气相色谱仪图谱显示功能分析设计

　　引言

　　图谱显示是用来对被测信号尖峰的频率、幅值进行分析,用来研究被分析对象动态特性的主要手段。运用精密运放和A/D转换芯片可实现实时曲线在线显示,使操作者能够及时了解仪器的运行状态。本文图谱显示软件主要有2方面的功能:①协调整机软件及硬件的操作和运行,实现数据采集、处理、仪器标定等操作的自动化;②提供方便的人机对话界面,使用户可以通过图谱显示界面来控制、监视或调整仪器的运行状态,得到正确的分析结果。

　　1　图谱显示实现方法和原理

　　图谱显示功能的实现关键是对被测信号实现A/D转换与分析。根据分析信号特点,本设计A/D转换选择VFC式A/D转换电路,核心元件选用美国ANALOGDEVICES公司的电压/频率转换器AD650。设计其工作参数为:0~5V的电压范围对应输出0~500 kHz的频率;在500 kHz满刻度时非线性度小于0. 02%[1],完全达到系统对精度和线性度的要求。输出频率送给8051单片机T1口,利用定时计数器T1的计数功能,计算一定时间内采集到的脉冲数,在另一个定时/计数器T0被占用的情况下用延时子程序实现软件定时。计数值对应输入的模拟电压,从而实现A/D转换。硬件接口原理图如图1所示。

　　采样精度和周期可根据实际需要用软件灵活处理[2]。转换时间td根据所要实现的转换精度(分辨率)和所选择的AD650满刻度输出来决定,即由td=2N/fmax求得。N为要实现的A/D转换分辨率位数,当AD650满度输出频率fmax确定后,要得到高的分辨率,就要增大计数的时间(即A/D转换时间),但转换时间过长往往导致转换速率降低,不能满足实际需要。因此,在设计时需要全面考虑。另外在确定转换时间和转换精度时还需考虑T1可计数的最大容量。

　　系统中foc=12MHz,AD650输出fmax=500 kHz,转换时间取td=32ms,相应转换分辨率近似为N=14。在32ms内采集到的脉冲数为a,脉冲周期为T,则AD650输出的频率f为:

　　0~5V对应输出频率0~500 kHz,则频率f与输入到AD650的电压之间的关系式为:

　　式中:a为采样周期内从定时计数器T1采集到的脉冲数;U为当前输入的电平值,V。

　　设计时要注意AD650如何接外围电路才能达到满量程500 kHz,包括输入电阻、定时电容等元件都要认真核对。

　　2　软件功能框架及各模块设计

　　整个软件根据仪器的功能,分为画面识别、量程设置、仪器标定及数据处理、插补算法画线、采集数据显示及清屏等模块。

　　2.1　画面识别模块

　　因仪器功能繁多,按键个数远远不足。为简化面板设计,某些功能可以通过组合键来实现。以主菜单键、确定键和返回键组合所需要的功能。调用图谱显示子程序时将光标移至主菜单的“图谱显示”项,选中的功能项反色显示,当按下确定键之后,则进入如图2所示的界面,该界面的显示内容,将由信号输出的子菜单中所选择的检测器输出信号来决定。本系统使用量程变换技术,在进入图谱显示界面前,可以由键盘输入参数来设定电压信号U0的显示范围;并且在最上一行依次显示了实际信号电压值和单位。