基于STM32F767的在线光离子化气相色谱仪设计

孙 里，王晓荣，赵玲宝，邵林莉，莫小凡，吴 棋

(南京工业大学电气工程与控制科学学院，江苏南京 211816)

0 引言

目前，气相色谱仪相对比较成熟，国内外也有很多的生产厂家。与国外产品相比，国内的光离子化气相色谱仪(GC-PID)存在着较多的同质性[1-2]。国外产品具有相对较好的性能，但价格昂贵。随着国家对环境监管的日趋严格，面向挥发性有机物(VOCs)在线监测的气相色谱仪需求量越来越大，而目前国内在线式的GC-PID产品较少，尤其是高性能的在线式GC-PID更少[3]。针对环保领域对极低浓度VOCs在线监测的需求，本课题基于嵌入式领域高性能芯片STM32F767拟对高性能在线式GC-PID的关键技术展开研究，包括光离子化检测器(PID)光源驱动、高精度温度控制、信号采集与人机交互等，以期形成一个完整的GC-PID系统。

1 系统结构

色谱仪开始工作后，吹扫气将管道中的其他成分气体排出，载气携带样气通入管道，所有气体通入管道前都会经过预处理设备，排出气体中的水蒸气、杂质等干扰实验结果的成分。气体进入色谱柱后，混合组分会进行分离，分别进入光离子化检测器，在检测器中离子化为微电流信号。经过放大器放大后的电信号经过滤波处理，由微控制器采集后传输给上位机，上位机会将数据以谱图的方式展现出来并对其进行定性和定量分析，色谱仪工作流程如图1所示。

图1 气相色谱仪工作流程

GC-PID的柱箱和检测器等对温度都有要求，所以本仪器提供了温度控制模块。气路方面采用EPC(electronic pressure control)对气流进行数字化控制，以获得最佳流速比，提高色谱仪自动化程度。上位机方面对比国内外色谱仪的人机交互界面，满足基本功能的同时致力于提升用户的使用体验，仪器的主要功能模块如图2所示。

图2 仪器功能

2 硬件设计

本GC-PID采用STM32F767微处理器作为主控芯片，这是一款搭载32位RISC内核Cortex-M7的高性能芯片，工作频率高达216 MHz，支持SPI、I2C、USART等通讯接口，拥有ADC、DAC等模拟功能，外设资源丰富满足设计要求。PID检测器的光源选用真空直流放电紫外灯，该灯能量合适，性能稳定。信号检测模块选用运算放大器AD549JH，该放大器特别适用于低输入电流和低输入偏置电压的场合。为了屏蔽机箱内部的信号干扰，测温模块选用铠装铂电阻Pt00，确保温度测量的准确性。上位机选用SK19GA工控一体机，且支持触摸。电源模块则根据各模块电路的不同需求而设计。GC-PID整体的硬件框架如图3所示。

图3 硬件框架

2.1 光源驱动电路设计

根据真空直流放电紫外灯的数据手册，该灯需要250 V的直流电压且电流不超过2 mA，设计了相应的外围驱动电路。光源驱动电路采用Royer架构电路，该电路是1个自激推挽式DC-AC升压变换电路，由阻尼电感，续流二极管，2个NPN三极管，2个基极电阻，1个谐振电容及有3个绕组的变压器构成。7 V的直流电压经过该电路后在图中的变压器次级按照特定的频率进行简谐振荡，再经过倍压整流电路输出紫外灯所需的工作电压，紫外灯两端的电压及流过的电流可根据与之串联的电阻的不同选型来调节，光源驱动电路如图4。

图4 光源驱动电路

2.2 信号检测电路设计

电离点位不高于光能量的化合物进入PID检测器后发生光电离，产生极微弱的离子流，PID离子室的本底电流约为10-14A，一旦待测物通入检测器，离子流会增大但也很微弱。该离子流经过放大器的高阻值、高精密电阻，转化成能被数据处理单元采集的电压信号，该电压信号与放大器的输入阻值成正比，且可以通过控制继电器U17、U18和U19的通断来选择放大的倍数。由于放大器的输入电流极其微弱，选用了具有极低输入偏置电流的单片电路静电计型运算放大器AD549JH，该型号的运算放大器最大的偏置电流为250 fA，满足设计要求，检测电路如图5所示。

图5 检测电路

为了消除检测电路中输入电阻的基流，采用如图6所示的基流补偿电路，该电路的输出范围为-7～7 V且大小可调。实际中，我们一般会在进样前调节可调电阻U20以提供一个反向补偿电压进行基流补偿，将信号的基线调节至0。

图6 基流补偿电路

2.3 恒温电路设计

考虑到随温度的升高，PID检测器的响应值下降且紫外灯的使用寿命会缩短以及色谱柱对温度的要求[4-5]，设计了如图7所示的温控电路。选用工业中常用的铂电阻测温方案，用查表法或内插法计算温度[6]。将铂电阻接入惠斯登电桥，且采用三线制接法，避免由于引入导线电阻使得测量精度变低的问题。温度的变化会使电桥产生mV级的压差，我们采用高精度仪表放大器AD620对该电压进行放大，有效抑制共模干扰且放大倍数可调。主控芯片通过输出PWM波控制光耦MOC3063的通断来控制后端加热棒的加热状态以达到控温的效果。

(a)测温电路

(b)加热电路图7 温控电路

3 软件设计

3.1 FreeRTOS线程划分

GC-PID下位机软件主要处理的任务有数据的采集、处理和传输，EPC气路控制，温度控制，与上位机通讯等。任务较多，功能复杂，需要合理规划各任务间的调度关系。为了提高软件的实时性能，降低任务间的耦合，软件移植了实时嵌入式操作系统FreeRTOS。该操作系统提供任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理等功能且内核同时支持优先级调度算法和轮换调度算法。FreeRTOS是1个可裁剪的小型RTOS系统，免费、可移植性高，能有效节约仪器开发成本。FreeRTOS用户会给每个任务线程分配1个优先级，任务调度器就可以根据此优先级来决定任务线程的调度顺序，线程设计如图8所示。

图8 下位机软件线程设计框架

3.2 人机交互界面设计

GC-PID上位机软件主要功能有将测得的色谱数据通过谱图的方式展现出来并对其进行定性和定量分析，对历史数据和告警数据进行保存，提供接口让使用人员设置温度控制和气路控制的参数等。上位机软件选用WPF(windows presentation foundation)进行开发，WPF是微软推出的基于Windows的用户界面框架，最大的优势在于图形界面和代码独立开发，用统一的XAML标签语言进行UI设计，简化图形界面开发，用C#完成后端代码实现，显著缩短开发周期，界面设计框架如图9所示。

图9 上位机界面设计框架

4 实验分析

色谱仪的检测指标包括灵敏度、基线噪声、基线漂移、重复性、检测限等。灵敏度(S)指变化为Δm的物质的量通过检测器时该物质的响应值变化率为ΔR，如式(1)所示：

S=ΔR/Δm=A/m

(1)

式中：A为色谱峰面积，μV·s；m为质量，g。

基线噪声(N)是系统由于各种因素引起的基线波动，且是最小检测限(MDL)的影响因子之一。最小检测限是指检测器产生2倍于基线噪声时，单位时间内进入检测器的组分的量，如式(2)所示：

MDL=2N/S=2Nm/A

(2)

式中：N为基线噪声,μV;MDL为最小检测限，g/s。

检测器的灵敏度越大越好，但在实际中，仪器噪声会随灵敏度的增大而增大，导致信噪比下降，而最小检测限能直接反映灵敏度和噪声的变化关系。综上所述，在实验中选用最小检测限作为本仪器的重要性能指标之一。

实验条件：(1)紫外灯电流为2.0 mA，电压为250 V；(2)柱温为60 ℃；(3)进样口流量为40 mL/min，柱流量为2 mL/min，检测器流量为20 mL/min。按照该实验条件，待仪器运行稳定，测得30 min GC-PID的基线噪声为50 μV，基线漂移为90 μV/30 min，基线噪声如图10所示。

图10 GC-PID基线噪声图

按照上述实验条件，基线稳定后，通入1 μL浓度为100 ppm(1 ppm=10-6)的苯/二氯甲烷，GC-PID的色谱图如图11所示，2.4 min左右出峰的是苯，重复实验6次，6次苯的平均峰面积为82 074.1 μV·s，相对标准偏差为0.012，最小检测限为5.9×10-12g/s。

图11 GC-PID色谱图

国内最新的气相色谱仪检验标准是JJG700-2016，但其中并没有涉及GC-PID的检验标准，参照GC-FID(火焰离子化气相色谱仪)的标准对GC-PID进行分析。对比结果如表1所示，最小检测限比GC-FID高一个数量级。由实验数据和比较结果可知，本GC-PID性能稳定，重复性好，最小检测限低。

表1 GC-PID与GC-FID性能比较

5 结束语

本课题研究的GC-PID是对嵌入式高性能芯片STM32F767的实际应用，并提供了GC-PID具体的硬件设计方案和上、下位机软件设计方案。通过实验测试该色谱仪的噪声、最小检测限、重复性等重要指标。实验表明，该GC-PID具有以下特点：

(1)满足环保领域对极低浓度VOCs在线监测的需求，在进样、温度流量控制、信号采集等方面自动化程度高；

(2)拥有实用、友好的人机交互界面,对采样数据进行实时分析并生成和保存分析报告；

(3)性能稳定，重复性好；

(4)精准的痕量分析，最小检测限精度可达1×10-12g/s。