单色仪能量检测系统的设计

魏立峰, 卜德权, 王庆辉, 李 月, 赵幼南

(1.沈阳化工大学 信息工程学院， 辽宁 沈阳 110142； 2.沈阳华光精密仪器有限公司， 辽宁 沈阳 110036)

原子吸收分光光度计又称原子吸收光谱仪，是20世纪50年代中期出现并逐渐发展起来的一种新型分析仪器，是集光学、机械学、电子学和计算机为一体、技术密集的高科技产品[1].目前，LAB600系列原子吸收分光光度计的电气系统采用集中式控制，即通过工控机及I/O板卡、A/D、D/A板卡及驱动板、数据线分配板等方式作为主控系统各构成单元，存在很多弊端.主要是所有控制任务及算法都集中在工控机上，对于几十路的步进电机控制、数据输入输出操作和大量数据处理，使控制任务过于集中，而且相对复杂，主机承担负荷重，对检测系统的实时性和稳定性带来较大影响，同时检测系统的成本过高，不利于批量生产制造.

新型LAB600系列原子吸收分光光度计的电气系统采用分布式控制，模块化设计思想，通过CAN总线实现各个模块之间的通信，极大地提高了系统的工作效率.在结构上，新型仪器主要由6个子模块组成：元素灯箱模块、自动进样器模块、气控模块、原子化器模块、单色仪模块和主控模块.其中：单色仪模块[2]的主要作用是工作波长的选择、光能检测、光能处理；主控模块的作用主要是工作流程的控制及对各个模块反馈的信息进行实时处理.

原子吸收分光光度计的性能指标具有高精度、高灵敏度、实时性强等特点[3]，因而对单色仪模块的能量检测与处理提出了更高的设计要求.本文根据原子吸收分光光度计的检测要求，分别从单色仪模块能量采集的硬件和软件两个方面着手设计，实现能量信号的高质量测量.

1 能量检测系统的构成

单色仪能量检测系统由硬件和软件两方面构成，系统结构如图1所示.硬件分别有光能检测部分：使用光电倍增管作为光能检测的传感器，实现微弱光信号到电信号的转换；模拟电路部分：选取运算放大器OP07、运算放大器LM324、模拟开关DG211，实现信号的放大、反转、解调；信号转换部分：选用16位精度AD转换器ADS1158，实现高精度转换；控制器部分：选用意法半导体公司的Cortex-M4内核微控制器STM32F407，实现能量信号高速读取与存储.在软件方面，对能量点多次采集，采用防脉冲干扰平均值滤波方法，实现光能信号准确、快速地读取.

图1 能量检测系统结构

2 能量检测系统的硬件设计

2.1 光能检测部分

光能检测部分采用光电倍增管作为光能检测传感器[4].光电倍增建立在光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上，结合了高增益、低噪声、高频率响应和大信号接收区等特征，是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光电真空器件.

光电倍增管的原理是光阴极在光子作用下发射电子，这些电子被外电场(或磁场)加速，聚焦于第1次极.这些冲击次极的电子能使次极释放更多的电子，它们再被聚焦在第2次极.这样，一般经10次以上倍增,放大倍数可达108～1 010.最后，在高电位的阳极收集到放大的光电流.光电倍增管的外围电路如图2所示.

图2 光电倍增管外围电路

在光电倍增管工作过程中，为了使电子加速，需要使每个倍增极之间形成电场，这就需要提供外部高压输入，外部高压输入由可调节高压输出模块(0～1 000 V)提供，电子经过多次倍增，最后在阳极输出放大电流.

2.2 模拟电路部分

在第一级信号放大电路中，选用低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器OP07[5]作为核心器件.在放大器的输入端，首先把光电倍增管输出的弱电流信号转换成弱电压信号，然后经过放大器放大输出，得到比较稳定、易于传输的大电压信号，第一级信号放大电路如图3所示.

根据运放电路的虚短、虚断原理，电路的理论输入Iin、放大输出Uout关系式为：

(1)

图3 第一级信号放大电路

在后续的模拟电路部分，首先使用带有差动输入的放大器LM324对信号第二次放大，把信号放大到设定数量级，有利于信号的采集；因为倍增管输出的是负信号，需要使用LM324组成反相器对信号反相处理；在元素灯正常工作时，即元素灯发光时，此时的能量信号才为有效信号，所以选取模拟开关DG211，通过周期性的Y1A解调时序信号选通模拟开关，得到有效信号，并且通过Y4时序信号对当前工作周期中的有效信号进行调零，为下一个周期的信号采集做准备;最后，通过RC电路，对能量信号滤波，得到低噪声的信号，能量信号的输出部分，使用LM324组成的电压跟随器，提高AD转换器件的输入阻抗.为防止信号过大，损毁后续电路，采用稳压二极管对电路进行保护，模拟信号处理电路如图4所示.

图4 模拟信号处理电路

根据运放电路的虚短、虚断原理，输入信号Uin与输出信号Uout之间的放大关系式为：

(2)

2.3 信号转化部分

在信号转换电路设计中，为提高转换精度，采用16位高精度的AD转换器ADS1158[6].ADS1158是TI公司生产的多通道、高精度、高速(1.8～23.7 KSPS)的模数转换芯片，具有SPI通信接口.从硬件上保证了信号的转换速率与精度，ADS1158的外围电路如图5所示.

图5 ADS1158外围电路

2.4 控制器部分

为提高系统的数据处理能力，选取具有Cortex-M4内核的STM32F407[6]作为核心控制器.其工作频率高达168 MHz，提高了系统的数据速度；集成了浮点单元，有利于浮点类型数据的运算；同时具有硬件SPI接口，为转换芯片ADS1158数据的读取提供了硬件接口.

3 能量检测系统的软件设计

为提高系统数据采集的实时性，程序是在UC/OSⅡ实时操作系统的基础之上设计的.UC/OSⅡ[7]是一个可以基于ROM运行的、可裁剪的、抢占式、实时多任务内核，具有高度可移植性，结构简洁精练，可读性强，执行效率高，占用空间小，可扩展性强，同时又具备实时操作系统的全部功能.

能量采集由一个独立的任务完成，这个任务与其他任务相比具有最高优先级，提高了能量采集的响应速率.在能量采集任务中，首先选择能量采集通道，然后通过SPI口连续采集相应数目的能量值并存储，再对所有能量值进行由大到小排序，去除一定数量的最大值与最小值，最后求和并求取平均值，完成某一刻的能量值采集，能量采集流程如图6所示.

图6 能量采集流程

4 测试结果分析

在解调信号作用下，模拟开关DG211解调出与实际信号相符合的能量信号，解调信号与解调后能量信号的关系如图7所示，其中上位波形为解调信号,下位波形为解调后的能量信号.通过RC电路的滤波与电容的续容作用，RC滤波后的直流信号如图8所示，图中的信号为滤波后的直流电压信号.

图7 解调信号与解调后能量信号的关系

图8 RC滤波后的直流信号

为了更准确反应能量值的波动情况，通过吸光度反应能量值的波动趋势.吸光度与能量值的关系式为：

A=-log10E

(3)

国家对吸光度的检测标准是吸光度的最大值与最小值之差的波动范围在0.005内.实际测得吸光度曲线如图9所示，由图9分析可知，吸光度的波动范围在0.001～0.002,符合国家检测标准.

图9 吸光度曲线

5 结 论

从能量采集的硬件电路和软件两个方面对单色仪能量检测系统进行设计.在硬件电路方面，通过信号的多级放大、反相、解调、滤波，实现了能量的低噪声输出；在软件方面，通过多次读取、滤波，实现了能量值的准确读取.为整个测量系统高精度测量提供了保证.

[1] 李昌厚.原子吸收分光光度计仪器及其应用的最新进展[J].生命科学仪器,2006,4(4):3-4.

[2] 何华焜,邓勃,何嘉耀.原子吸收光谱仪器与技术的发展与展望[J].现代科学仪器,2006(5):20-27.

[3] 王哲,王宇杰,张洪利.影响火焰原子吸收分光光度计灵敏度的主要因素[J].仪器仪表与分析监测,2006(2):42-43.

[4] 江月松,阎平,刘振玉.光电技术与实验[M].北京:北京理工大学出版社,2000:70-88.

[5] 段立颖,王荣,徐伟,等.LM118J-8和OP07运算放大器电路抗γ辐射实时模拟研究[J].核技术,2007,30(1):34-36.

[6] 韩霜.STM32 F4系列凭借高性能征战高端微控制器市场[J].世界电子元器件,2011(10):58-59.

[7] 曹祥根.基于ARM的UC/OS-Ⅱ应用研究[D].成都：四川大学,2005:45-50.