單色儀能量檢測系統(tǒng)的設(shè)計

魏立峰, 卜德權(quán), 王慶輝, 李 月, 趙幼南

(1.沈陽化工大學 信息工程學院， 遼寧 沈陽 110142； 2.沈陽華光精密儀器有限公司， 遼寧 沈陽 110036)

原子吸收分光光度計又稱原子吸收光譜儀，是20世紀50年代中期出現(xiàn)并逐漸發(fā)展起來的一種新型分析儀器，是集光學、機械學、電子學和計算機為一體、技術(shù)密集的高科技產(chǎn)品[1].目前，LAB600系列原子吸收分光光度計的電氣系統(tǒng)采用集中式控制，即通過工控機及I/O板卡、A/D、D/A板卡及驅(qū)動板、數(shù)據(jù)線分配板等方式作為主控系統(tǒng)各構(gòu)成單元，存在很多弊端.主要是所有控制任務(wù)及算法都集中在工控機上，對于幾十路的步進電機控制、數(shù)據(jù)輸入輸出操作和大量數(shù)據(jù)處理，使控制任務(wù)過于集中，而且相對復雜，主機承擔負荷重，對檢測系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性帶來較大影響，同時檢測系統(tǒng)的成本過高，不利于批量生產(chǎn)制造.

新型LAB600系列原子吸收分光光度計的電氣系統(tǒng)采用分布式控制，模塊化設(shè)計思想，通過CAN總線實現(xiàn)各個模塊之間的通信，極大地提高了系統(tǒng)的工作效率.在結(jié)構(gòu)上，新型儀器主要由6個子模塊組成：元素燈箱模塊、自動進樣器模塊、氣控模塊、原子化器模塊、單色儀模塊和主控模塊.其中：單色儀模塊[2]的主要作用是工作波長的選擇、光能檢測、光能處理；主控模塊的作用主要是工作流程的控制及對各個模塊反饋的信息進行實時處理.

原子吸收分光光度計的性能指標具有高精度、高靈敏度、實時性強等特點[3]，因而對單色儀模塊的能量檢測與處理提出了更高的設(shè)計要求.本文根據(jù)原子吸收分光光度計的檢測要求，分別從單色儀模塊能量采集的硬件和軟件兩個方面著手設(shè)計，實現(xiàn)能量信號的高質(zhì)量測量.

1 能量檢測系統(tǒng)的構(gòu)成

單色儀能量檢測系統(tǒng)由硬件和軟件兩方面構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.硬件分別有光能檢測部分：使用光電倍增管作為光能檢測的傳感器，實現(xiàn)微弱光信號到電信號的轉(zhuǎn)換；模擬電路部分：選取運算放大器OP07、運算放大器LM324、模擬開關(guān)DG211，實現(xiàn)信號的放大、反轉(zhuǎn)、解調(diào)；信號轉(zhuǎn)換部分：選用16位精度AD轉(zhuǎn)換器ADS1158，實現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)換；控制器部分：選用意法半導體公司的Cortex-M4內(nèi)核微控制器STM32F407，實現(xiàn)能量信號高速讀取與存儲.在軟件方面，對能量點多次采集，采用防脈沖干擾平均值濾波方法，實現(xiàn)光能信號準確、快速地讀取.

圖1 能量檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 能量檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 光能檢測部分

光能檢測部分采用光電倍增管作為光能檢測傳感器[4].光電倍增建立在光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學理論基礎(chǔ)上，結(jié)合了高增益、低噪聲、高頻率響應(yīng)和大信號接收區(qū)等特征，是一種具有極高靈敏度和超快時間響應(yīng)的光電真空器件.

光電倍增管的原理是光陰極在光子作用下發(fā)射電子，這些電子被外電場(或磁場)加速，聚焦于第1次極.這些沖擊次極的電子能使次極釋放更多的電子，它們再被聚焦在第2次極.這樣，一般經(jīng)10次以上倍增,放大倍數(shù)可達108～1 010.最后，在高電位的陽極收集到放大的光電流.光電倍增管的外圍電路如圖2所示.

圖2 光電倍增管外圍電路

在光電倍增管工作過程中，為了使電子加速，需要使每個倍增極之間形成電場，這就需要提供外部高壓輸入，外部高壓輸入由可調(diào)節(jié)高壓輸出模塊(0～1 000 V)提供，電子經(jīng)過多次倍增，最后在陽極輸出放大電流.

2.2 模擬電路部分

在第一級信號放大電路中，選用低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器OP07[5]作為核心器件.在放大器的輸入端，首先把光電倍增管輸出的弱電流信號轉(zhuǎn)換成弱電壓信號，然后經(jīng)過放大器放大輸出，得到比較穩(wěn)定、易于傳輸?shù)拇箅妷盒盘?，第一級信號放大電路如圖3所示.

根據(jù)運放電路的虛短、虛斷原理，電路的理論輸入Iin、放大輸出Uout關(guān)系式為：

(1)

圖3 第一級信號放大電路

在后續(xù)的模擬電路部分，首先使用帶有差動輸入的放大器LM324對信號第二次放大，把信號放大到設(shè)定數(shù)量級，有利于信號的采集；因為倍增管輸出的是負信號，需要使用LM324組成反相器對信號反相處理；在元素燈正常工作時，即元素燈發(fā)光時，此時的能量信號才為有效信號，所以選取模擬開關(guān)DG211，通過周期性的Y1A解調(diào)時序信號選通模擬開關(guān)，得到有效信號，并且通過Y4時序信號對當前工作周期中的有效信號進行調(diào)零，為下一個周期的信號采集做準備;最后，通過RC電路，對能量信號濾波，得到低噪聲的信號，能量信號的輸出部分，使用LM324組成的電壓跟隨器，提高AD轉(zhuǎn)換器件的輸入阻抗.為防止信號過大，損毀后續(xù)電路，采用穩(wěn)壓二極管對電路進行保護，模擬信號處理電路如圖4所示.

圖4 模擬信號處理電路

根據(jù)運放電路的虛短、虛斷原理，輸入信號Uin與輸出信號Uout之間的放大關(guān)系式為：

(2)

2.3 信號轉(zhuǎn)化部分

在信號轉(zhuǎn)換電路設(shè)計中，為提高轉(zhuǎn)換精度，采用16位高精度的AD轉(zhuǎn)換器ADS1158[6].ADS1158是TI公司生產(chǎn)的多通道、高精度、高速(1.8～23.7 KSPS)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，具有SPI通信接口.從硬件上保證了信號的轉(zhuǎn)換速率與精度，ADS1158的外圍電路如圖5所示.

圖5 ADS1158外圍電路

2.4 控制器部分

為提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，選取具有Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407[6]作為核心控制器.其工作頻率高達168 MHz，提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速度；集成了浮點單元，有利于浮點類型數(shù)據(jù)的運算；同時具有硬件SPI接口，為轉(zhuǎn)換芯片ADS1158數(shù)據(jù)的讀取提供了硬件接口.

3 能量檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

為提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的實時性，程序是在UC/OSⅡ?qū)崟r操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上設(shè)計的.UC/OSⅡ[7]是一個可以基于ROM運行的、可裁剪的、搶占式、實時多任務(wù)內(nèi)核，具有高度可移植性，結(jié)構(gòu)簡潔精練，可讀性強，執(zhí)行效率高，占用空間小，可擴展性強，同時又具備實時操作系統(tǒng)的全部功能.

能量采集由一個獨立的任務(wù)完成，這個任務(wù)與其他任務(wù)相比具有最高優(yōu)先級，提高了能量采集的響應(yīng)速率.在能量采集任務(wù)中，首先選擇能量采集通道，然后通過SPI口連續(xù)采集相應(yīng)數(shù)目的能量值并存儲，再對所有能量值進行由大到小排序，去除一定數(shù)量的最大值與最小值，最后求和并求取平均值，完成某一刻的能量值采集，能量采集流程如圖6所示.

圖6 能量采集流程

4 測試結(jié)果分析

在解調(diào)信號作用下，模擬開關(guān)DG211解調(diào)出與實際信號相符合的能量信號，解調(diào)信號與解調(diào)后能量信號的關(guān)系如圖7所示，其中上位波形為解調(diào)信號,下位波形為解調(diào)后的能量信號.通過RC電路的濾波與電容的續(xù)容作用，RC濾波后的直流信號如圖8所示，圖中的信號為濾波后的直流電壓信號.

圖7 解調(diào)信號與解調(diào)后能量信號的關(guān)系

圖8 RC濾波后的直流信號

為了更準確反應(yīng)能量值的波動情況，通過吸光度反應(yīng)能量值的波動趨勢.吸光度與能量值的關(guān)系式為：

A=-log10E

(3)

國家對吸光度的檢測標準是吸光度的最大值與最小值之差的波動范圍在0.005內(nèi).實際測得吸光度曲線如圖9所示，由圖9分析可知，吸光度的波動范圍在0.001～0.002,符合國家檢測標準.

圖9 吸光度曲線

5 結(jié) 論

從能量采集的硬件電路和軟件兩個方面對單色儀能量檢測系統(tǒng)進行設(shè)計.在硬件電路方面，通過信號的多級放大、反相、解調(diào)、濾波，實現(xiàn)了能量的低噪聲輸出；在軟件方面，通過多次讀取、濾波，實現(xiàn)了能量值的準確讀取.為整個測量系統(tǒng)高精度測量提供了保證.

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