多通道數(shù)字化離子阱質(zhì)譜儀測控系統(tǒng)研制

潘海寧，趙春宇

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

質(zhì)譜儀是近代發(fā)展起來的一種用于精確測定物質(zhì)相對分子質(zhì)量的分析儀器，具有高靈敏度、高準(zhǔn)確度、高分辨率的特點(diǎn)，因此在制藥、食品安全、航天技術(shù)等熱點(diǎn)領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，國際上也將質(zhì)譜數(shù)據(jù)作為分析標(biāo)準(zhǔn)之一。中國市場上的商用質(zhì)譜儀基本依賴國外生產(chǎn)，缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行業(yè)對質(zhì)譜儀的需求逐漸增大，質(zhì)譜儀核心技術(shù)成為國內(nèi)研究熱點(diǎn)?！笆濉逼陂g，中國科技部在科技攻關(guān)重大項(xiàng)目中設(shè)立“質(zhì)譜聯(lián)用儀器的研制與開發(fā)”課題，以鼓勵(lì)并推進(jìn)國內(nèi)相關(guān)研究工作的展開［1］。

目前，質(zhì)譜儀在技術(shù)原理上的研究相對成熟，已研制出磁質(zhì)譜儀、離子阱質(zhì)譜儀、四級桿質(zhì)譜儀、飛行質(zhì)譜儀等。2007年，復(fù)旦大學(xué)的李曉旭在離子阱質(zhì)譜儀的基礎(chǔ)上，提出一種基于印刷電路板制作工藝的多通道離子阱質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)和方法［2］，應(yīng)用美國普渡大學(xué)的Graham Cooks的矩形離子阱概念，將傳統(tǒng)離子阱質(zhì)譜儀的雙曲面電極改進(jìn)成平板型電極，并將單個(gè)質(zhì)量分析器擴(kuò)展為多個(gè)，從而降低了機(jī)械加工的難度和成本，同時(shí)提高了質(zhì)量分析的效率和離子存儲(chǔ)能力。為實(shí)現(xiàn)該質(zhì)譜儀的數(shù)據(jù)采集、掃描信號控制和數(shù)據(jù)通信功能，本文給出了多通道數(shù)字化離子阱質(zhì)譜儀測量控制系統(tǒng)的需求分析、硬件設(shè)計(jì)方案和軟件實(shí)現(xiàn)方法。

1 系統(tǒng)需求分析

1.1 系統(tǒng)控制

需完成測控系統(tǒng)各模塊的控制以及模塊間的協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)的功能包括:控制直流輸出，為其他模塊提供直流電壓?？刂菩盘柊l(fā)生，完成線性掃描操作?？刂茢?shù)據(jù)采集，完成質(zhì)譜信號的數(shù)據(jù)讀取、存儲(chǔ)。與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，接收計(jì)算機(jī)的控制命令完成系統(tǒng)控制，并將讀取到的質(zhì)譜數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析和顯示。

1.2 直流輸出

需輸出可調(diào)、高精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的直流電壓信號。在離子阱質(zhì)量分析器中，多個(gè)電極需要施加直流電壓，包括電子轟擊電離源中的電極、端蓋電極和環(huán)形電極以及用于聚焦離子形成離子束的電子聚焦透鏡的電極。

1.3 信號發(fā)生

需產(chǎn)生幅度頻率可調(diào)的正弦波信號以及濾掉單一頻率后的白噪聲信號。在圖1所示的離子阱中，離子束射入電極間形成的室阱，當(dāng)電極間施加的電壓的幅度和頻率一定時(shí)，一定質(zhì)量范圍內(nèi)的離子在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)旋轉(zhuǎn)保留在離子阱內(nèi)。離子的固有共振頻率與離子的質(zhì)荷比有關(guān)，當(dāng)電極間施加的共振電壓的頻率等于離子的固有共振頻率時(shí)，相應(yīng)質(zhì)荷比的離子發(fā)生共振，離開離子阱。當(dāng)共振電壓是正弦波信號時(shí)，特定質(zhì)荷比的離子被選擇彈出;當(dāng)共振電壓是濾掉單一頻率后的白噪聲信號時(shí)，特定質(zhì)荷比的離子被留存在離子阱中，其他離子被排除離子阱外。這樣就實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量選擇隔離和質(zhì)量選擇彈出。

圖1 離子阱構(gòu)造原理圖［3］

1.4 數(shù)據(jù)采集

需測量離子阱輸出的微弱離子電流脈沖信號。特定質(zhì)荷比的離子被排出離子阱，由電子倍增器放大后輸出微弱電流信號，需經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)一步放大再進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。由于電流信號十分微弱，需考慮噪聲的影響，以免使信號淹沒于噪聲中導(dǎo)致測量錯(cuò)誤。

2 硬件設(shè)計(jì)方案

本文研究的離子阱質(zhì)譜儀使用的是電子轟擊電離源，其相應(yīng)的測控系統(tǒng)主要包括主控模塊、直流輸出模塊、信號發(fā)生模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 離子阱質(zhì)譜儀測控系統(tǒng)框圖［4］

2.1 主控模塊

主控模塊分為兩部分，包括ARM芯片組成的嵌入式系統(tǒng)和可編程邏輯器件FPGA。ARM嵌入式系統(tǒng)采用S3C6410微處理器實(shí)現(xiàn)主控模塊的數(shù)據(jù)讀取、存儲(chǔ)、通訊、模塊配置、人機(jī)接口等功能，包含SPI、I2C、網(wǎng)絡(luò)、USB、串口等功能的相應(yīng)芯片電路及接口，以及電源電路和液晶屏?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA實(shí)現(xiàn)質(zhì)量分析過程以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序控制，數(shù)據(jù)采集模塊的啟動(dòng)和選通。

2.2 直流輸出模塊

直流輸出模塊使用高壓集成電路，通過差分方式輸出，提高電壓精度。為避免驅(qū)動(dòng)離子阱的高頻射頻信號通過空間干擾或回路干擾影響輸出電壓的穩(wěn)定性，該模塊的輸出端加置低通濾波電路以濾除高頻信號，保證輸出電壓信號穩(wěn)定性。該模塊所需一正一負(fù)的直流電壓由ARM板提供，同時(shí)，通過主控模塊的I2C總線將外部控制、配置信號傳送給直流輸出模塊。

2.3 信號發(fā)生模塊

信號發(fā)生模塊采用高精度直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)，如圖3所示，應(yīng)用離線信號發(fā)生算法，產(chǎn)生符合要求的信號［5］。通過程序設(shè)計(jì)好需要產(chǎn)生的信號波形，將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)存進(jìn)一個(gè)存儲(chǔ)器中，然后逐個(gè)讀出并將其轉(zhuǎn)換為模擬信號，具體實(shí)現(xiàn)方式如圖3所示。

圖3 基于FPGA的DDS結(jié)構(gòu)框圖

在一個(gè)時(shí)鐘脈沖fc內(nèi)，加法器Σ1將頻率控制字K與相位寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，結(jié)果傳送給相位寄存器。相位寄存器將上一個(gè)時(shí)鐘脈沖的相位數(shù)據(jù)輸出到加法器Σ2的輸入端，與相位控制字P相加。加法器Σ2輸出的數(shù)據(jù)作為正弦查詢表的取樣地址，確定在指定地址位置需要輸出的波形的幅值。通過乘法器將幅值與幅度控制字A相乘，再由常數(shù)加法器處理之后，D/A轉(zhuǎn)換器將離散的幅值信號轉(zhuǎn)換成階梯波，最后經(jīng)過低通濾波器得到平滑的正弦波。DDS輸出頻率與頻率控制字的關(guān)系為

式中:fout為輸出頻率;fc為時(shí)鐘頻率;K為頻率控制字;N為輸出二進(jìn)制碼位數(shù)。

該模塊通過主控模塊的I2C總線接收控制信號。

2.4 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊采用高精度隔離電源，通過優(yōu)化布線、對模塊進(jìn)行屏蔽等措施，減少外部干擾噪聲的引入，主要包括前級放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。前級放大電路為電流電壓轉(zhuǎn)換器，將離子探測器探測到的微弱電流信號放大成電壓信號。再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將模擬的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳輸?shù)娇刂颇K。該模塊的3路數(shù)據(jù)采集通道復(fù)用一路SPI和I2C信號傳輸控制信號，不同模塊的選通由主控模塊的FPGA實(shí)現(xiàn)。

3 軟件實(shí)現(xiàn)方法

離子阱質(zhì)譜儀測控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)分為嵌入式系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)和可編程邏輯器件時(shí)序控制。主控模塊的ARM嵌入式系統(tǒng)需要安裝Linux或其他操作系統(tǒng)，并完成對SPI、網(wǎng)絡(luò)等功能電路的驅(qū)動(dòng)設(shè)置和應(yīng)用程序開發(fā)。可編程邏輯器件根據(jù)質(zhì)量分析的流程，完成對其他模塊的時(shí)序控制。

3.1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用程序開發(fā)

安裝ARM芯片開發(fā)商提供的Linux或其他操作系統(tǒng)后，嵌入式系統(tǒng)完成對通用硬件的驅(qū)動(dòng)，即可使用基本功能。此外，還需對開發(fā)商未提供軟件支持的硬件編寫驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用程序。

3.1.1 SPI總線

編寫SPI驅(qū)動(dòng)程序，首先完成SPI設(shè)備的注冊。通過字符設(shè)備的方式建立模塊，并設(shè)置相關(guān)寄存器內(nèi)的SPI模式、頻率。SPI頻率fSPI由CLK_CFG寄存器的低八位數(shù)據(jù)確定

式中:fs為時(shí)鐘源頻率;N為CLK_CFG寄存器低八位分頻值。

此外，定義聯(lián)系Linux內(nèi)核空間與用戶空間的操作函數(shù)，完成內(nèi)核與應(yīng)用層的數(shù)據(jù)互通。在應(yīng)用程序中，通過讀取設(shè)備文件的方式訪問SPI硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)SPI數(shù)據(jù)傳輸［6］。

SPI采用全雙工方式，發(fā)送對外部模塊的控制、配置信號，同時(shí)讀取數(shù)據(jù)采集模塊傳輸過來的質(zhì)譜數(shù)據(jù)，收發(fā)流程如圖4所示。在注冊完SPI設(shè)備并設(shè)置好寄存器后，將從選信號位NSSOUT置0，SPI通道開始收發(fā)信息。不管是發(fā)送數(shù)據(jù)還是接受數(shù)據(jù)，當(dāng)SPI發(fā)送通道準(zhǔn)備完成的時(shí)候，先向SPI_TX_DATA寄存器發(fā)送1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)送完成且讀取通道準(zhǔn)備完成的時(shí)候，再從SPI_RX_DATA寄存器中讀取1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。當(dāng)外設(shè)不是全雙工工作的時(shí)候，讀取或者發(fā)送的數(shù)據(jù)沒有意義，只是幫助完成SPI傳輸。最后將從選信號位NSSOUT置1，結(jié)束SPI數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 S3C6410下的SPI收發(fā)流程圖

3.1.2 TCP/IP 通信

在開發(fā)商提供的操作系統(tǒng)內(nèi)，包含對網(wǎng)卡芯片的驅(qū)動(dòng)程序，因此，只需編寫網(wǎng)絡(luò)通信的應(yīng)用程序。常見的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議有TCP/IP和UDP協(xié)議，UDP是面向非連接的協(xié)議，可能發(fā)生發(fā)送數(shù)據(jù)包以后，另一方?jīng)]有接收到的情況，無法保證數(shù)據(jù)通訊正常進(jìn)行，可靠性不高。因此，選擇面向連接的，可靠性較高的TCP/IP協(xié)議。

在使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，采用了客戶/服務(wù)器模型［7］，通信流程如圖5所示。服務(wù)器等待客戶端發(fā)起連接要求，一旦客戶端發(fā)起通信請求，兩者建立連接，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。服務(wù)器固定IP地址和端口號后，客戶端連接到相應(yīng)IP地址及端口號，即可找到匹配的服務(wù)器。

圖5 TCP/IP通信流程圖

3.2 時(shí)序控制

可編程邏輯器件需要實(shí)現(xiàn)的時(shí)序控制分為四個(gè)階段［8］，如圖6所示。

圖6 基于電子轟擊電離源的離子阱質(zhì)譜儀工作時(shí)序

第一階段是離子產(chǎn)生。將電子轟擊電離源推斥極上的直流電壓調(diào)節(jié)到合適的正電壓，使離子加速到一定初速度以后進(jìn)入離子光學(xué)透鏡。調(diào)節(jié)離子光學(xué)透鏡上的直流電壓，使離子聚焦成離子束進(jìn)入離子阱。將離子阱端蓋電極上的離子門控電壓從50 V調(diào)節(jié)到10 V，使離子束通過前端蓋電極上的引出槽進(jìn)入離子阱。控制環(huán)形電極上的射頻電壓信號的幅度保持不變，離子被射頻電壓束縛在離子阱內(nèi)。

第二階段是離子冷卻。將離子阱端蓋電極上的離子門控電壓從10 V調(diào)節(jié)到50 V，持續(xù)時(shí)間1 ms以上，阻止外部離子進(jìn)入離子阱，同時(shí)防止離子阱內(nèi)部離子逃逸?？刂骗h(huán)形電極上的射頻電壓信號的幅度保持不變，被束縛的離子與緩沖氣體發(fā)生碰撞損失大部分動(dòng)能，逐漸被冷卻下來，在離子阱中心軸附近，排列成線狀離子云按照長時(shí)振蕩頻率運(yùn)動(dòng)。

第三階段是離子分析?？刂骗h(huán)形電極上的射頻電壓信號的幅度逐漸增大，完成射頻電壓的線性掃描，進(jìn)行離子的質(zhì)量分析。同時(shí)啟動(dòng)共振電壓信號，控制共振電壓頻率不變，并使其幅度隨射頻電壓幅度的增大而增大。不同質(zhì)荷比的離子在射頻電壓和共振電壓的共同作用下，依次通過后端蓋電極的引出槽，到達(dá)電子倍增器。

第四階段是清空離子。將環(huán)形電極上的射頻電壓和端蓋電極上的共振電極的幅度調(diào)節(jié)為零，等待下一次掃描開始。殘留在離子阱內(nèi)的離子隨著交流束縛電場的撤去，全部飛離離子阱或者撞擊在離子阱電極上，避免對下一次分析造成干擾。

4 結(jié)束語

本文研究的質(zhì)譜儀測控系統(tǒng)，以多通道數(shù)字化離子阱質(zhì)譜儀的工作原理為理論基礎(chǔ)，采用基于S3C6410的嵌入式系統(tǒng)和可編程邏輯器件FPGA實(shí)現(xiàn)對多個(gè)矩形離子阱的質(zhì)量分析過程的時(shí)序控制、數(shù)據(jù)采集，完成與計(jì)算機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)通信，具有可靠性高、集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，提高了離子阱質(zhì)譜儀的質(zhì)量分析效率，可用以實(shí)現(xiàn)高通量質(zhì)譜分析。

［1］王其冬，丁傳凡，賀賽龍，等.中國小型質(zhì)譜儀的市場需求和產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析.寧波大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版)，2007，20(4):538－541.

［2］李曉旭，丁傳凡，汪源源.基于PCB的陣列離子阱質(zhì)譜儀的研制.儀器儀表學(xué)報(bào)(增)，2007，28(8):216 －219

［3］穰瑜.質(zhì)譜儀測控系統(tǒng)之輔助信號發(fā)生器的研制:［學(xué)位論文］.長春:吉林大學(xué)，2006.

［4］李曉旭.基于印刷線路板(PCB)的矩形離子阱及陣列離子阱質(zhì)譜儀的研發(fā):［學(xué)位論文］.上海:復(fù)旦大學(xué)，2009.

［5］楊東霞，巨永鋒.基于FPGA和DDS技術(shù)的數(shù)字調(diào)制信號發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).電子設(shè)計(jì)工程，2013，21(6):90－93.

［6］付興武，張軍，王洋.基于SPI總線協(xié)議的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2013，22(2):146 －150.

［7］徐京，魯士文.TCP/IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的視頻圖像傳輸.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，1999(12):98－100.

［8］江游.電噴霧離子源－矩形線性離子阱質(zhì)譜儀的研究與開發(fā):［學(xué)位論文］.長春:吉林大學(xué)，2008.