基于NIOS II的離子遷移譜儀設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

張根偉，趙 將，劉 波，邵晟宇，楊 杰，蔣顏瑋

（防化研究院，北京 102205）

0 引言

離子遷移譜（ion mobility spectrometry，IMS）技術(shù)是20世紀(jì)60年代末發(fā)展起來的一種痕量物質(zhì)檢測新技術(shù)，目前，IMS技術(shù)已成為快速檢測有毒有害物的十大技術(shù)之首，它憑借體積小、靈敏度高、分析時間快及可在大氣壓力下工作等優(yōu)點(diǎn)，在毒品和爆炸物檢測等方面獲得了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，許多國家政府加大了對IMS檢測儀器的研究，出現(xiàn)了商品化的儀器，如，加拿大的Barringer、美國的Ion Track Instruments以及英國的Graseby Technology，它們生產(chǎn)的IMS產(chǎn)品已經(jīng)在檢測毒品、爆炸物方面得到了廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)目前開展研究的單位有公安部第三研究所、中科院大連化學(xué)物理研究所［1］等。

本文設(shè)計了一種基于NIOSⅡ軟核處理器的離子遷移譜儀設(shè)計方案，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了硬件平臺并實(shí)現(xiàn)了軟件程序，通過丙酮試劑對離子遷移譜儀進(jìn)行了驗證。

1 IMS儀的系統(tǒng)構(gòu)成

一個基本的IMS儀如圖1所示，由進(jìn)樣系統(tǒng)、電離源、漂移管、微電流放大器、信號采集與處理及顯示等部分組成。

被測氣體從前端氣路入口進(jìn)入電離反應(yīng)區(qū)，經(jīng)過電離源放射生成產(chǎn)物離子，在離子?xùn)砰T的開啟和關(guān)閉控制下，離子在漂移管兩端高壓電源形成的電場的作用下向法拉第盤收集板遷移，收集板上生成電流信號經(jīng)過放大器放大后便可以得到隨時間變化的信號強(qiáng)度曲線，即離子遷移譜圖［2］。不同的離子由于遷移速率差異，到達(dá)收集板時間也不同，這樣就會在離子遷移譜圖上不同的漂移時間處出現(xiàn)不同離子的離子信號峰。

圖1 IMS儀系統(tǒng)架構(gòu)Fig 1 Framework of IMS instrument system

2 IMS儀硬件平臺設(shè)計

2．1 平臺組成

已有的離子遷移譜儀硬件平臺處理器一般采用ARM處理器芯片［3］或者直接使用PC/104嵌入式計算機(jī)［4］實(shí)現(xiàn)控制。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，采用FPGA設(shè)計電路因其開發(fā)時間短、資金投入少，越來越成為設(shè)計的趨勢。基于標(biāo)準(zhǔn)處理器的方案修改比較麻煩，而基于NIOSⅡ處理器的方案是基于HDL源碼構(gòu)建的，能夠修改以滿足新的系統(tǒng)需求，將處理器實(shí)現(xiàn)為HDL的IP核，開發(fā)者能夠完全定制CPU和外設(shè)，獲得恰好滿足需求的處理器。

IMS儀硬件平臺如圖2所示，Avalon總線為內(nèi)部總線，用于連接NIOS II軟核處理器與外設(shè)，是處理器與外設(shè)信號的傳輸通道。Avalon總線提供了chipselect片選信號、byteenable地址對齊信號、read讀信號、readdata數(shù)據(jù)信號、clk時鐘信號等用于控制外設(shè)邏輯的接口信號［5］。NIOS II軟核處理器選擇NIOS II/f核，系統(tǒng)時鐘為100MHz，功能和速度都可以滿足系統(tǒng)要求;SDRAM選擇16位寬度，64Mbit大小，為NIOS II軟核的運(yùn)行提供有力保障;EPCS選擇64 Mbit配置芯片，不僅可以存儲配置信息，還可以實(shí)現(xiàn)NIOS II軟件程序存儲;JTAG UART是實(shí)現(xiàn)PC與NIOS II系統(tǒng)的串行通信接口，用于系統(tǒng)調(diào)試;COM接口實(shí)現(xiàn)PC與離子遷移譜儀數(shù)據(jù)傳輸;PIO模塊用來控制離子?xùn)砰T開啟與關(guān)閉、加熱溫度控制、A/D芯片采集控制時序等。

圖2 IMS儀硬件平臺系統(tǒng)Fig 2 Hardware platform system of IMS instrument

2．2 NIOS II軟核處理器

NIOS II是Altera公司開發(fā)的32位嵌入在FPGA芯片中的RISC軟核處理器，利用SOPC Builder工具自動生成嵌入式片上系統(tǒng)，具有高度的靈活性和可配置性。本系統(tǒng)采用CYCLONE IV系列EP4CE15F17C8芯片生成NIOS II軟核處理器，該芯片具有15408個LEs，4個PLL，內(nèi)嵌存儲可達(dá)504×103，時鐘頻率為 100 MHz，外配 64 M SDRAM HY57V641620ET芯片，64 Mbit串行FLASH M25P64配置芯片，實(shí)現(xiàn)IMS儀硬件處理器平臺。

2．3 離子?xùn)砰T控制模塊

離子?xùn)砰T開啟時間用PIO模塊控制實(shí)現(xiàn)，通過IO輸出周期性高低脈沖控制隔離光耦模塊，光耦模塊的開啟關(guān)閉時間實(shí)現(xiàn)離子?xùn)砰T金屬絲之間強(qiáng)電場的存在時間。離子?xùn)砰T的開關(guān)時間對儀器的分辨率和靈敏度有很大的影響，開啟時間越長進(jìn)入漂移區(qū)的離子數(shù)就越多，靈敏度提高，一定時間后離子峰幅度達(dá)到最大值，但離子峰變寬，儀器分辨率降低。通過仿真和實(shí)驗，最后確定每20 ms開啟離子?xùn)砰T200 μs。

2．4 信號放大與采集

在漂移管的末端通常采用法拉第盤收集離子，當(dāng)離子碰撞在上面時會通過電子的得失產(chǎn)生pA級別電流信號，放大電路將電流信號轉(zhuǎn)換為0～10 V的電壓輸出。信號采集選用TI公司16位A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS8556，該芯片最高采樣頻率可達(dá)630 kHz，本系統(tǒng)采用該芯片內(nèi)部時鐘，16位數(shù)據(jù)并行輸出模式，通過PIO模塊實(shí)現(xiàn)芯片采集控制，控制時序如圖3所示。每次A/D轉(zhuǎn)換發(fā)生在CONVST-A信號上升沿，并且轉(zhuǎn)換過程中要一直保持高電平;BUSY信號在轉(zhuǎn)換過程中為高電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束后為低電平，用來判斷是否轉(zhuǎn)換結(jié)束;CS為片選信號，低電平時并行接口使能;RD為讀數(shù)據(jù)使能信號，低電平時并行口讀數(shù)據(jù)使能。本系統(tǒng)中得到一個譜圖的時間是20 ms，在周期內(nèi)采樣1024個數(shù)據(jù)，處理后的數(shù)據(jù)可以通過串口上傳PC。

圖3 并行讀數(shù)據(jù)模式時序圖Fig 3 Timing diagram of parallel read data mode

3 IMS儀軟件設(shè)計

IMS儀軟件采用NIOS II IDE軟件集成開發(fā)環(huán)境編寫，新建一個NIOS II C/C++Application項目，加載之前設(shè)計的軟核處理器相關(guān)設(shè)置，編譯生成一個跟軟核處理器配置相關(guān)的system．h頭文件，system．h頭文件中實(shí)現(xiàn)了硬件平臺中各模塊的定義，其中PIO模塊定義了IO輸入輸出、基地址及位寬等。

IMS儀軟件包括系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)自檢、溫度控制、離子?xùn)砰T控制、A/D芯片采集時序、數(shù)據(jù)處理及顯示等模塊。數(shù)據(jù)處理模塊主要是去除IMS信號中的噪聲，本系統(tǒng)采用小波分析降噪方法，小波分析的信號降噪方法基于多分辨率分析的尺度，降噪時能夠兼顧時域和頻域的特性，能夠得到光滑性和相似性足夠好、易于識別的IMS特征信號。IMS軟件程序流程圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)驗證

為了對系統(tǒng)進(jìn)行驗證，采用丙酮化學(xué)試劑做實(shí)驗，實(shí)驗得到的丙酮離子遷移譜圖如圖5所示，驗證了本系統(tǒng)軟硬件可以正常工作，并可以得到較好的離子遷移譜圖。

圖4 IMS儀軟件流程圖Fig 4 Flow chart of IMS instrument software

5 結(jié)束語

本文介紹了基于NIOS II軟核處理器的離子遷移譜儀系統(tǒng)，設(shè)計構(gòu)建了NIOS II硬件實(shí)驗平臺，編寫了軟件程序，并通過化學(xué)試劑丙酮對系統(tǒng)進(jìn)行了驗證，實(shí)驗結(jié)果表明:該系統(tǒng)可以較好地獲取離子遷移譜，為分析物質(zhì)提供了檢測平臺。

圖5 丙酮離子遷移譜圖Fig 5 IMS diagram of CH3COCH3

［1］ 邵士勇，闞瑞峰，侯可勇，等．離子遷移譜儀的研究進(jìn)展［J］．現(xiàn)代科學(xué)儀器，2004（4）:9－12．

［2］ 郭成海，曹樹亞．離子遷移譜［M］．2版．北京:國防工業(yè)出版社，2010:104－106．

［3］ 張飛軍，江海河．離子遷移譜的檢測儀系統(tǒng)設(shè)計［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2010，29（3）:71 －73．

［4］ 李金香，王興軍，武波濤．離子遷移譜嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計及實(shí)現(xiàn)［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30（6）:255 －258．

［5］ 張 榮，黃?，?，李春枝，等．基于NIOS II軟核處理器的嵌入式測試系統(tǒng)軟硬件設(shè)計研究［J］．計算機(jī)測量與控制，2012，20（2）:303－306．