國防科工委真空計量一級站開展真空計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、質(zhì)譜計、潤孔和流量計。目前，真空計量一級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)分子流理論的計算機(jī)數(shù)值模擬，而且在真空計量標(biāo)準(zhǔn)裝里的研制中實現(xiàn)了自動控制、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)的計算機(jī)技術(shù)及其在真空計量研究中取得的一些應(yīng)用成果。

1、引言

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

　　八十年代美國己經(jīng)將計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到真空設(shè)備的研制中。九十年代初，國防科工委真空計量一級站開始在真空計量中應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)，經(jīng)過近十年的研究和實踐，不但完成了非平衡態(tài)分子流理論的計算機(jī)數(shù)值模擬，而且在真空計量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制中實現(xiàn)了自動控制、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)的計算機(jī)技術(shù)及其在真空計量研究中取得的一些應(yīng)用成果。

2、計算機(jī)技術(shù)

2.1、計算機(jī)軟件技術(shù)

　　在計算機(jī)軟件的開發(fā)過程中，最早使用的計算機(jī)軟件是用匯編語言寫成的，運(yùn)行在早期的單板機(jī)上，接著采用Basic, Fortran, C等高級編程語言編制的計算機(jī)軟件被大量使用，目前采用的方法是運(yùn)用上述高級編程語言和Microsoft Foxpro, Microsoft Access等數(shù)據(jù)庫管理系統(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。

　　計算機(jī)軟件開發(fā)平臺從早期的DOS操作系統(tǒng)發(fā)展到Windows。操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了多任務(wù)管理，具有OLE(Object Linking and Embedding)對象鏈接及嵌入和DDE(Dynamic Data Exchange)動態(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、計算機(jī)硬件技術(shù)

　　為了能夠?qū)崿F(xiàn)計算機(jī)對真空系統(tǒng)的控制，首先要利用模擬電路和數(shù)字電路的基礎(chǔ)知識設(shè)計制作一些控制電路和轉(zhuǎn)換電路，用于計算機(jī)和被控對象之間的硬件聯(lián)系。然后將被控對象通過硬件電路、可編程控制器、計算機(jī)接口與控制計算機(jī)相連，組成測量與控制系統(tǒng)。可編程控制器和計算機(jī)接口技術(shù)在計算機(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DEC數(shù)字設(shè)備公司研制出世界上第一臺可編程控制器。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)，又因為采用了微型計算機(jī)的一些原理和技術(shù)，克服了繼電器控制的缺陷�，F(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，還能實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)川。由于可編程控制器具有極高的可靠性，編程簡單，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部分組成，如圖1所示。輸入部分收集并保存被控對象實際運(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象中，哪幾個需要實時操作處理。

　　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，去啟動、關(guān)閉有關(guān)控制門電路，分時、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、計算機(jī)接口技術(shù)

　　早期的真空測量儀器儀表接口設(shè)計較為簡單，采用BCD碼接口，計算機(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)過譯碼才能得到測量數(shù)據(jù)，接線和編程都較復(fù)雜。

　　隨著計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)在我國的普及，計算機(jī)上用的通用接口在自動測試和自動控制中的應(yīng)用越來越廣。計算機(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)，是指美國電子工業(yè)協(xié)會(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個信號線，大多數(shù)信號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個信號線，圖2給出了兩臺計算機(jī)或終端間的連接方法，兩者的信號地線直接相連，發(fā)送數(shù)據(jù)線和接收數(shù)據(jù)線交叉連接，即一臺計算機(jī)和終端的數(shù)據(jù)輸出是另一臺計算機(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，采用這樣對信號地對稱的電壓，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)行信號傳輸。采用RS-232-C接口進(jìn)行通訊時，要注意計算機(jī)和被控對象之間的數(shù)據(jù)傳輸格式和串行通訊速度是否一致Is7數(shù)據(jù)傳輸格式中對數(shù)據(jù)的起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位、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。它是連接計算機(jī)與各種電子儀器，如數(shù)字電壓表、頻率計數(shù)器、可程控電源、信號發(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)，這個標(biāo)準(zhǔn)具有多用性、功能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。美國IEEE和IEC采用了這個標(biāo)準(zhǔn)，在這個標(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24線的組合插頭座作為連接器，定義了每個引腳的功能: 給定了標(biāo)準(zhǔn)邏輯和用于各種儀器設(shè)備之間對話的方法及規(guī)則:定義了輸入輸出信號電平標(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個設(shè)備。采用IEEE-488接口進(jìn)行通訊時應(yīng)注意控者、講者 、聽 者 之 間 的 關(guān) 系和傳送數(shù)據(jù)的時序。計算機(jī)和測量儀表的通訊過程中，適當(dāng)在軟件中增加延時，使之與IEEE-488接口的工作時序相匹配。為減少數(shù)據(jù)采集錯誤， 計 算機(jī)應(yīng)對每個被測量都進(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)采集錯誤。

3 、計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用實例

　　真空計量一級站開展真空計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、質(zhì)譜計、漏孔和流量計。目前，真空計量一級站正致力于極高真空、微流量、分壓力的校準(zhǔn)技術(shù)研究。計算機(jī)技術(shù)廣泛地應(yīng)用在上述研究領(lǐng)域，使真空計量的水平得到了提高。從以下四個方面闡述了計算機(jī)技術(shù)在真空計量中的應(yīng)用。

3.1、數(shù)值模擬

　　利用計算機(jī)可以對真空計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。真空計量一級站開展過用視角系數(shù)法計算球形比對容器中的分子流分布和用蒙特卡洛法模擬動態(tài)流量法校準(zhǔn)系統(tǒng)的分子流場分布的研究工作。

　　根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)動態(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)識校準(zhǔn)室內(nèi)分子流場的分布情況，結(jié)合實際系統(tǒng)選用蒙特卡洛法對非均勻分子流場進(jìn)行了深入的計算機(jī)模擬研究。

　　蒙特卡洛法，又稱隨機(jī)抽樣技巧或統(tǒng)計試驗方法。當(dāng)所要求解的問題是某種事件出現(xiàn)的概率，或者是某個隨機(jī)變t的期望值時，它們可以通過某種試驗的方法得到這種事件出現(xiàn)的頻率，或者這個隨機(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。

　　通過計算機(jī)對校準(zhǔn)室內(nèi)的分子流場進(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)室分子流場分布曲線，抽速變化及分子入射、返流時由于孔厚引起的束流效應(yīng)對校準(zhǔn)室內(nèi)分子流場分布的影響。計算機(jī)數(shù)值模擬的結(jié)果為校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試和實驗提供了有力的理論依據(jù)。

3.2、數(shù)學(xué)計算

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

　　金屬膨脹式真空計量標(biāo)準(zhǔn)裝置是一臺絕對真空標(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)精確測量前級標(biāo)準(zhǔn)壓力，通過大量實驗側(cè)定取樣室和校準(zhǔn)室的體積比，根據(jù)多級氣體連續(xù)膨脹公式可以精確計算出標(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)壓力的計算公式復(fù)雜，計算量大。為了能夠提供一個實時的標(biāo)準(zhǔn)壓力值，便于對校準(zhǔn)過程進(jìn)行實時分析，及時發(fā)現(xiàn)校準(zhǔn)中出現(xiàn)的問題，開發(fā)了計算機(jī)校準(zhǔn)軟件，根據(jù)校準(zhǔn)公式對標(biāo)準(zhǔn)壓力進(jìn)行計算和修正，避免了校準(zhǔn)人員繁瑣的重復(fù)性勞動。

　　在真空校準(zhǔn)工作中，需要對大里校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以給出校準(zhǔn)結(jié)果，通過計算機(jī)軟件，例如電子表格軟件”MiCrosoft Excel，可以對校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，不僅可以計算出修正系數(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)對真空計讀數(shù)的函數(shù)。

　　表1為一臺390HA型電容薄膜規(guī)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)計讀數(shù)，P1，是標(biāo)準(zhǔn)壓力，P2是真空計讀數(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 測量范圍內(nèi)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的六階多項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)。