基于ARM的原子吸收分光光度计元素灯箱子系统设计

金　烨,　魏立峰，　王庆辉,　古新雷，　李　月

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



基于ARM的原子吸收分光光度计元素灯箱子系统设计

金烨1,魏立峰1，王庆辉1,古新雷2，李月2

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

摘要:针对目前市场上的原子吸收分光光度计采用集中控制系统的设计方式，提出了以分布式系统代替传统的集中控制系统的设计方案.系统以ARM构架的嵌入式系统为控制核心，采用CAN总线为模块间的通信系统.以系统中关键模块单元元素灯箱子系统为设计对象，通过3个步进电机控制光路切换，利用D/A芯片进行光路电流控制，ARM内置12位A/D完成整个系统电路自检，电磁继电器控制高压的开断，最后通过CAN总线进行与PC机的数据通信,从而实现整个子系统的控制.目前整个子系统已调试完毕，测试结果表明:分布式系统的排线更少，控制更精准，具有很好的市场竞争力.

关键词：分光光度计；嵌入式系统；CAN；分布式系统

目前企业的原子吸收分光光度计使用的是集中控制系统[1-2]，但系统复杂,导线多,维护和器件成本较高.随着通信技术、计算机技术和控制技术的发展，推动着分析检测系统由孤立的分布式现场分析检测系统向着开放的嵌入式网络分析检测系统的方向发展.本课题所做的即为克服目前企业系统的缺点，建立一套完整的分布式系统.基于ARM的无机成分分析检测系统，是一个典型的嵌入式网络分析检测系统[3]，本文所实现的是该系统中的一个嵌入式网络节点——元素灯箱模块.

1原子吸收分光光度计介绍

1.1 原子吸收分光光度计工作原理

原子吸收分光光度计的工作过程比较复杂，其整个仪器的工作原理框图如图1所示.下面来进行简单阐述.

图1　原子吸收分光光度计工作原理框图

整个过程首先由空心阴极灯发出特征光，经聚光镜 L1 成像在原子化器中心，又经聚光镜 L2 聚焦在入射狭缝 S1上并进入单色仪.进入单色仪的复合光由球面反射镜 M 变成平行光照到光栅 G上，经光栅分光后，复合光变成不同波长、沿不同方向行进的单色平行光，又由球面反射镜 M 将各单色平行光聚焦成像于出射狭缝 S2 平面上，转动光栅可使不同波长的单色光依次穿过 S2，照射到光电倍增管 PM上,由光电倍增管转换成电信号.

当要进行背景校正时，将光速合成器 b.c移入光路，这样氘灯发出一束与空心阴极灯时间、相位不同的光，经光束合成器后,与空心阴极灯合并为同一光束.由光电倍增管转换成的电信号很微弱，还需经电子线路作进一步的放大处理而得到“能量”信号.

1.2元素灯箱在原子吸收分光光度计的功能和作用

在1.1中介绍了原子吸收分光光度计的工作原理，概括起来即是加热样本，当温度达到3 000 ℃时，样本会原子化.而不同的原子会吸收不同元素的光，从而导致光路的变化，最后转换成电压变化，从而被检测.

在检测不同的元素时，仪器需要使用不同的元素灯、不同的背景灯.而在使用同一个元素灯时，也需要改变该元素灯的电流大小来改变灯光的亮度.在整个原子吸收分光光度计中，元素灯是固定不动的，所以想要使用不同的元素灯光来检测样本，只能使用切换切光镜，半透半反镜以及滤光镜3个电机来改变光路.

元素灯箱在整个原子吸收分光光度计中的作用是调整整个仪器的光路部分，从切换不同的元素灯、滤除不需要的光波到灯光的亮度，都由元素灯箱控制.所以在整个仪器中，元素灯箱模块起着至关重要的作用.

2元素灯箱的硬件设计

根据元素灯箱在系统的功能和作用，将元素

灯箱的硬件设计主要分为以下几个部分：处理器部分、电源部分、CAN通讯接口部分、步进电机部分、DA部分、钨灯控制部分、氘灯控制部分、元素灯控制部分、信号驱动部分、信号检测部分、光电检测部分、调试接口部分.元素灯箱硬件设计框图如图2所示.

图2　元素灯箱硬件设计框图

从元素灯箱硬件设计框图中可以看出：所用的主芯片是STM32F407VGT6[4]，控制了3个电机来切换光路.在设计中，由于分布式系统模块较多，需要同步，所以，模块加入了时序来同步不同的模块.在控制灯电流时，外接了D/A转换芯片，通过控制D/A的输出达到控制元素灯电流的目的.系统通信采用了CAN总线进行通信，由于STM32F407系列自带了CAN总线控制器，所以，在硬件外围加入CAN驱动电路即可使用CAN通信.

3元素灯箱的通信设计

3.1元素灯箱通信网络设计

元素灯箱通信网络总体结构如图3所示.

图3　系统网络总体结构

仪器的设计是基于分布式测量控制的思想，按照仪器各模块功能和物理位置将功能分散到主控及5个从模块，所以，使用CAN通信是个很好的选择.整体系统的功能由这6个从模块协同完成，这些从模块均挂接在CAN通信总线上，通过USB-CAN板卡作为桥梁与主控通信，通过CAN控制网络连接起来构成一个分布式处理仪器系统.

主控通过USB-CAN板卡作为桥梁与从模块进行通信.各个从模块之间也需要通信，由于某些命令需要某两个模块同步协调完成，除了CAN信号线外，还需要在某些从模块之间添加几根同步信号线，用来进行时间同步指示和数据的传送.

3.2元素灯箱通信报文设计

由于整个系统比较庞大，通信比较复杂，所

以，设计一个通信协议报文是非常必要的.在设计CAN协议报文的时候，首先考虑的便是地址，不同模块设定了不同地址，所以，报文中加入了源节点地址与目的节点地址.

在系统中，还有各种不同的命令由主控向各个模块发送，所以，加入了功能码来定义主控发出的不同指令.

最后发送的便是数据，数据也分不同种类的数据，例如响应、应答、真正的采集数据，所以，加入了数据类型，整个报文协议格式如表1所示.

表1　报文协议格式

其中SrcID为发送数据帧设备的ID编号，DestID为接收数据帧设备的ID编号(注：SrcID地址不能是广播地址0xF).

FuncID(功能码)使用了8位，具体定义了系统中数据和命令交换或传递的种类.

Type与subType定义了当前上传数据的类型，是快速响应、应答又或者是采集的数据.

4元素灯箱的下位机软件设计

元素灯箱的下位机使用Keil开发软件进行软件开发，利用C语言进行元素灯箱模块的程序编写.在编写程序前，考虑到整个程序非常庞大，要做的工作非常多，需要一个实时可抢占的内核，任务进程必须具有优先级，并且容易切换.最后，为元素灯箱模块选择了uC/OS-Ⅱ实时操作系统[5]来进行项目开发.

在元素灯箱的软件开发过程中，最后通过元素灯箱各个动作的功能特点，将整个元素灯箱的软件分为10个uC/OS-Ⅱ任务来实现，其任务流程图如图4所示.

从任务流程图中可以看出：本模块的软件设计分成了10个任务.每个任务就是一个线程，每个任务中间延时10 ms，当一个任务进入10 ms休眠时，就绪的任务就开始执行，这样就完成了整个系统功能的调度.

图4　系统任务流程

5元素灯箱的主控软件设计

PC机主控软件使用Labview[6]进行开发.Labview拥有全面的系统设计环境、独特的图形化编程语言、内置软件功能和硬件接口工程库，同时具有数据分析、可视化和共享功能.它支持CAN通信，并且支持动态链接库的调用.

根据Labview的特点，在设计的时候，一方面利用图形化语言设计界面，另一方面数据处理和算法通过VC++编写动态链接库，这样将两者完美地结合起来，充分发挥Labview的优势.

元素灯箱的主控流程如图5所示，软件界面如图6所示.

图5　主控流程

图6　软件界面

从图6中可以看出：整个主控界面包括了元素灯的选择、元素的介绍、能量值的采集.在界面下方有各个灯的元素、状态、电流、波长、背景方式等信息，当按下调整按钮时，进行光路调整.

6测试结果

在图6的主控界面中，输入汞灯预热，砷灯打开.砷灯的工作电流为24 mA，波长为193.7 nm，光谱带宽为0.5 nm，并且打开的氘灯作为仪器检测的背景灯光.在光路调整以后，可以在下位机看到切光镜切换到了5号位，即砷灯所在的灯位.半透半反镜是用于把氘灯的灯光加入到主光路中，这里打开了氘灯，所以，半透半反镜也跟着切换.而目前没有用到特定的光，不需要切换滤色片，所以，滤色片在复位位置没有动作.

通过万用表检查元素灯的电流以及观察主光路中的光，可以明显看出：砷灯的灯光通过切光镜的反射已进入主光路，氘灯的灯光通过半透半反镜反射也进入主光路，万用表测量的元素灯电流为24 mA，与主控界面相符.

7结论

系统通过把原子吸收分光光度计的集中控制系统拆分成嵌入式分布式系统，使整个系统排线更少，组装更方便，控制更精准，价格更便宜.系统已经完成了实际测试.测试结果证明：在实际应用中，拆分成嵌入式分布式系统之后，增强了企业原子吸收分光光度计的竞争力，提高了仪器的性能，降低了仪器的成本.由于加入了自检系统，极大便利了整个系统的维护，加大了产品的市场竞争力.

参考文献：

[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):3-8.

[2]丁新宇，李洪山.原子吸收分光光度计的发展与维护[J].生命科学仪器,2009,7(5):58-60.

[3]刘立月,王更生,魏永丰.分布式系统时钟同步设计与实现[J].计算机工程,2006,32(2):279-281.

[4]南亦民.基于STM32标准外设库STM32F103xxx外围器件编程[J].长沙航空职业技术学院学报,2010,10(4):41-45.

[5]王晓鸣,王树新,张宏伟.实时操作系统uC/OS-Ⅱ在ARM上的移植[J].机电一体化,2007(1):56-58.

[6]龚进峰,李艳文,张宏伟,等.基于LabVIEW的CAN总线数字式仪表检测系统的开发[J].汽车工程,2010,32(5):443-446.

Atomic Absorption Spectrophotometer Element Lightbox Design Based on ARM

JIN Ye1，WEI Li-feng1，WANG Qing-hui1，GU Xin-lei2，LI Yue2

(1.Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China;2.Shenyang Huaguang Precision Instrument Co.,LTD, Shenyang 110036, China)

Abstract:Now the atomic absorption spectrophotometer is designed by centralized control system.So we hope to use distributed systems to replace centralized control system.The system uses STM32 as a main MCU.STM32 is based on ARM architecture.This system uses three stepper motors,one D/A digital chip,its won A/D and electromagnetic relay to control light path.Then the system communicates with PC by can bus.The new system has finished testing.The result shows that distributed systems will use less cable,control more accurately and have a good market competitiveness.

Key words:spectrophotometer;embedded system;CAN;distributed systems

中图分类号：TP873

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.2095-2198.2016.01.015

文章编号：2095-2198(2016)01-0076-05

作者简介：金烨(1989-)，男，浙江绍兴人，硕士研究生在读，国家奖学金获得者，主要从事智能测控技术与装置、无线传感器网络的研究.通讯联系人：魏立峰(1962-)，男，辽宁沈阳人，教授，博士，主要从事智能测控技术与装置、无线传感器网络的研究.

收稿日期：2014-01-03