付 玉，賀飛耀，李 宏，張超凡，翟培建，羅 英，趙忠俊,段憶翔

(1.四川大學機械工程學院，四川成都 610065；2.四川大學生命科學學院，四川成都 610065；3.成都艾立本科技有限公司，四川成都 611930；4.四川大學化學工程學院，四川成都 610065)

0 引言

飛行時間質(zhì)譜儀(time-of-flight mass spectrometer，TOF-MS)因其具有分析速度快、分析精度高等特性而成為一種重要的物質(zhì)定性定量分析儀器，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染物、違禁藥品、爆炸物的檢測[1]。TOF-MS對工業(yè)過程、環(huán)境空氣和汽車尾氣中的揮發(fā)性有機化合物中組分的識別具有良好的選擇性和超低濃度的檢測靈敏度,因而得到了很好的發(fā)展[2-3]。隨著模塊化、小型化質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展，人們渴求一種智能化的控制方式，能實現(xiàn)儀器系統(tǒng)各模塊間的通信與控制。

姜若鄰[4]研制的TOF-SIMS離子束偏轉(zhuǎn)電源及真空測控系統(tǒng)利用GM8125串口擴展芯片實現(xiàn)多部真空規(guī)及分子泵的控制，將多個外圍設(shè)備掛載在同一控制板上，接線復(fù)雜，不利于儀器的后期維護；利用旋鈕電位器手動調(diào)節(jié)電源的輸出，不利于實現(xiàn)儀器自動化控制。李明等[5]研究了CAN總線在四極質(zhì)譜儀中的應(yīng)用，表明了CAN總線對質(zhì)譜儀器發(fā)展的重要意義。王繼增等[6]利用RS485總線實現(xiàn)高壓直流電源遠程控制；秦怡等[7]研制的基于LabVIEW的程控直流高壓電源設(shè)計中計算機通過藍牙傳輸數(shù)據(jù)控制電源的輸出。王繼增、秦怡等的研究均能實現(xiàn)電源的自動化控制，但是通信方式的抗干擾能力、實時性和可擴展性還有待提高。

本研究利用結(jié)構(gòu)簡潔、性能可靠以及節(jié)點擴展靈活的CAN總線將各控制模塊連接成控制網(wǎng)絡(luò)，形成分布式控制系統(tǒng)。CAN總線的運用使得儀器模塊化成為可能，能進一步降低同類型儀器的設(shè)計工作量，共享通用部件，以便儀器的組裝、調(diào)試、后期維護及功能擴展。在電源控制系統(tǒng)中，利用智能化的控制方式，實現(xiàn)儀器各節(jié)點的集中統(tǒng)一控制；利用分段線性差值對分析器高壓直流電源輸出數(shù)據(jù)進行修正，實現(xiàn)了高壓直流電源0.1 V的調(diào)節(jié)。目前，總控制網(wǎng)絡(luò)及電源控制系統(tǒng)已經(jīng)成功穩(wěn)定地運用于自行研制的TOF-MS。

1 總體測控系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由主控制板、分析器高壓直流電源控制板、離子源中低壓電源控制板、脈沖電源控制板、射頻電源控制板組成，各控制板作為CAN總線的節(jié)點被接入通信網(wǎng)絡(luò)中，可以達到彈性增加及調(diào)整系統(tǒng)功能的目的。上位機軟件通過以太網(wǎng)將控制指令發(fā)送至主控制板微處理器，微處理器對指令進行解析，實現(xiàn)對真空規(guī)檢測值的讀取、對分子泵參數(shù)的監(jiān)測與控制，并將上位機傳送的指令在CAN總線中進行廣播，實現(xiàn)對各電源控制系統(tǒng)的控制及數(shù)據(jù)傳輸。整個系統(tǒng)由24 V線性電源供電。本文的主要研究內(nèi)容為主控制系統(tǒng)以及分析器高壓直流電源控制系統(tǒng)的設(shè)計與測試。

2 控制板硬件電路設(shè)計

2.1 主控制板電路設(shè)計

主控制板微處理器選用STM32F407作為主控芯片，主頻為168 MHz，擁有豐富的外設(shè)資源，能夠完成高壓參數(shù)的采集與處理、參數(shù)控制、邏輯控制、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。主控制板的硬件電路設(shè)計框圖如圖2所示。

STM32F407自帶CAN控制器，支持CAN 2.0A/B標準，最高通訊速率為1 Mbps，滿足各節(jié)點通信速度要求。CAN總線收發(fā)器選擇TJA1050芯片，與CAN控制器組成閉環(huán)通信網(wǎng)絡(luò)。采用雙通道數(shù)字隔離器件ADUM1201，配合隔離電源實現(xiàn)CAN接口的隔離。與傳統(tǒng)的單通道光電隔離相比，基于磁隔離技術(shù)的ADUM1201在同一芯片內(nèi)部提供正向和反向兩通道，簡化了硬件結(jié)構(gòu)，具有更好的性能。

TOF-MS在工作中有數(shù)據(jù)交互的需求，上位機向下位機傳達控制命令,下位機采樣的數(shù)據(jù)實時傳回上位機，數(shù)據(jù)傳輸速率要求高，數(shù)據(jù)量大。以太網(wǎng)具有硬件成本低、開發(fā)周期短、傳輸速度快、不易掉線等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于質(zhì)譜儀測控系統(tǒng)中[8]。在本設(shè)計中采用W5500嵌入式以太網(wǎng)控制器實現(xiàn)下位機與上位機的通信，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)電纜傳輸以保證其穩(wěn)定性。W5500內(nèi)部使用邏輯門電路集成全硬件TCP/IP協(xié)議棧、MAC層、PHY層，與傳統(tǒng)采用軟件編程的以太網(wǎng)接入設(shè)備相比，直接使用硬件協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的處理工作，使主控制芯片只需承擔應(yīng)用層控制信息的處理任務(wù)，讓單片機接入以太網(wǎng)的設(shè)計更為簡捷和高效。

質(zhì)譜儀的質(zhì)量分析器及檢測器工作時處于高真空狀態(tài)。低真空度可能導(dǎo)致內(nèi)部高壓部件放電，引起額外的分子-離子反應(yīng)，使質(zhì)譜圖復(fù)雜化，損壞檢測器[9]。質(zhì)譜儀的高真空狀態(tài)由分子泵和真空規(guī)共同保證。真空規(guī)選擇皮拉尼冷陰極復(fù)合規(guī)PKR251(德國Pfeiffer)，測量范圍涵蓋整個高真空到超高真空，輸出模擬信號0～10 V，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7324將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過SPI總線將信息傳送給微處理器；采用300 L/S分子泵(德國Pfeiffer)及0.7 m3/h前級機械泵抽取真空，該分子泵通過電子驅(qū)動模塊來控制其開、關(guān)機以及轉(zhuǎn)速，控制命令的傳送由RS232總線實現(xiàn)。微處理器經(jīng)電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平，與分子泵驅(qū)動模塊進行通訊。

2.2 分析器高壓直流電源控制系統(tǒng)設(shè)計

傳統(tǒng)的飛行時間質(zhì)譜儀供電系統(tǒng)通常由多個線性電源組成一個電源柜，通過電位器或撥檔開關(guān)調(diào)整電壓。線性電源具有技術(shù)路線成熟、紋波小、無高頻噪聲等優(yōu)點，但是其體積大，不便于移動；基于人工調(diào)節(jié)的方式，調(diào)節(jié)速度慢，調(diào)節(jié)精度低，不利于質(zhì)譜技術(shù)的集成化與商業(yè)化發(fā)展。隨著電源技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的模塊化小型開關(guān)電源，其技術(shù)指標已經(jīng)可以滿足飛行時間質(zhì)譜儀的需求[10]。因此選擇整合度高、精度高的開關(guān)電源代替體積大、成本高的線性電源。

TOF-MS的直流供電系統(tǒng)由離子源電壓控制系統(tǒng)和分析器高壓控制系統(tǒng)組成。分析器的電壓包括：反射電壓UReflect(0～+500 V)，加速電壓UAcceleration(-1 500～0 V)，柵網(wǎng)電壓UGrid(-500～0 V)，微通道板電壓UMCP(-2 500～0 V)。利用SIMION軟件模擬電源穩(wěn)定度與TOF-MS極限分辨率之間的關(guān)系，為儀器的電源系統(tǒng)精度指標設(shè)計提供理論基礎(chǔ)[11]，根據(jù)模擬結(jié)果，分析器直流高壓電源的穩(wěn)定度與儀器的極限分辨率滿足式(1)：

(1)

式中：U為電壓值；ΔU為電源微小變化；R為儀器極限分辨率。

儀器的分辨率受各種因素的限制[12]，顯然電源精度越高，儀器的極限分辨率也越高。設(shè)計中選用紋波精度為十萬分之一的高精度開關(guān)電源模塊為分析器工作提供穩(wěn)定電場。該模塊的插針式、小體積結(jié)構(gòu)利于集成在電路板上，性能方面滿足飛行時間質(zhì)譜儀設(shè)計需求，能夠使用軟件控制輸出電壓自動升降，自動優(yōu)化質(zhì)譜儀電壓參數(shù)。

電源控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。選擇16位四通道數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD5754R控制高壓電源的輸出，減少器件數(shù)量以提高整體可靠性。AD5754R選擇0～10 V輸出檔，控制高壓電源模塊輸出零到滿量程范圍，對于最高電壓2 500 V的輸出，其分辨率約為0.038 V，而實際輸出設(shè)置電壓的步進值為0.1 V，完全滿足設(shè)計要求。為了讓儀器使用者實時了解質(zhì)譜儀運行時高壓直流電源的輸出狀態(tài)，增加了電壓反饋測量功能。利用采樣電阻分壓的方式將高壓輸出值降為0～10 V，通過四通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8694和用于實現(xiàn)阻抗匹配的電壓跟隨器組成的反饋網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)電壓采樣。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括主控制板的軟件設(shè)計和各節(jié)點的軟件設(shè)計。主控制板接收到上位機發(fā)送的控制命令后，經(jīng)CAN總線向各節(jié)點廣播。各節(jié)點給出應(yīng)答并執(zhí)行相應(yīng)操作，上傳測量數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)將CAN總線各節(jié)點的功能設(shè)計成任務(wù)，根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級進行調(diào)用。

3.1 主控制板軟件設(shè)計

主控制板作為轉(zhuǎn)播中心，除了要實現(xiàn)與上位機的通信，向各節(jié)點發(fā)送或接收來自各節(jié)點的信息外，還要監(jiān)控真空環(huán)境的參數(shù)。真空規(guī)輸出0～10 V電壓信號，電壓值與真空值之間滿足一定的關(guān)系式，讀取電壓信號后利用轉(zhuǎn)換公式計算出真空值，顯示在上位機界面。分子泵的控制由一系列命令組成，包括分子泵啟停、狀態(tài)、轉(zhuǎn)速、串口控制等，通信協(xié)議為主從模式，數(shù)據(jù)格式如下：主機向從機發(fā)送MESSAGE+CRC；從機回答主機ANSWER+CRC，其中CRC是十六進制的2個ASCII碼，代表終止符。

CAN節(jié)點實現(xiàn)通信包括以下流程：初始化CAN通信目標引腳及對應(yīng)端口時鐘，使能CAN外設(shè)時鐘，配置CAN外設(shè)工作模式、波特率等；在庫函數(shù)中調(diào)用發(fā)送或接收信息的相關(guān)函數(shù)；調(diào)用確認是否發(fā)送或接收成功的相關(guān)函數(shù)。CAN總線工作時按任務(wù)優(yōu)先級依次執(zhí)行各任務(wù)，采用中斷的方式執(zhí)行指令。

微處理器STM32F407與W5500之間采用SPI串行通信的方式，在通信中需要通過SPI接口配置W5500各寄存器的值，包括IP地址寄存器、MAC地址寄存器、子網(wǎng)掩碼寄存器等。在本系統(tǒng)中，下位機工作在服務(wù)器模式，通過TCP/IP與工作在客戶端模式的上位機通信。TCP具備一種確保傳輸準確的機制，即三向握手機制：接收方收到數(shù)據(jù)后，向發(fā)送方發(fā)送確認消息，發(fā)送方收到確認消息后才發(fā)送數(shù)據(jù)[13]。這種機制使通信具有很強的可靠性。

3.2 電源控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

在分析器高壓電源接入CAN總線網(wǎng)絡(luò)之前，利用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手控制各通道高壓電源的輸出。在各高壓電源模塊的零至滿量程輸出范圍內(nèi)均勻選取100個點，利用高壓探頭加Agilent五位半高精度數(shù)字電壓表的組合測量這100個點的電壓。以500 V電源模塊為例，每隔5 V測量一個點的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在相同的二進制編碼下理論電壓輸出值和實際測量值之間隨著編碼值的增大，誤差值也越來越大，結(jié)果如圖4所示。

將這100個點的數(shù)據(jù)，包括DAC編碼、單片機ADC采樣編碼、高壓電源模塊輸出值作為標定數(shù)據(jù)，采用Access構(gòu)建數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，用于保存各通道的標定數(shù)據(jù) 。將分析器高壓直流電源控制節(jié)點接入CAN總線，與主控制板、上位機組成整體網(wǎng)絡(luò)后，在上位機控制軟件中導(dǎo)入標定數(shù)據(jù)，設(shè)置電壓時通過判斷預(yù)置電壓與數(shù)據(jù)庫中所選取電壓點分界值的關(guān)系，運用分段線性差值的方法計算相應(yīng)的DAC編碼，具體控制流程如圖5所示。

分段線性差值方法即根據(jù)分段線性插值原理，將每兩個相鄰節(jié)點用線段連接起來。上述標定的100個點就是用于擬合的特征點，假設(shè)這些特征點為(D1，V1)，(D2,V2)，…，(D100,V100)，則位于兩個特征點之間的任意一點的電壓就可以按照式(2)求出。特征點的選取應(yīng)盡量分布均勻，且數(shù)量越多擬合出來的多折線段越接近真實的曲線，這是一種以工作量換取高精度的方法[14]。

(2)

式中：Di

4 實驗部分

4.1 高壓電源性能測試

高壓電源工作時易受到外界環(huán)境因素的干擾，如脈沖電源干擾、工頻干擾等，設(shè)計濾波電路，保證電源電壓低紋波，通過對干擾源進行屏蔽和接地處理，利用RIGOL DS 2072A示波器(交流耦合，20 MHz帶寬)測量4路電源(UReflect，UAcceleration，UGrid，UMCP)在50 V輸出時的紋波，結(jié)果均低于25 mV，完全滿足設(shè)計要求。

4.2 儀器性能測試

設(shè)計的主控制板與分析器高壓直流電源控制板已成功運用在自制的飛行時間質(zhì)譜儀中。儀器的人機交互軟件采用C#編寫。整個系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置通過計算機來配置。質(zhì)譜儀微通道板MCP上的數(shù)據(jù)信息由采集卡傳送到上位機處理，高壓電源電壓數(shù)據(jù)經(jīng)標定后導(dǎo)入上位機保存。質(zhì)譜儀工作前，首先在上位機的“儀器設(shè)置”選項中設(shè)置好分析器電源的電壓參數(shù)及真空系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，然后在“采集設(shè)置”設(shè)置譜圖采集的采樣率、采集時長、累加次數(shù)及保存路徑等參數(shù)，最后點擊“開始”按鈕，上位機下發(fā)控制命令，儀器開始采集數(shù)據(jù)。圖6為上位機儀器參數(shù)設(shè)置界面。

為測試所設(shè)計的飛行時間質(zhì)譜儀的功能完整性及分辨率大小，對某氣體進行測量，在50 s內(nèi)以20 kHz頻率累加采集信號，飛行時間約為27.482 μs處的峰顯示如圖7所示。分析得到分辨率約為2 081，與設(shè)計的目標分辨率基本一致。該儀器在長時間工作中，控制系統(tǒng)運行可靠，分析器高壓直流電源輸出穩(wěn)定。

5 結(jié)論

隨著質(zhì)譜儀器的發(fā)展，傳統(tǒng)的系統(tǒng)測控模式早已不能滿足實際需求。本研究基于此提出并成功研制的基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)的飛行時間質(zhì)譜儀測控系統(tǒng)具有性能可靠、結(jié)構(gòu)簡潔的特點。該測控網(wǎng)絡(luò)具有普遍適用性，提高了儀器功能可擴展性，為質(zhì)譜儀測控系統(tǒng)的未來提供了一種具有發(fā)展?jié)摿Φ乃悸?。本研究引入了一種緊湊的、模塊化的電源解決方案，通過高精度D/A、A/D轉(zhuǎn)換實現(xiàn)電源輸出及讀取，并通過分段線性插值提高了電源的控制精度。該電源解決方案的靈活性使得其同樣適用于其他類型儀器的活動電源設(shè)計。