采集控制多線程一體化的集成式FAIMS主控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

趙思洋，杜曉霞，游占華，牟家浩，曾鴻達(dá)，肖文香，朱健銘，李 華

(1.桂林電子科技大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，廣西桂林 541004；2.中國石油集團(tuán)測井有限公司技術(shù)中心，陜西西安 710077)

0 引言

快速、準(zhǔn)確、安全地進(jìn)行痕量物質(zhì)檢測對便攜式分析儀器提出了新的更高的要求。高場非對稱波形離子遷移譜(FAIMS，high-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry)是近年來進(jìn)行人體呼出氣體醫(yī)學(xué)檢測和診斷的新興技術(shù)[1-2]。FAIMS核心芯片采用MEMS工藝加工設(shè)計[3-4]，可以實現(xiàn)微型化和系統(tǒng)集成，但其外圍主控系統(tǒng)由于信號采集和控制功能較多，導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模塊分散，國內(nèi)外相關(guān)研究人員一直對其進(jìn)行集成和優(yōu)化。早期的FAIMS測控系統(tǒng)采用計算機(jī)為上位機(jī)，補(bǔ)償電壓電路、PWM波產(chǎn)生電路等多個電路模塊分散，系統(tǒng)龐雜[5-7]。近年來，F(xiàn)AIMS測量控制系統(tǒng)的集成度不斷提升。林丙濤等采用集成工控機(jī)作為FAIMS的主控機(jī)[8]。劉友江、王電令等研究了基于WinCE(Windows embedded compact)平臺的嵌入式FAIMS控制系統(tǒng)平臺，使用DSP作為整個系統(tǒng)的主控芯片[9-10]。高利鑫等設(shè)計了基于TMS320與LabVIEW的FAIMS信號采集系統(tǒng)，也采用WinCE的嵌入式FAIMS樣機(jī)控制系統(tǒng)[11]。

目前大部分的FAIMS采集系統(tǒng)均使用單一處理器芯片來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，不能同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳遞，降低了FAIMS整體的采集效率與傳輸速度，且前端和后端接口單一，不利于FAIMS系統(tǒng)的調(diào)試和使用。此外，目前主流的WinCE平臺的可用內(nèi)存只有30 MB，存儲文件還需外掛SD卡。

本文設(shè)計了一款集采集、控制、顯示等功能于一體的集成FAIMS主控板。該主控板由多片嵌入式芯片構(gòu)成，具有24位高精度ADC及12位補(bǔ)償電壓輸出，并可兼容多前級微弱電流采集設(shè)備。采集過程可以控制采樣頻率、采樣周期、補(bǔ)償電壓工作范圍，同時可以產(chǎn)生PWM波驅(qū)動射頻電源工作。主控板集成了自動調(diào)零功能，還可以進(jìn)行量程設(shè)定及零基線調(diào)整，同時支持基于QT的GUI界面、手機(jī)藍(lán)牙傳輸及PC機(jī)等多平臺上位機(jī)接口。該主控系統(tǒng)的設(shè)計顯著提高了FAIMS系統(tǒng)的集成度和數(shù)據(jù)傳輸及處理速度，為FAIMS儀器便攜式的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。

1 硬件電路設(shè)計

1.1 核心控制芯片

根據(jù)FAIMS系統(tǒng)整體設(shè)計要求，主控系統(tǒng)需要有一路雙通道數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出，12個邏輯電平輸出I/O，26條共10路通信接口。需要產(chǎn)生8路PWM信號，2路D/A信號和3路邏輯電平。在內(nèi)設(shè)方面，需要8個高級定時器、6個串口控制器、3個PWM控制器和1個位移寄存器。故有以下方案選擇。第一種方案是采用一片STM32F103ZET6、一片STM32F103RCT6、一片STM32F103C8T6來構(gòu)成核心控制芯片。這套方案性能較好，成本較低。但是在實際測試過程中發(fā)現(xiàn)，由于STM32內(nèi)部DAC以及內(nèi)部參考電壓的特殊性，使得系統(tǒng)補(bǔ)償電壓電路在臨界點(diǎn)工作時會耦合較大的雜波干擾，導(dǎo)致干擾通過補(bǔ)償極板，影響前級檢測fA電流計的準(zhǔn)確度，這種干擾是STM32系列芯片內(nèi)部設(shè)計所帶來的問題。第二種方案采用一片AT91SAM3X8EU、一片STM32F103RCT6、一片ATmage32u4來構(gòu)成核心控制芯片，這套方案有效地解決了由于芯片內(nèi)部設(shè)計導(dǎo)致的干擾耦合問題。STM32(副核心芯片，下位機(jī))主要負(fù)責(zé)PWM波的信號輸出以及電流信號的采集，AT91SAM(主核心芯片，上位機(jī))將STM32采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與儲存，同時控制補(bǔ)償電壓的輸出。輔助芯片ATmage32u4(輔助芯片)負(fù)責(zé)將所有的數(shù)據(jù)傳輸至外界(藍(lán)牙和串口傳到電腦和平板)，這3塊單片機(jī)通過串口通信來互相傳輸數(shù)據(jù)。

硬件的設(shè)計采用多嵌入式芯片架構(gòu)來實現(xiàn)采集控制多線程一體化。所設(shè)計的FAIMS主控系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。主板由一個主核心芯片AT91SAM、一個副核心芯片STM32、一個輔助芯片ATmage32u4為核心構(gòu)成，包括補(bǔ)償電壓發(fā)生器、高精度ADC、電平翻轉(zhuǎn)器、電平調(diào)節(jié)器、RS232轉(zhuǎn)換器、信號發(fā)生器、藍(lán)牙、USB芯片等，其中補(bǔ)償電壓，電平翻轉(zhuǎn)、電平調(diào)節(jié)、信號發(fā)生器由核心主控控制。此外，主控板還可調(diào)節(jié)補(bǔ)償電壓范圍和采集電流正負(fù)，實現(xiàn)自動調(diào)零，輸出可變占空比、頻率、死區(qū)時間的PWM信號等。

圖1 FAIMS主控系統(tǒng)框圖

1.2 微弱電流采集電路

這部分主要用于采集課題組自主研制的微弱電流檢測模塊測量得到的0.1 pA級精度的微弱電流信號。使用雙積分型自帶數(shù)字濾波器的ADC，選擇AD7710ARZ貼片型雙積分24位16777216級電壓分辨率的ADC進(jìn)行信號采集。由于采用REF3040芯片作為ADC參考電壓。故選用5 V雙電源為ADC供電?？刂菩酒瑸?2位系列3.3 V控制器，選用一片邏輯電平變換器來轉(zhuǎn)換通信數(shù)據(jù)線電壓。

電壓換算電流公式為

I=409.6/16777216·Vin

(1)

式中：I為采集的電流值，pA；Vin為前級輸入ADC的電壓，V。

1.3 補(bǔ)償電壓發(fā)生電路

該部分由3片低噪聲非斬波雙極性運(yùn)算放大器OP07構(gòu)成，如圖2所示。前級是一個直流偏置電路，將D/A電壓1.65 V偏置到0 V基準(zhǔn)線。由后級放大電路將輸出電壓放大至±13.5 V。由主控的雙通道DAC控制模擬部分工作，產(chǎn)生補(bǔ)償電壓，其步長精度為6.5 mV，通過式(2)進(jìn)行計算：

Vout=S/2 047,0

(2)

式中：Vout為補(bǔ)償電壓步長，mV；S為上位機(jī)設(shè)定的參數(shù)，V。

圖2 補(bǔ)償電壓原理圖

1.4 自動調(diào)零電路設(shè)計

為有效抑制微弱電流采集前級的溫度漂移和正向A/D采樣負(fù)微弱電流的問題，提高系統(tǒng)的抗干擾能力及性能指標(biāo)，設(shè)計了自動調(diào)零電路。該部分電路由3片低噪聲非斬波雙極性運(yùn)算放大器OP07構(gòu)成，如圖3所示。電路由一個可調(diào)電壓源和一個加法器構(gòu)成。先將FOT接入0 V再將OFFSET端輸入1.65 V參考電壓。通過手動調(diào)節(jié)U5輸入電壓使Vo端輸出0 V，完成電路初始調(diào)零。電路校準(zhǔn)后自動調(diào)零過程通過OFFSET端與Vo端的半閉環(huán)控制來實現(xiàn)最大±110 pA的電流基線幅度控制。其中調(diào)零步長精度0.053 pA。調(diào)零是使用支路選擇優(yōu)先的方法，快速找到零點(diǎn)方向，然后再根據(jù)回跳溢出量來確定距離零點(diǎn)的大致位置，最后使用二分法逐級逼近找到用戶設(shè)置的參數(shù)零點(diǎn)。

圖3 自動調(diào)零電路原理圖

調(diào)零電壓公式為

Vzero=(Vref/2-Vref/6)/2 047

(3)

式中：Vzero為調(diào)零電壓步長，mV；Vref為核心參考電壓，V。

1.5 通信電路設(shè)計

主控系統(tǒng)可與PC機(jī)、Keithley6487微弱電流計及手機(jī)或平板電腦等進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此，需要設(shè)計相應(yīng)的通信電路。

與PC機(jī)和平板的通信采用USB接口，使用Atmega32U4作為USB接口電路，在USB電路上集成了電源隔離和500 mA電流自恢復(fù)保險絲作為系統(tǒng)保護(hù)，提高安全性，防止因各種問題導(dǎo)致主控板或電腦USB根控制器損壞。

Keithley6487微弱電流計通信工作方式為RS232。核心單片機(jī)串行通信電平為TTL，故需要設(shè)計RS232轉(zhuǎn)換TTL的電路來橋接單片機(jī)和微弱電流計，使用MAX3232實現(xiàn)與Keithley設(shè)備的通信。

藍(lán)牙發(fā)射模塊可以與無線終端通信，即可通過手機(jī)直接獲取采集數(shù)據(jù)。在硬件選型方面，使用HC作為藍(lán)牙發(fā)射模塊，內(nèi)置AT指令集，只需通過簡單的配置就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

1.6 硬件電路PCB設(shè)計及整板調(diào)試

板層使用雙層玻璃纖維電路板，PCB尺寸為86 mm×99 mm，共計120個元器件、332條網(wǎng)絡(luò)、635個焊盤、186個過孔、6 751條走線、3塊開窗、5塊開槽，如圖4(a)和圖4(b)所示。

為防止電磁干擾，主控系統(tǒng)電路板放置于屏蔽盒中。在屏蔽盒上栓接了5個4芯航空線接口，可與外部射頻電源、前置微弱電流采集級、補(bǔ)償極板及開關(guān)電源連接。USB使用了面板型連接器與外殼栓接。航空接口有效地解決了連接與屏蔽的問題，可以與屏蔽殼有效接觸，方便安插和拆卸。各接口均具有防呆設(shè)計，保證穩(wěn)定性及可靠性，有效避免電路燒毀等情況。屏蔽殼上蓋使用了M2的螺栓固定上蓋，與航空線的端子外殼緊密接觸防止了漏磁的現(xiàn)象。屏蔽盒整體尺寸為116 mm×110 mm×45 mm，如圖5(a)和圖5(b)所示。

(a)PCBLayout圖

(b)PCB 3D渲染圖圖4 主控系統(tǒng)PCB設(shè)計

2 軟件系統(tǒng)程序設(shè)計

上位機(jī)發(fā)送采集設(shè)定命令后，下位機(jī)采集進(jìn)程運(yùn)算并生成掃描電壓表，分配內(nèi)存后系統(tǒng)開始運(yùn)作，檢測級前級輸入的電壓信號，經(jīng)過在由核心設(shè)置了參數(shù)的電平翻轉(zhuǎn)器和電平調(diào)節(jié)器后，以合適的量程輸入高精度ADC。ADC將采集得到的電壓值轉(zhuǎn)換為24位數(shù)據(jù)，通過電平轉(zhuǎn)換器發(fā)送到主控芯片，同時自動調(diào)零算法開始工作，直到調(diào)零電路將信號調(diào)制到上位機(jī)設(shè)置好的零點(diǎn)閾值，此時整套系統(tǒng)初始化完成，主控將依照數(shù)據(jù)表控制產(chǎn)生一組電壓，在每個電壓點(diǎn)采集一次電流數(shù)據(jù)。之后將用戶設(shè)定了密度的數(shù)據(jù)打包添加包頭包尾，通過USB控制器發(fā)送到上位機(jī)繪制譜圖。用戶可以設(shè)定系統(tǒng)多種采集模式，包含分析模式、Keithley模式、實時模式。每種采集模式都包含對應(yīng)的參數(shù)設(shè)定和功能。在實時顯示模式下上位機(jī)可定義補(bǔ)償電壓范圍最大為-13.5～+13.5 V，最小為-0.006 6～+0.006 6 V，可自定義采樣密度最大為4 096，最小為1，可自定義采樣步長時間最小為1 ms，最大為1 000 ms。在分析模式下，系統(tǒng)會直接輸出ADC未濾波的原始數(shù)據(jù)，用于電路檢查和分析。非對稱方波信號源即PWM發(fā)生器單獨(dú)工作，可與主核心通信，改變其裝填參數(shù)。系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

(a)主控系統(tǒng)工作狀態(tài)

(b)屏蔽殼及接口圖5 整機(jī)裝配及接口連接圖

圖6 FAIMS主控板程序設(shè)計流程圖

3 實驗

將主控系統(tǒng)連入FAIMS系統(tǒng)進(jìn)行實驗，如圖7所示。FAIMS芯片采用PCB集成設(shè)計[12]。實驗樣品為乙醇(99.7%)，所用載氣為高純氮?dú)?99.999%)，氣體流量計型號為D08-1型。采用針-環(huán)放電結(jié)構(gòu)作為離子源，針-環(huán)放電為負(fù)直流電暈放電，由負(fù)直流高壓電源提供放電所需高壓(0～20 kV)。采用Raspberry Pi 3B開發(fā)板，基于C++和QT框架編寫GUI的嵌入式FAIMS顯示控制終端，并通過串口與主控系統(tǒng)進(jìn)行通信，實現(xiàn)FAIMS譜圖繪制與數(shù)據(jù)存儲。

1—氮?dú)馄浚?—流量計；3—樣品瓶；4—環(huán)；5—針；6—遷移區(qū)；7—檢測電極；8—微弱電流檢測；9—補(bǔ)償電壓；10—方波射頻電壓；11—主控系統(tǒng)；12—基于QT的顯示控制平板；13—高壓電源；14—FAIMS芯片圖7 FAIMS實驗系統(tǒng)

系統(tǒng)連接好以后啟動上位機(jī)，連接主控板，使用上位機(jī)采集數(shù)據(jù)并繪制譜圖，可以檢測到系統(tǒng)噪聲信號小于0.1 pA，如圖8(a)所示，表明主控系統(tǒng)具有良好的電磁屏蔽功能。在載氣流速為2.0 L/min，放電電壓為-2.5 kV，射頻電壓頻率為1 MHz，占空比30%不變的實驗條件下，改變射頻電壓的幅值RF進(jìn)行采集測試，將多次采集存儲得到的數(shù)據(jù)繪圖得到的FAIMS譜圖如圖8(b)所示。隨著射頻電壓增大，補(bǔ)償電壓隨之增大，且分辨率提高。圖8(c)是在射頻電壓為零的條件下，改變針-環(huán)放電電壓的值。隨著放電電壓的增大，電離強(qiáng)度越大，離子信號隨之增大，且高壓氣體放電產(chǎn)生的電磁干擾沒有影響到后續(xù)檢測區(qū)的微弱電流檢測。

(a)背景噪聲信號

該系統(tǒng)使用簡單，采集速度可控，拓展性良好，可以實現(xiàn)多參數(shù)調(diào)節(jié)，實驗數(shù)據(jù)繪圖，數(shù)據(jù)導(dǎo)出等操作。

采集速度方面：在實驗過程中，繪制單個FAIMS譜圖共采集了1 000個數(shù)據(jù)，耗時12 s。

采集精度方面：采集系統(tǒng)的背景噪聲小于0.1 pA，最小電流分辨率0.15 pA。

采集可控方面：與原有系統(tǒng)固定掃描電壓頻率相比，該系統(tǒng)控制補(bǔ)償電壓、非對稱方波電源的控制信號，這樣的設(shè)計可以由不同的實驗需求，修改補(bǔ)償電壓的發(fā)生及采集的速度，顯著提高了系統(tǒng)的可控性和靈活性。

采集補(bǔ)償電壓方面：原有系統(tǒng)通過單獨(dú)補(bǔ)償電壓電路產(chǎn)生補(bǔ)償電壓，通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行補(bǔ)償電壓值的讀取。由于受到電磁干擾，這樣的設(shè)計降低了采集精度。但在本系統(tǒng)中，補(bǔ)償電壓由主控直接讀取用戶數(shù)據(jù)表，故不需要像傳統(tǒng)FAIMS系統(tǒng)一樣，通過ADC讀取電源補(bǔ)償電壓值來進(jìn)行采集，消除了耦合干擾，所采集的補(bǔ)償電壓值更為準(zhǔn)確。

使用方面：由于全集成化的設(shè)計，且多接口集成了防呆功能，大幅簡化了外圍電路的接線復(fù)雜度，同時設(shè)備體積更小巧。

兼容性方面：本主控將各種控制及采集運(yùn)算全部集成在一起。只需要使用固定的通信命令即可控制采集輸出，可以兼容多平臺的上位機(jī)，降低了上位機(jī)編寫難度。

綜上所述，本設(shè)計有效地提高了FAIMS系統(tǒng)的采樣精度，同時全集成化的主板相較于原系統(tǒng)有效減少了FAIMS實驗龐雜的線路連接。實驗結(jié)果表明主控板實現(xiàn)了FAIMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和控制功能，工作狀態(tài)穩(wěn)定，滿足FAIMS系統(tǒng)的工作要求。

4 結(jié)論

本文針對FAIMS傳統(tǒng)采集控制及其配套的非對稱方波電源和其他模塊沒有實現(xiàn)集成化的不足，提出一種新型的主控系統(tǒng)設(shè)計思路，設(shè)計制作了一種包括多片嵌入式芯片的FAIMS主控板，將FAIMS電源、補(bǔ)償、采集、其他模塊實現(xiàn)有效集成。通過實驗，表明其抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)采集效率高，具有體積小、外圍電路簡單、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，為FAIMS系統(tǒng)便攜化、小型化打下基礎(chǔ)。