哪幾個(gè)需要實(shí)時(shí)操作處理。

　　可編程控制器按系統(tǒng)程序賦予的功能，接受并存貯從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù);用掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并存入輸入狀態(tài)表和數(shù)據(jù)寄存器中:進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存貯器逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去啟動(dòng)、關(guān)閉有關(guān)控制門電路，分時(shí)、分渠道地去執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取、傳送、組合、比較和變換等動(dòng)作，完成用戶程序中規(guī)定的邏輯或算術(shù)運(yùn)算等任務(wù);根據(jù)運(yùn)算結(jié)果更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器表的內(nèi)容，再由輸出狀態(tài)表的位狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的有關(guān)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)輸出控制、數(shù)據(jù)通信等功能。LAD(Ladder Diagram)梯形圖類似繼電器控制電路形式，非常直觀易懂，是各種可編程控制器通用的編程方式。

2.2.2、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)

　　早期的真空測(cè)量?jī)x器儀表接口設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，采用BCD碼接口，計(jì)算機(jī)通過數(shù)字量愉入輸出接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，采集到的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過譯碼才能得到測(cè)量數(shù)據(jù)，接線和編程都較復(fù)雜。

　　隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)在我國(guó)的普及，計(jì)算機(jī)上用的通用接口在自動(dòng)測(cè)試和自動(dòng)控制中的應(yīng)用越來越廣。計(jì)算機(jī)上的通用接口一般有兩類，一類是串行通訊口，另一類是并行通訊口。

　　串行通訊口中RS-232-C異步串行通訊接口應(yīng)用最為廣泛，RS-422.RS-423. RS-449和RS485等幾類異步串行通訊接口都是在RS-232一的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。RS表示“推薦標(biāo)準(zhǔn)”(Recommended Standard)，是指美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(E工k)正式公布的標(biāo)推，它們規(guī)定了異步串行通訊接口的電氣連接方式。RS-232-C接口是為了用電話網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊而制定的標(biāo)準(zhǔn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，除了遠(yuǎn)距離通訊仍采用此法外，近程通訊和儀器儀表的控制也采用這種接口方法。

　　RS-232一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定有25根連線，使用21個(gè)信號(hào)線，大多數(shù)信號(hào)線與使用電話線有關(guān)，在直接通訊的情況下并不需要。在一般直接通訊中僅用到3個(gè)信號(hào)線，圖2給出了兩臺(tái)計(jì)算機(jī)或終端間的連接方法，兩者的信號(hào)地線直接相連，發(fā)送數(shù)據(jù)線和接收數(shù)據(jù)線交叉連接，即一臺(tái)計(jì)算機(jī)和終端的數(shù)據(jù)輸出是另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的輸入。

　　RS-232-C規(guī)定“1”的邏輯電平在一3V--15V之間，"0”的邏輯電平在十3V^-+15V之間，采用這樣對(duì)信號(hào)地對(duì)稱的電壓，而且電壓這樣高主要是為了防止干擾，一般在30米的距離內(nèi)可以安全地進(jìn)行信號(hào)傳輸。采用RS-232-C接口進(jìn)行通訊時(shí)，要注意計(jì)算機(jī)和被控對(duì)象之間的數(shù)據(jù)傳輸格式和串行通訊速度是否一致Is7數(shù)據(jù)傳輸格式中對(duì)數(shù)據(jù)的起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位、停止位須有明確的定義，串行通訊波特率(每秒傳送的位數(shù))通常使用9600。

　　IEEE-488接口，目前主要用于較小的系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的通信。它是連接計(jì)算機(jī)與各種電子儀器，如數(shù)字電壓表、頻率計(jì)數(shù)器、可程控電源、信號(hào)發(fā)生器等帶有IEEE-488接口的儀器系統(tǒng)之間的有效通迅手段。70年代初期，美國(guó)HP公司制定了自己用的8位數(shù)據(jù)通道的并行接口標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具有多用性、功能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)IEEE和IEC采用了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定了IEEE-488和IEC-625-1標(biāo)準(zhǔn)作為標(biāo)準(zhǔn)接口總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。IEEE-488總線標(biāo)準(zhǔn)的別名有HP-IB、GP-IB、IEC-IB、PLUS-IB。

　　IEEE-488接口規(guī)定了一個(gè)24線的組合插頭座作為連接器，定義了每個(gè)引腳的功能: 給定了標(biāo)準(zhǔn)邏輯和用于各種儀器設(shè)備之間對(duì)話的方法及規(guī)則:定義了輸入輸出信號(hào)電平標(biāo)準(zhǔn)，低電平蕊+0.8V 為邏輯u1rf，高電平)2.OV為邏輯 “0” ，即接口采用負(fù)邏輯;規(guī)定信息傳輸距離最遠(yuǎn)為20米;接口總線上最多可連接15個(gè)設(shè)備。采用IEEE-488接口進(jìn)行通訊時(shí)應(yīng)注意控者、講者 、聽 者 之 間 的 關(guān) 系和傳送數(shù)據(jù)的時(shí)序。計(jì)算機(jī)和測(cè)量?jī)x表的通訊過程中，適當(dāng)在軟件中增加延時(shí)，使之與IEEE-488接口的工作時(shí)序相匹配。為減少數(shù)據(jù)采集錯(cuò)誤， 計(jì) 算機(jī)應(yīng)對(duì)每個(gè)被測(cè)量都進(jìn)行多次數(shù)據(jù)采集，然后用數(shù)字濾波技術(shù)進(jìn)行處理，可以避免發(fā)生數(shù)據(jù)采集錯(cuò)誤。

3 、計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

　　真空計(jì)量一級(jí)站開展真空計(jì)量的研究己有三十多年的歷史，全壓力、分壓力和流量(漏率)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置已經(jīng)逐漸建立起來，分別用于校準(zhǔn)真空計(jì)、質(zhì)譜計(jì)、漏孔和流量計(jì)。目前，真空計(jì)量一級(jí)站正致力于極高真空、微流量、分壓力的校準(zhǔn)技術(shù)研究。計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛地應(yīng)用在上述研究領(lǐng)域，使真空計(jì)量的水平得到了提高。從以下四個(gè)方面闡述了計(jì)算機(jī)技術(shù)在真空計(jì)量中的應(yīng)用。

3.1、數(shù)值模擬

　　利用計(jì)算機(jī)可以對(duì)真空計(jì)量中的一些理論問題進(jìn)行數(shù)值模擬，得出可靠的模擬結(jié)果，有利于對(duì)它們進(jìn)行深入的研究。從理論上研究非平衡態(tài)(穩(wěn)態(tài)非均勻)分子流的方法是首先假定一個(gè)理論模型，建立一定的數(shù)學(xué)關(guān)系式，然后用解析法或計(jì)算機(jī)求解。目前的理論研究方法可以歸納為:視角系數(shù)法、積分方程法、蒙特卡洛法和等效表面法。真空計(jì)量一級(jí)站開展過用視角系數(shù)法計(jì)算球形比對(duì)容器中的分子流分布和用蒙特卡洛法模擬動(dòng)態(tài)流量法校準(zhǔn)系統(tǒng)的分子流場(chǎng)分布的研究工作。

　　根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)流量法校準(zhǔn)系統(tǒng)L8)采用了具有獨(dú)創(chuàng)性的四球結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。為了清楚認(rèn)識(shí)校準(zhǔn)室內(nèi)分子流場(chǎng)的分布情況，結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)選用蒙特卡洛法對(duì)非均勻分子流場(chǎng)進(jìn)行了深入的計(jì)算機(jī)模擬研究。

　　蒙特卡洛法，又稱隨機(jī)抽樣技巧或統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方法。當(dāng)所要求解的問題是某種事件出現(xiàn)的概率，或者是某個(gè)隨機(jī)變t的期望值時(shí)，它們可以通過某種試驗(yàn)的方法得到這種事件出現(xiàn)的頻率，或者這個(gè)隨機(jī)變量的平均值，并且把它們作為問題的解。這就是蒙特卡洛法的基本思想。

　　通過計(jì)算機(jī)對(duì)校準(zhǔn)室內(nèi)的分子流場(chǎng)進(jìn)行模擬，給出了分子流密度分布和校準(zhǔn)室內(nèi)表面縱向各位置上分子密度與赤道間的偏差，得到了校準(zhǔn)室分子流場(chǎng)分布曲線，抽速變化及分子入射、返流時(shí)由于孔厚引起的束流效應(yīng)對(duì)校準(zhǔn)室內(nèi)分子流場(chǎng)分布的影響。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的結(jié)果為校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試和實(shí)驗(yàn)提供了有力的理論依據(jù)。

3.2、數(shù)學(xué)計(jì)算

　　科研人員使用計(jì)算機(jī)能夠輕松地完成復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算。

　　金屬膨脹式真空計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置是一臺(tái)絕對(duì)真空標(biāo)準(zhǔn)，用于校準(zhǔn)電容薄膜規(guī)和磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)。標(biāo)準(zhǔn)裝置采用石英布爾登規(guī)精確測(cè)量前級(jí)標(biāo)準(zhǔn)壓力，通過大量實(shí)驗(yàn)側(cè)定取樣室和校準(zhǔn)室的體積比，根據(jù)多級(jí)氣體連續(xù)膨脹公式可以精確計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)壓力。由于考慮到校準(zhǔn)過程中要進(jìn)行多次多級(jí)氣體膨脹、取樣室壓力衰減、溫度變化等因素，使得標(biāo)準(zhǔn)壓力的計(jì)算公式復(fù)雜，計(jì)算量大。為了能夠提供一個(gè)實(shí)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)壓力值，便于對(duì)校準(zhǔn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)校準(zhǔn)中出現(xiàn)的問題，開發(fā)了計(jì)算機(jī)校準(zhǔn)軟件，根據(jù)校準(zhǔn)公式對(duì)標(biāo)準(zhǔn)壓力進(jìn)行計(jì)算和修正，避免了校準(zhǔn)人員繁瑣的重復(fù)性勞動(dòng)。

　　在真空校準(zhǔn)工作中，需要對(duì)大里校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以給出校準(zhǔn)結(jié)果，通過計(jì)算機(jī)軟件，例如電子表格軟件”MiCrosoft Excel，可以對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，不僅可以計(jì)算出修正系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)偏差、不確定度，繪制校準(zhǔn)曲線，而且可以根據(jù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，擬合出修正系數(shù)對(duì)真空計(jì)讀數(shù)的函數(shù)。

　　表1為一臺(tái)390HA型電容薄膜規(guī)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)計(jì)讀數(shù)，P1，是標(biāo)準(zhǔn)壓力，P2是真空計(jì)讀數(shù)，C是修正系數(shù)，C=P1/P2。電容薄膜規(guī)的校準(zhǔn)曲線見圖4，從圖中看出校準(zhǔn)曲線偏離線性，這是由于長(zhǎng)期使用導(dǎo)致其性能下降造成的。僅給出校準(zhǔn)曲線無法精確修正電容薄膜規(guī)，需要分段給出修正公式15一100kPa 測(cè)量范圍內(nèi)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的六階多項(xiàng)式擬合曲線和擬合公式見圖5，根據(jù)擬合公式用戶可以方便的得出修正系數(shù)。