張南南　吳志會(huì)　孔德義

(1.中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化系，合肥 230026；3.合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，合肥 230011))

用于有機(jī)磷農(nóng)殘快速檢測(cè)的便攜式氣相色譜儀的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

張南南1,2吳志會(huì)1,3孔德義1

(1.中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化系，合肥 230026；3.合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，合肥 230011))

摘要：針對(duì)有機(jī)磷農(nóng)殘快速檢測(cè)需求提出一種便攜式氣相色譜儀的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方案，對(duì)儀器結(jié)構(gòu)按功能分解成各個(gè)模塊，每個(gè)模塊均采用獨(dú)立系統(tǒng)控制，使得各模塊間沒有耦合，并由主控制板統(tǒng)一調(diào)度處理。各模塊相互協(xié)作，共同完成儀器的基本分析功能。儀器的模塊支持動(dòng)態(tài)加載，使后期維護(hù)更加方便、高效。經(jīng)實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)模塊可以滿足常用有機(jī)磷農(nóng)殘的快速檢測(cè)要求。

關(guān)鍵詞：便攜式氣相色譜有機(jī)磷結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)

1引言

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)食品安全的關(guān)注越來越密切，我國對(duì)不合格食品的打擊力度也在不斷加強(qiáng)，對(duì)食品農(nóng)藥殘留的現(xiàn)場(chǎng)快速分析的需求愈發(fā)迫切。目前，在常見的農(nóng)藥中，有機(jī)磷農(nóng)藥占很大一部分，包括：敵敵畏、敵百蟲、樂果、甲胺磷等。在諸多分析儀器中，氣相色譜儀由于其測(cè)量范圍廣、選擇性強(qiáng)、靈敏度高等特點(diǎn)而被廣泛地使用。傳統(tǒng)的氣相色譜儀體積大、分析時(shí)間長，無法在現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)中發(fā)揮作用；而便攜式氣相色譜體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，具有很高的靈活性，所以在應(yīng)對(duì)突發(fā)性食品安全事件中正發(fā)揮越來越重要的作用。

便攜式氣相色譜儀是將傳統(tǒng)意義上的氣相色譜儀微型化、便攜化。Standford大學(xué)的研究人員最早使用半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)工藝制造出兩個(gè)關(guān)鍵元件—進(jìn)樣器和檢測(cè)器,1977年，Photovac公司推出了世界上第一臺(tái)便攜式氣相色譜儀[1]。之后隨著現(xiàn)代微加工技術(shù)的不斷豐富，新型的色譜元器件也在不斷提高集成度，而高效毛細(xì)管柱的廣泛使用和現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，都為便攜式氣相色譜提供了強(qiáng)有力的支持。目前，國外的便攜式氣相色譜儀主要以美國品牌為主，如美國安捷倫公司的Agilent 3000便攜式氣相色譜儀，INFCON公司的CMS 1000便攜式氣相色譜儀[2]。國內(nèi)，北京東西分析儀器公司也推出了自己的GC-4400便攜式色譜儀[3]，而上海精科儀器公司和大連化物所也有相應(yīng)的便攜式氣相色譜儀[4]。但是上述便攜式氣相色譜儀在有機(jī)磷農(nóng)殘快速檢測(cè)時(shí)有明顯不足：體積大、升溫速率慢、操作相對(duì)復(fù)雜。

為此，本研究提出了一種便攜式氣相色譜的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方案，在儀器中按照功能劃分成各個(gè)模塊，分別實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，最后由主控制器統(tǒng)一控制調(diào)度。各模塊之間沒有耦合，從而大大降低了調(diào)試和維修難度。另外，由于采用分布式結(jié)構(gòu)，使得儀器的整體體積小、重量輕；并且可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)分析的要求，靈活配置相應(yīng)的模塊，從而達(dá)到一款儀器多種用途。實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步顯示，該色譜儀器能夠基本滿足常用有機(jī)磷(敵敵畏、敵百蟲)的分離要求。

2便攜式氣相色譜儀的系統(tǒng)框架

根據(jù)氣相色譜儀的功能劃分，可分為：進(jìn)樣器、色譜柱、檢測(cè)器、信號(hào)輸出和顯示模塊。這些模塊都由一個(gè)主控制板進(jìn)行統(tǒng)一控制調(diào)度，主控制板對(duì)各個(gè)模塊發(fā)出命令，模塊執(zhí)行命令并完成后將返回狀態(tài)信息，主控制板將此狀態(tài)信息顯示出來，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　氣相色譜儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1主控制器的選擇

主控制器作為核心控制系統(tǒng)，目前主流的控制器有：單片機(jī)、ARM嵌入式平臺(tái)、PowerPC、x86工控機(jī)。作為色譜儀器的“大腦”，主控制器的選擇將直接關(guān)乎整個(gè)系統(tǒng)的性能、成本、開發(fā)周期、后期維護(hù)難易程度等，因此，選擇一款高性能并廣泛使用的主控制器對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要的意義。目前，32位處理器發(fā)展迅猛，并逐步取代了8位/16位處理器在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的主導(dǎo)地位。其中，基于ARM架構(gòu)的32位處理器已經(jīng)占據(jù)了市場(chǎng)上RISC處理器75%以上的份額，是名副其實(shí)的最廣泛使用的32位處理器[5]。

本系統(tǒng)采用的是基于ARM+Linux的嵌入式平臺(tái)，處理器為三星S3C2440，主控制板選擇廣州友善之臂計(jì)算機(jī)公司的micro2440開發(fā)板，該開發(fā)板擁有豐富的硬件資源，如多個(gè)USB接口、I2C總線、串口、PWM引腳輸出、ADC引腳輸出等，可滿足本系統(tǒng)的硬件需求[6]。

2.2功能模塊

除了主控制板外，儀器還需要多個(gè)功能模塊，來實(shí)現(xiàn)各模塊的功能。

2.2.1分析模塊

根據(jù)色譜原理，分析模塊可分為：進(jìn)樣器控制模塊、色譜柱控制模塊、檢測(cè)器控制模塊，并分別完成樣品的進(jìn)樣、分離和檢測(cè)功能。

進(jìn)樣控制模塊根據(jù)樣品的進(jìn)樣方式不同，又分為閥進(jìn)樣控制模塊和自動(dòng)進(jìn)樣控制模塊。在便攜式氣相色譜設(shè)計(jì)中，采用3D打印小柱箱從而減小體積和功耗，并且使用色譜柱柱上直接升溫來加快升溫速率，縮短分析時(shí)間。色譜柱采用蘭州化物所農(nóng)殘I號(hào)柱，規(guī)格為：30m×0.32mm×0.5μm。檢測(cè)器模塊根據(jù)檢測(cè)器類型的不同，包括：FID(火焰電離檢測(cè)器)、FPD(火焰光度檢測(cè)器)、NPD(氮磷檢測(cè)器)、TCD(熱導(dǎo)檢測(cè)器)[7]，本系統(tǒng)采用FPD檢測(cè)器。檢測(cè)器模塊內(nèi)部一般會(huì)封裝有前端檢測(cè)電路、AD采樣電路、信號(hào)處理電路來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)、采樣和放大濾波功能，然后將該信號(hào)輸出至上位機(jī)進(jìn)行譜圖顯示，整個(gè)分析模塊流程見圖2。

圖2　氣相色譜分析流程圖

2.2.2溫度控制模塊

該模塊實(shí)現(xiàn)儀器運(yùn)行時(shí)所需的溫度，包括：進(jìn)樣器溫度、色譜柱溫度、檢測(cè)器溫度。這3個(gè)單元各自的溫度控制均為獨(dú)立控制，不會(huì)受到其他單元溫控的影響，使得儀器的配置非常靈活。每個(gè)單元通過溫度傳感器PT100、溫度變送器將采集的溫度值轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)然后傳至微控制器的ADC引腳上，進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換后通過程序控制輸出所對(duì)應(yīng)的PWM波形，可控制繼電器的開和關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該單元的加熱器件的控制。升溫方式可設(shè)置為恒溫和程序升溫，整個(gè)過程如圖3所示。

圖3　溫度控制模塊流程圖

2.2.3譜圖信息及狀態(tài)顯示模塊

儀器在運(yùn)行中需要隨時(shí)查看各種狀態(tài)信息，如各單元的實(shí)時(shí)溫度、實(shí)時(shí)氣體流速、譜圖信息、實(shí)驗(yàn)進(jìn)程節(jié)點(diǎn)提示信息、溫度異常警告信息等。根據(jù)顯示級(jí)別可分為實(shí)時(shí)顯示面板和警告異常彈出面板兩種界面。信號(hào)經(jīng)檢測(cè)器后端處理之后，通過數(shù)據(jù)采集卡傳至CPU進(jìn)行處理，然后將處理結(jié)果輸送至LCD顯示屏進(jìn)行顯示，該界面擬采用嵌入式QT來編寫,用戶在此界面上可隨時(shí)查看儀器的運(yùn)行狀態(tài)。

3便攜式氣相色譜的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

主控制板采用廣州友善之臂公司的micro2440開發(fā)板，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

不同的功能模塊，集成不同的功能電路和執(zhí)行部件，實(shí)現(xiàn)模塊功能。如溫控模塊中，包括傳感器電路、溫度變送器電路、ADC轉(zhuǎn)換電路、加熱控制電路等。信號(hào)檢測(cè)模塊中，包括濾波、運(yùn)放、ADC轉(zhuǎn)化電路等。

3.2系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

便攜式氣相色譜儀采用結(jié)構(gòu)化模塊設(shè)計(jì)后，其系統(tǒng)控制方式由原來的集-總式控制轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际娇刂啤Ｗ鳛橹骺刂葡到y(tǒng)上運(yùn)行的控制軟件，其主要任務(wù)是管理和調(diào)度所連接的各功能模塊，分配模塊任務(wù)，使之協(xié)調(diào)工作，共同完成整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量分析功能。各功能模塊執(zhí)行各自的控制算法和工作任務(wù)，與其他模塊完全隔離，這樣使得整個(gè)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)趨于扁平化、簡單化，極大地降低了軟件運(yùn)行的復(fù)雜度，同時(shí)也使得系統(tǒng)后期的維護(hù)和升級(jí)變得方便易行。

主控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

硬件驅(qū)動(dòng)是硬件電路與操作系統(tǒng)進(jìn)行交互通信的橋梁，操作系統(tǒng)通過自身提供的API接口去發(fā)送和接收命令，可以驅(qū)動(dòng)硬件電路完成特定的功能并讀取其運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)參數(shù)，然后通過內(nèi)核傳送至應(yīng)用程序，然后接收應(yīng)用程序的下一步指令，重復(fù)循環(huán)此過程，即可實(shí)現(xiàn)硬件與軟件的通信[8]。

系統(tǒng)支持庫提供各類需要的C庫，即API，來供內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)調(diào)用。

Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核提供了一個(gè)與儀器硬件等價(jià)的擴(kuò)展或虛擬的計(jì)算平臺(tái),它抽象了許多硬件細(xì)節(jié)，程序可以以某種統(tǒng)一的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使得在編寫應(yīng)用程序時(shí)可以避開許多硬件細(xì)節(jié)。而且其支持多任務(wù)，而這種方式對(duì)用戶進(jìn)程是透明的，每一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行起來就好像只有它一個(gè)進(jìn)程在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行一樣，獨(dú)占內(nèi)存和其它的硬件資源，而實(shí)際上，內(nèi)核在并發(fā)地運(yùn)行幾個(gè)進(jìn)程，并且能夠讓幾個(gè)進(jìn)程公平合理地使用硬件資源，也能使各進(jìn)程之間互不干擾安全地運(yùn)行[9]?？傊琇inux內(nèi)核大大簡化了開發(fā)應(yīng)用程序的難度。

模塊管理和模塊調(diào)度可以靈活配置，在開機(jī)時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要的模塊定制加載，不需要的可以不進(jìn)行加載，這樣可以減輕系統(tǒng)的開銷，提高儀器性能。

儀器功能模塊，可以完成各模塊特定的任務(wù)，如控溫，通信，提示信息等。主控制板統(tǒng)一配置這些模塊并進(jìn)行合理調(diào)度，共同完成儀器的功能實(shí)現(xiàn)。

人機(jī)顯示界面是實(shí)驗(yàn)員與氣相色譜儀進(jìn)行交互的界面，在此界面上，實(shí)驗(yàn)員可以對(duì)儀器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，查看儀器運(yùn)行狀態(tài)，查看譜圖顯示信息并進(jìn)行一些基本的數(shù)據(jù)處理功能，如保持譜圖文件、清空界面、重新設(shè)置參數(shù)等。

整機(jī)儀器的實(shí)物圖6如示。

圖6　儀器整機(jī)實(shí)物圖

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上的模塊化設(shè)計(jì)方法，開發(fā)出了便攜式氣相色譜的原型樣機(jī)，用于驗(yàn)證各模塊的設(shè)計(jì)方案。在主控制板的CPU中燒錄Linux系統(tǒng)之后，將主控制程序通過串口加載至Linux中，然后啟動(dòng)應(yīng)用程序，可完成進(jìn)樣器溫度控制任務(wù)、色譜柱溫度控制任務(wù)、檢測(cè)器溫度控制任務(wù)、輸出信號(hào)處理顯示任務(wù)。初步完成了功能模塊的動(dòng)態(tài)加載和卸載，能夠協(xié)調(diào)各模塊，實(shí)現(xiàn)儀器基本的操作和分析功能。

在儀器的功能驗(yàn)證和性能測(cè)試方面，選用蘭州化物所的農(nóng)殘I號(hào)柱，色譜柱內(nèi)徑為0.32mm ，膜厚為0.5μm ，長度為30m[10]。進(jìn)樣方式使用分流進(jìn)樣方式，分流比為20∶1；檢測(cè)器采用FPD檢測(cè)器；待檢測(cè)樣品為敵敵畏和敵百蟲標(biāo)樣稀釋之后的混合液，其中敵敵畏濃度為：50×10-9，敵百蟲濃度為100×10-9，總進(jìn)樣量為0.4μL，色譜溫度條件為：進(jìn)樣器恒溫保持在200℃；FPD檢測(cè)器恒溫保持在200℃；色譜柱先升溫至80℃，保持1min，然后以10℃/min升溫至130℃，再恒溫保持。同樣的條件下，采用島津GC2010色譜儀進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，兩組實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

圖7　敵百蟲、敵敵畏實(shí)驗(yàn)譜圖

本次實(shí)驗(yàn)樣品為敵百蟲和敵敵畏，它們均溶解在丙酮溶劑中。從譜圖中可以看出，若采用自行研制的色譜儀，丙酮溶劑在進(jìn)樣后0.5min時(shí)出峰，緊接著敵百蟲出峰，大概4min后敵敵畏出峰。而采用島津GC2010色譜儀，在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，要經(jīng)歷大約6min才可全部出峰。此款便攜式氣相色譜儀可基本滿足實(shí)驗(yàn)室日常分析要求，后續(xù)將進(jìn)一步開展儀器的性能提高和功能完善等工作。

5結(jié)束語

提出了一種便攜式氣相色譜儀的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面，闡述了分析模塊和功能模塊的實(shí)現(xiàn)方案?；谀K化設(shè)計(jì)的便攜式氣相色譜儀，主控制板和各個(gè)功能模塊獨(dú)立工作，主控制板統(tǒng)一調(diào)度和管理功能模塊，使其相互協(xié)作，共同完成樣品分析等任務(wù)。儀器由傳統(tǒng)的集-總式控制改為分布式控制，可以降低復(fù)雜度、提高系統(tǒng)穩(wěn)定度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)配置靈活、體積小、維修簡便，分離效果基本滿足食品安全中的有機(jī)磷農(nóng)殘現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)要求。

參考文獻(xiàn)

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Design and experiment of portable gas chromatograph for rapid detection of organophosphorus pesticides.

Zhang Nannan1,2,Wu Zhihui1,3,Kong Deyi1

(1.StateKeyLaboratoryofTransducerTechnology,HefeiInstituteofIntelligentMachines,CAS,Hefei230031,China;2.DepartmentofAutomation,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Heifei230027,China; 3.CollegeofElectronicScienceandAppliedPhysics,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230011,China)

Abstract：A structured design of portable gas chromatograph is proposed to detect the organophosphorus pesticides, The portable GC is composed of several functional modules, such as injection module, separate module, detection module. Each module does not couple with each other, but is controlled by the main control board, which means that the modules can be loaded dynamically and makes it more convenient and effective for later maintenance. The result shows that the Portable Gas Chromatograph has well represented curves of three common organophosphorus pesticides.

Key word:portable gas chromatograph; organophosphorus; structured design

基金項(xiàng)目：1.國家自然科學(xué)基金(No.11474291)；2.國家自然科學(xué)青年基金(No.51405001)；3.安徽省自然科學(xué)青年基金(No.1408085QE98)

作者簡介：張南南，男，1992出生，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楸銛y式氣相色譜儀，E-mail：1058267830@qq.com。

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2016.03.003