基于CPLD的离子色谱仪的设计与实现

　　1　引　　言

　　离子色谱分析仪是一种化学分析仪器,主要用于环境样品的分析中的阴、阳离子、杂质的分析。近年来,离子色谱分析仪是色谱领域中发展最快的重要分析技术之一,属于非电量电测范畴。利用离子交换原理实现溶液中各种离子的快速分离,由抑制器除去淋洗液中的强电解质以扣除其本底电导,再用电导检测卡连续测定流出液的电导值,便得取各种离子的色谱峰,达到分离、定性、定量分析一次完成的目的。

　　电导检测卡是离子色谱分析仪中进行非电量电测的重要环节。目前,已有的电导检测卡多是由几十片集成电路组成,PCB板面积较大,集成度不高,功能单一,系统兼容性差,不能升级。针对电导信号的特点,笔者以CPLD为核心设计出高灵敏度、可测量单端和差分信号的电导检测卡,以板卡的形式插于工控机扩展槽上,取代老式设备,核心数字逻辑在一片Altera的CPLD中,实现设备的小型化;用VC++编写了板卡在windows系统的设备驱动程序,采集波形的实时显示和分析软件,增强了分析处理功能。

　　2　电导检测卡的设计

　　前端传感器测量装置从试样中得到包含阴、阳离子信息的电导信号,其特点是信号微弱(毫伏级),整个测量过程通常历时15～30min,通常要求测量分辨率达到10-6,即A/D转换的位数要达到20bit。从性能与成本的角度考虑,逐次逼近法和双积分法的器件都不适合,而压频转换方式(VFC)和Σ-Δ方式都更适于实现慢速的20bitA/D转换。由于需要调整采样频率和测量精度,所以选用VFC法,通过调整计数门控时间,就可以实现采集率和精度的变化。

　　系统中的VFC选用AD公司的电荷平衡式AD652,最高输出频率为2MHz,是一种高速、高精度的单片V/F转换器,该芯片的各项性能指标均优于其它类型的V/F转换器。图1为电导检测卡的信号处理流程,V1,V2是差分电导信号的两个输入端,Vd是调整后的电压信号;fs是AD652输出的,与成Vd正比的频率信号;T是CPLD输出给AD652的门控信号。分辨率由时钟频率和闸门时间确定。例如:时钟频率为4MHz,闸门时间为Tc=213/2MHz=4.096ms,则由2MHz产生的满度频率给出的最大计数值为8192;分辨率为13位二进制。

　　由于抑制器输出的电导信号的极性是不确定的,有时需要测量差分信号,因此在设计信号输入通道时,采用双端口的输入低通滤波网络,包括阻容和两级运放,进行信号极性和量程调整,并在后一级运放输出端加入仪器电信号调零电阻网络。

　　3　CPLD内数字逻辑的设计

　　CPLD内的数字逻辑是电导检测卡的核心处理部分,主要对板卡内部信号的数字信号时序进行控制,产生AD652的门控信号T,并对AD652输出频率fs计数,完成A/D转换,得到模拟电导的数字信号值,并把这些数据通过PC的扩展总线接口,传送到上位机的应用程序中。数据采集使用两种不同的方式完成数据传输:中断方式和DMA方式。针对数字电路系统要完成的各项任务,设计时将其分成五个功能模块。