基于NIOS II的离子迁移谱仪设计与实现

张根伟，赵 将，刘 波，邵晟宇，杨 杰，蒋颜玮

（防化研究院，北京 102205）

0 引言

离子迁移谱（ion mobility spectrometry，IMS）技术是20世纪60年代末发展起来的一种痕量物质检测新技术，目前，IMS技术已成为快速检测有毒有害物的十大技术之首，它凭借体积小、灵敏度高、分析时间快及可在大气压力下工作等优点，在毒品和爆炸物检测等方面获得了快速发展和广泛应用。

进入20世纪90年代，许多国家政府加大了对IMS检测仪器的研究，出现了商品化的仪器，如，加拿大的Barringer、美国的Ion Track Instruments以及英国的Graseby Technology，它们生产的IMS产品已经在检测毒品、爆炸物方面得到了广泛的应用。国内目前开展研究的单位有公安部第三研究所、中科院大连化学物理研究所［1］等。

本文设计了一种基于NIOSⅡ软核处理器的离子迁移谱仪设计方案，在此基础上开发了硬件平台并实现了软件程序，通过丙酮试剂对离子迁移谱仪进行了验证。

1 IMS仪的系统构成

一个基本的IMS仪如图1所示，由进样系统、电离源、漂移管、微电流放大器、信号采集与处理及显示等部分组成。

被测气体从前端气路入口进入电离反应区，经过电离源放射生成产物离子，在离子栅门的开启和关闭控制下，离子在漂移管两端高压电源形成的电场的作用下向法拉第盘收集板迁移，收集板上生成电流信号经过放大器放大后便可以得到随时间变化的信号强度曲线，即离子迁移谱图［2］。不同的离子由于迁移速率差异，到达收集板时间也不同，这样就会在离子迁移谱图上不同的漂移时间处出现不同离子的离子信号峰。

图1 IMS仪系统架构Fig 1 Framework of IMS instrument system

2 IMS仪硬件平台设计

2．1 平台组成

已有的离子迁移谱仪硬件平台处理器一般采用ARM处理器芯片［3］或者直接使用PC/104嵌入式计算机［4］实现控制。随着嵌入式技术的发展，采用FPGA设计电路因其开发时间短、资金投入少，越来越成为设计的趋势。基于标准处理器的方案修改比较麻烦，而基于NIOSⅡ处理器的方案是基于HDL源码构建的，能够修改以满足新的系统需求，将处理器实现为HDL的IP核，开发者能够完全定制CPU和外设，获得恰好满足需求的处理器。

IMS仪硬件平台如图2所示，Avalon总线为内部总线，用于连接NIOS II软核处理器与外设，是处理器与外设信号的传输通道。Avalon总线提供了chipselect片选信号、byteenable地址对齐信号、read读信号、readdata数据信号、clk时钟信号等用于控制外设逻辑的接口信号［5］。NIOS II软核处理器选择NIOS II/f核，系统时钟为100MHz，功能和速度都可以满足系统要求;SDRAM选择16位宽度，64Mbit大小，为NIOS II软核的运行提供有力保障;EPCS选择64 Mbit配置芯片，不仅可以存储配置信息，还可以实现NIOS II软件程序存储;JTAG UART是实现PC与NIOS II系统的串行通信接口，用于系统调试;COM接口实现PC与离子迁移谱仪数据传输;PIO模块用来控制离子栅门开启与关闭、加热温度控制、A/D芯片采集控制时序等。

图2 IMS仪硬件平台系统Fig 2 Hardware platform system of IMS instrument

2．2 NIOS II软核处理器

NIOS II是Altera公司开发的32位嵌入在FPGA芯片中的RISC软核处理器，利用SOPC Builder工具自动生成嵌入式片上系统，具有高度的灵活性和可配置性。本系统采用CYCLONE IV系列EP4CE15F17C8芯片生成NIOS II软核处理器，该芯片具有15408个LEs，4个PLL，内嵌存储可达504×103，时钟频率为 100 MHz，外配 64 M SDRAM HY57V641620ET芯片，64 Mbit串行FLASH M25P64配置芯片，实现IMS仪硬件处理器平台。

2．3 离子栅门控制模块

离子栅门开启时间用PIO模块控制实现，通过IO输出周期性高低脉冲控制隔离光耦模块，光耦模块的开启关闭时间实现离子栅门金属丝之间强电场的存在时间。离子栅门的开关时间对仪器的分辨率和灵敏度有很大的影响，开启时间越长进入漂移区的离子数就越多，灵敏度提高，一定时间后离子峰幅度达到最大值，但离子峰变宽，仪器分辨率降低。通过仿真和实验，最后确定每20 ms开启离子栅门200 μs。

2．4 信号放大与采集

在漂移管的末端通常采用法拉第盘收集离子，当离子碰撞在上面时会通过电子的得失产生pA级别电流信号，放大电路将电流信号转换为0～10 V的电压输出。信号采集选用TI公司16位A/D转换芯片ADS8556，该芯片最高采样频率可达630 kHz，本系统采用该芯片内部时钟，16位数据并行输出模式，通过PIO模块实现芯片采集控制，控制时序如图3所示。每次A/D转换发生在CONVST-A信号上升沿，并且转换过程中要一直保持高电平;BUSY信号在转换过程中为高电平，转换结束后为低电平，用来判断是否转换结束;CS为片选信号，低电平时并行接口使能;RD为读数据使能信号，低电平时并行口读数据使能。本系统中得到一个谱图的时间是20 ms，在周期内采样1024个数据，处理后的数据可以通过串口上传PC。

图3 并行读数据模式时序图Fig 3 Timing diagram of parallel read data mode

3 IMS仪软件设计

IMS仪软件采用NIOS II IDE软件集成开发环境编写，新建一个NIOS II C/C++Application项目，加载之前设计的软核处理器相关设置，编译生成一个跟软核处理器配置相关的system．h头文件，system．h头文件中实现了硬件平台中各模块的定义，其中PIO模块定义了IO输入输出、基地址及位宽等。

IMS仪软件包括系统初始化、系统自检、温度控制、离子栅门控制、A/D芯片采集时序、数据处理及显示等模块。数据处理模块主要是去除IMS信号中的噪声，本系统采用小波分析降噪方法，小波分析的信号降噪方法基于多分辨率分析的尺度，降噪时能够兼顾时域和频域的特性，能够得到光滑性和相似性足够好、易于识别的IMS特征信号。IMS软件程序流程图如图4所示。

4 系统验证

为了对系统进行验证，采用丙酮化学试剂做实验，实验得到的丙酮离子迁移谱图如图5所示，验证了本系统软硬件可以正常工作，并可以得到较好的离子迁移谱图。

图4 IMS仪软件流程图Fig 4 Flow chart of IMS instrument software

5 结束语

本文介绍了基于NIOS II软核处理器的离子迁移谱仪系统，设计构建了NIOS II硬件实验平台，编写了软件程序，并通过化学试剂丙酮对系统进行了验证，实验结果表明:该系统可以较好地获取离子迁移谱，为分析物质提供了检测平台。

图5 丙酮离子迁移谱图Fig 5 IMS diagram of CH3COCH3

［1］ 邵士勇，阚瑞峰，侯可勇，等．离子迁移谱仪的研究进展［J］．现代科学仪器，2004（4）:9－12．

［2］ 郭成海，曹树亚．离子迁移谱［M］．2版．北京:国防工业出版社，2010:104－106．

［3］ 张飞军，江海河．离子迁移谱的检测仪系统设计［J］．传感器与微系统，2010，29（3）:71 －73．

［4］ 李金香，王兴军，武波涛．离子迁移谱嵌入式控制系统设计及实现［J］．舰船科学技术，2008，30（6）:255 －258．

［5］ 张 荣，黄海莹，李春枝，等．基于NIOS II软核处理器的嵌入式测试系统软硬件设计研究［J］．计算机测量与控制，2012，20（2）:303－306．