四极质谱仪通用数字控制系统结构的研究

　　1    概述

　　四极质谱仪包括四极杆和四极离子阱质谱仪,被广泛用于生命科学、化学、医药、环境、食品安全等领域,小型化是其发展趋势[1]。数字控制系统是此类仪器的关键部件,研制通用的数字控制系统用于不同类型的仪器,能降低成本和提高研制效率。通用性体现在可扩展、符合多数类型仪器的性能需求;小型化要求体积小、低功耗。现仪器中的数字控制系统还不能完全满足这些要求,其结构设计是主要的制约因素。基于8位单板机、单片机[2-4]系统的体积小、功耗低,但性能不能满足四极离子阱控制的需求;基于X86处理器的微型计算机总线,使用DOS或Win-dows操作系统[5-8]能满足通用性,但体积大、功耗高。近年来,商业仪器普遍使用嵌入式系统[9]结构,用户操作的计算机和仪器控制的嵌入式计算机被分开,用以太网通信。Polaris Q(Thermo公司产品)和Gao等[1]设计的小型离子阱仪器基于32位微控制器(MCU)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA),运行程序分别用于通信、数据处理和产生时序逻辑信号数据分析和用户操作程序运行在远程计算机上,但他们没有公开报道32位MCU中的操作系统及其通信协议。系统体积较小,但成本高、新功能扩展较困难[10]、通用性受到限制。本工作设计的通用数字控制系统结构是在Polaris Q基础上,增加基于32位MCU的精简PC104总线[11]用于扩展硬件,在操作系统uClinux[12]上用多任务编程实现通信和数据处理,设计出通用远程控制协议减少编程工作量。在FPGA中设计出分时段的同步程序实现离子阱的控制时序,最后进行系统测试和在3种仪器中的应用试验。

　　2　数字控制方法

　　2.1　控制的硬件

　　控制对象主要是:直流高压、射频电源、加热、阀门、气体流量控制器、分子泵、真空规等。数字控制使用的硬件主要是:多路DAC、多路ADC、快速扫描的高分辨DAC、微弱电流放大及高速高分辨数据采集、频率信号、数字I/O、串口通信。

　　2.2　控制时序

　　四极离子阱质谱仪典型控制时序[7]示于图1,其特点是分时间段、多个部件同步并行执行。四极杆的控制时序只有Analysis一个时间段,同步工作部件较少。

　　3　硬件结构

　　数字控制系统的硬件结构示于图2,它主要由3块电路板组成:嵌入式系统主板、控制功能板、微弱电流放大及数据采集板。主板基于32位MCU和16位的精简PC104总线[11],读写信号由S3C4510B的读写信号分别与片选信号(nECS1)作逻辑或操作来实现,I/O地址映射到S3C4510B的地址总线范围: 0x03604000 ~0x036047fE,使用32位MCU芯片S3C4510B选用EP1C4(Altera公司产品),通过软件编程的方式实现了所有的并行数字逻辑电路。微弱电流放大器[13]及ADC设计在1块电路板中,就近安装在电子倍增器的输出端以减小噪声,LVDS[14]提供差分、高速、低功耗、低成本、抗干扰的数字传输。