改進(jìn)的火焰光度計(jì)控制系統(tǒng)＊

雷震勇，孫國強(qiáng)

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

火焰光度計(jì)是根據(jù)被測(cè)元素的原子或離子受火焰激發(fā)后產(chǎn)生的特定波長(zhǎng)光譜，借助羅馬金公式，可對(duì)樣品中K、Na元素進(jìn)行定量分析的儀器［1］?；鹧婀舛扔?jì)是一種相對(duì)測(cè)量的儀器，被測(cè)樣品的濃度值是在統(tǒng)一測(cè)試條件下標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度的相對(duì)值。所以測(cè)試前需制備一組火焰光度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)溶液，然后進(jìn)行標(biāo)定操作，最后才對(duì)被測(cè)液樣品進(jìn)行測(cè)量。

火焰光度計(jì)主要用來測(cè)量血清中的Na＋和K＋濃度；土壤中堿金屬含量；鋁礦石中氧化鉀、氧化鈉含量等。目前，火焰光度計(jì)主要采用單片機(jī)電路或通用集成電路構(gòu)成控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理能力有限，系統(tǒng)可擴(kuò)展性差，標(biāo)定操作復(fù)雜。隨著社會(huì)的進(jìn)步，測(cè)量?jī)x器必須具備：人機(jī)界面友好、操作簡(jiǎn)便、智能處理、足夠高的精度和低功耗等。嵌入式微處理器ARM 具有強(qiáng)大的事務(wù)處理能力，同時(shí)具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)［2］。嵌入式操作系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)、安全、多任務(wù)等特點(diǎn)。所以，采用ARM 作為控制系統(tǒng)的核心，應(yīng)用Linux嵌入式操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套火焰光度計(jì)控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

火焰光度計(jì)主要由控制系統(tǒng)、氣路、吸液／霧化器、燃燒腔組成，控制系統(tǒng)組成如圖1所示。系統(tǒng)上電后，ARM 控制電磁閥開啟，接通燃?xì)?，待燃?xì)獾竭_(dá)燃燒腔的火嘴處，再控制點(diǎn)火線圈點(diǎn)火。著火以后要預(yù)燃燒30min，將腔內(nèi)雜質(zhì)燃燒掉，使火焰變純。系統(tǒng)工作過程如圖2所示。每次測(cè)量前，需用標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定后進(jìn)行樣品液的測(cè)量，最后輸出、記錄測(cè)量結(jié)果。

圖1 控制系統(tǒng)組成Fig.1 Components of the control system

圖2 系統(tǒng)工作過程Fig.2 The working process of the system

由三星公司設(shè)計(jì)的基于ARM9 的嵌入式微處理器S3C2440 構(gòu)成控制系統(tǒng)硬件的核心部分。S3C2440芯片集成LCD 專用DMA 控制器，提供了觸摸屏接口、2路USB主機(jī)控制、1路USB設(shè)備控制、3路URAT。存儲(chǔ)器控制器提供訪問外部存儲(chǔ)器所需的存儲(chǔ)器控制信號(hào)。內(nèi)部集成有8路A／D 轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)輸入通道A／D 轉(zhuǎn)換控制器，轉(zhuǎn)換精度為10bit。系統(tǒng)有兩個(gè)可切換量程：小量程（K：0.0～19.9 mmol／L；Na：0～199mmol／L）；大量程（K：0～80mmol／L；Na：0～800mmol／L）。為滿足檢測(cè)限、線性誤差、精度的相關(guān)要求［3］，A／D 轉(zhuǎn)換器采用TI公司16bit的TLC3574。硬件關(guān)鍵部分是通氣、點(diǎn)火、報(bào)警控制電路和信號(hào)處理電路。

火焰光經(jīng)過干涉濾光片分光，再經(jīng)光電池光電轉(zhuǎn)換，得到電流信號(hào)。經(jīng)前置放大、量程切換和A／D 轉(zhuǎn)換電路處理后將信號(hào)送給S3C2440，如圖3所示。圖中，IC為精密運(yùn)放OP07，SGM3002為低導(dǎo)通電阻的高能性能數(shù)字控制模擬開關(guān)，由S3C2440發(fā)送控制信號(hào)控制SGM3002轉(zhuǎn)換開關(guān)來分別選擇Na、K 兩路信號(hào)的不同放大比來進(jìn)行量程切換。

S3C2440通過通用輸入／輸出口（general purpose input／output，GPIO）控制繼電器間接控制電磁閥開啟、點(diǎn)火圈點(diǎn)火及蜂鳴器報(bào)警，電路圖見圖4。

圖3 前置放大、量程切換和AD 轉(zhuǎn)換電路Fig.3 Circuit of preamplifier，switch range and AD transform

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)基本框架為：嵌入式微處理器（S3C2440）、外圍硬件電路、嵌入式操作系統(tǒng)（Linux）和嵌入式圖形用戶界面（graphical user interface，GUI）。本設(shè)計(jì)采用可視化的基于Qt的GUI工具Qt Creater去編寫應(yīng)用程序，生成X86架構(gòu)的二進(jìn)制文件，再用Qt／Embedded庫對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行交叉編譯鏈接，得到在S3C2440平臺(tái)上運(yùn)行的可執(zhí)行文件。軟件包括啟動(dòng)程序、操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和用戶應(yīng)用程序等。系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖5所示，控制系統(tǒng)中的LCD、A／D轉(zhuǎn)換、觸摸屏、串口和USB都作為字符設(shè)備［4－6］，它們的驅(qū)動(dòng)程序加載到Linux內(nèi)核中，操作系統(tǒng)通過子程序調(diào)用實(shí)現(xiàn)設(shè)備訪問。加入異常處理，保證系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)的設(shè)置、標(biāo)定和參數(shù)調(diào)整、數(shù)據(jù)的處理和自動(dòng)保存等，都可從控制系統(tǒng)操作界面中直觀看到，操作方便。

圖4 電磁閥、點(diǎn)火圈、蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 Driving circuit of electromagnetic valve，ignition circle and a buzzer

圖5 系統(tǒng)軟件工作流程圖Fig.5 System software flow chart

圖6 標(biāo)定子程序流程圖Fig.6 Flow chart of calibration′s subroutine

其中，應(yīng)用程序主要包括標(biāo)定、測(cè)量、記錄存儲(chǔ)、顯示、打印、能耗管理等。

圖6為標(biāo)定子程序流程圖。標(biāo)定是為了消除儀器硬件老化和環(huán)境參數(shù)變化（如：零漂和溫漂）引起輸出結(jié)果的變化，對(duì)儀器進(jìn)行校正，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。標(biāo)定程序分別記錄Na、K 標(biāo)準(zhǔn)溶液的一組測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，求取線性回歸中斜率、截距與相關(guān)系數(shù)，得到線性方程，測(cè)量時(shí)將測(cè)量值代入方程處理，得出測(cè)量結(jié)果。

3 標(biāo)定過程中線性擬合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以表1的數(shù)據(jù)為例，設(shè)表中標(biāo)準(zhǔn)值為鉀元素1～8號(hào)標(biāo)準(zhǔn)溶液對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)濃度值，響應(yīng)值分別為標(biāo)定時(shí)儀器對(duì)應(yīng)的顯示值。如圖7所示，經(jīng)過回歸直線方程的求取，可得斜率a＝0.996 5，截距b＝－0.015 138，即回歸直線方程為y＝0.996 5x－0.015 138，相關(guān)系數(shù)R＝0.999 904。此程序算法結(jié)果與在Excel中線性回歸方程擬合結(jié)果相符（見圖8）。證明了線性擬合的準(zhǔn)確性。對(duì)被測(cè)樣品液中鉀離子濃度檢測(cè)時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)把響應(yīng)值代入標(biāo)定過程線性擬合所得的回歸方程中，得到并輸出顯示準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)果。

表1 回歸直線方程求取示例數(shù)據(jù)Tab.1 Sample data to calculate regression equation

圖7 線性回歸方程擬合Fig.7 Linear regression equation fitting

圖8 在Excel中的線性回歸方程擬合Fig.8 Linear regression equation fitting in Excel

4 結(jié) 論

本系統(tǒng)采用嵌入式微處理器S3C2440作為控制核心，硬件性能良好，精度滿足要求；用軟件的方法來實(shí)現(xiàn)標(biāo)定，操作簡(jiǎn)便。為滿足人機(jī)界面友好、智能程度高、精度準(zhǔn)確、功耗低的火焰光度計(jì)控制系統(tǒng)提供了一種簡(jiǎn)易可行的改進(jìn)方案。為測(cè)量其它堿金屬如Li、Ca等液體樣品濃度的火焰光度計(jì)的設(shè)計(jì)提供了新思路。

［1］ 全國物理化學(xué)計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJG 630－2007，火焰光度計(jì)檢定規(guī)程［S］.北京：國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2007.

［2］ 張綺文，王廷廣.ARM 嵌入式應(yīng)用開發(fā)完全自學(xué)手冊(cè)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009：1－3.

［3］ 北京分析儀器研究所.JB／T 10058－2000，火焰光度計(jì)技術(shù)條件［S］.北京：國家機(jī)械工業(yè)局，2000.

［4］ 黃建明，劉寶林.基于S3C2440多路A／D轉(zhuǎn)換Linux驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2011，27（9）：104－111.

［5］ 於琪建，張海峰.Linux輸入子系統(tǒng)在觸摸屏驅(qū)動(dòng)上的實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)電工程，2009，26（3）：32－34，101.

［6］ 唐 浩，代少升.Qt／Embedded在S3C244平臺(tái)上的移植與開發(fā)術(shù)［J］.電視技術(shù)，2010，34（10）：32－35.