气相色谱分析仪气路流量监测控制电路设计

陈 冲，张银建

(重庆川仪自动化股份有限公司，重庆 401121)

0 引言

气相色谱仪被广泛应用于食品检验、石油化工、医药卫生、农业、环境保护以及科研院校等领域。气相色谱法的特点是分离效率高、选择性高、灵敏度高、操作简便、取样量少、分析速度快[1]。气相色谱仪种类繁多。其主要由气路系统、进样系统、分离系统、检测系统、数据处理系统五大部分组成[2]。本文设计了气相色谱仪电路流量监测控制电路方案，能够对气相色谱分析仪气路中±200 mL/min范围内的流量进行流量监测和大小控制，为自动进样管理(electric pneumatic control,EPC)系统提供了硬件实现方案。该方案由电源系统、单片机系统、气体流量监测电路、气体进气控制电路、通信接口电路五大部分组成。本文主要论述气体流量监测、气体流量进样控制以及单片机系统部分。

1 整体方案设计

气路流量监测控制电路方案主要由AC-DC电源、PIC32MX6单片机控制系统、WBIM200传感器电路、微型气动电磁阀、微型气动比例阀控制电路、通信接口电路六部分组成。整体系统框图如图1所示。

图1 整体系统框图

PIC32MX单片机是Microchip公司生产的一款高性能32位单片机，接口外设丰富，除了具有I2C、SPI、USART、ADC等常用外设接口，还具有USB、CA、以太网以及图形接口，最高主频可达80 MHz。该单片机性能优越，已应用于各行各业之中，是一款成熟的单片机产品。WBIM200是德国First-sensor生产的一款高精度气体流量传感器，2.7～5.5 V供电，具有I2C通信接口，方便单片机进行数据通信而无需额外器件电路。微型气动阀和微型比例阀都是由美国Paper公司专为医疗设备和系统制造商所设计的微型电磁阀，由轻型聚对苯二甲酸四次甲基酯(poly butylene terephalate,PBT)塑料制成，提供灵活的安装选件和终端选件。本文将对以上部分作详细方案论证设计。

2 方案实现

2.1 WBIM200气体流量传感器电路

因为WBIM200气体流量传感器电路由传感器是数字I2C通信接口，所以电路相对简单。WBIM200气体流量传感器电路如图2所示。

图2 WBIM200气体流量传感器电路

因为单片机为3.3 V供电，为保证通信电平一致，WBIM200气体流量传感器也采用3.3 V供电。I2C通信引脚SDA、SCL通过10 kΩ电阻上拉至3.3 V高电平，保证信号稳定[3]。

气体流量受温度压力的影响很大,而且不同气体的补偿系数也不同，必须进行正确的温度补偿以及气体系数校准，才能获得正确的气体流量检测数据[4]。WBIM200气体流量传感器量程为±200 mL/min，在0～50 ℃范围内进行温度补偿。针对不同的气体，给出了不同的校准系数，经过补偿以及系数校准后传感器测量精度为±2%+0.25%FSO。

2.2 微型气动阀控制电路

在气相色谱分析仪中，气路的开关控制、开关比例调节等能够达到对气路气体流量的精准控制。微型气动阀只有开和关两种状态，控制气路的通断[5]。本方案选用美国Parker公司的V2微型气动电磁阀(以下简称V2阀)。V2阀是经过验证的产品，具有可靠且一致的性能，使用性能高达2 500万次。V2阀专为医疗设备和系统制造商所设计，由轻型PBT塑料制成，并提供灵活的安装选件和终端选件。因此，V2微型气动电磁阀具有气动和电设计灵活性特点。

为了使V2阀关闭与打开、保证气路的开关稳定、漏气率低，选用2 W的V2阀。同时，采用12 V电源供电，减小供电电流。在电路设计中，选用一颗三极管和一个P沟道金属氧化物半导体(positive channel metal oxide semiconductor,PMOS)管组成12 V电源的开关电路，通过控制12 V电源通断来实现V2阀的开关控制。V2阀控制电路如图3所示。

图3 V2阀控制电路

2.3 微型比例阀控制电路

气相色谱分析仪气路流量一般属于低流量通量。气体流量传感器测量流量最大为200 mL/min。比例阀的开关程度灵活可调，能够精准控制气路中气体流量大小[6]。本方案选用Parker公司的VSO低流量比例阀。该微型比例阀具有热补偿功能。其热补偿设计可精确控制低流量在1～500 mL/m之间。VSO微型比例阀能够在各种温度和各种类型的介质下实现精确控制，开关循环可达1亿次，是医疗设备和分析设备制造商的理想之选，同样满足气路流量控制需求。

与微型气动阀开关两个状态不同，如要控制微型比例阀实现气路开关程度可以调节，比例控制电路同气动阀的开关控制相比，稍显复杂。电压基准和DAC电路如图4所示。

图4 电压基准和DAC电路

微型比例阀控制电路如图5所示。

图5 微型比例阀控制电路

该电路采用DC 12 V供电，采用电流驱动方式，在R22上端输入0～5 V DC电压，实现对VSO阀门的配置控制。因为单片机为3.3 V供电且无DAC输出，所以需要外接DAC芯片电路来实现0～5 V DC可调电压输出。外置的DAC具有精度高、输出电压范围增益可单独设置、不受单片机本身供电电源限制等优点[7]，选用ADI公司的AD5684R芯片。该DAC芯片具有4路电压输出，可同时输出4路0～5 V DC。结合比例阀电流驱动控制电路，单个DAC就可以实现4路微型气体比例阀的精准控制。当气相色谱分析仪气路中需要多路微型气动比例阀进行控制时，通过适当增加部分控制电路，就可实现多路控制效果。单片机通过SPI接口、I/O口对DAC的四路输出电压进行控制。选用ADR4525R为DAC提供外部2.5 V基准电压。

2.4 PIC32MX6单片机最小系统电路

PIC32MX6单片机是一款具有图形接口、USB、CAN和以太网接口的32位单片机。其内核频率最高可以达到80 MHz，内部集成上电复位和欠压复位，在睡眠和空闲模式下，其功耗只有0.5 mA/MHz动态电流(典型值)。该单片机图形接口最多具有34个并行主端口，可直接连接到外部图形控制器，也可通过DMA和内部或外部存储器直接驱动LCD，方便显示接口设计与控制。该单片机具有6个UART模块(20 Mbit/s)、最多4路4线SPI模块以及最多5个支持SMBus的I2C模块[8]，外设接口丰富。方案中：单片机对WBIM200气体流量传感器采用I2C接口与之通信，用SPI接口与外置DAC进行通信，并以I/O控制实现V2阀的气路通断。对外的数据传输根据实际需要，可以选择UART、USB、I2C、以太网等接口进行设计。

PIC32MX6单片机最小系统电路主要由供电电源、复位电路、外部时钟以及程序下载接口组成。

PIC32MX6供电电源需要在电源引脚放置去耦电容，通常建议为0.1 μF(10～20 V)低等微串联电阻(equivalent series resistamce,ESR)陶瓷电容，使用大电容提高电源稳定性建议典型范围为4.7～47 μF，并尽可能靠近单片机放置。为使单片机性能最大化，从电源电路开始布置电路板的走线时，首先布置电源线并把线返回到去耦电容，然后再走线到器件引脚。这样可确保去耦电容在电源链中处于第一位置。保持电容和电源引脚之间的走线长度尽可能短，因为这样可以减少印制电路板(printed circuit board,PCB)走线间的互感。

复位电路由电阻和电容组成，外部时钟选用8 M晶振作为外部高频主振荡器。单片机通过内部PLL设置，可将主频倍频至80 MHz。程序下载接口选用MPLAB ICD3下载器，通过单片机PGECx/PGEDx 引脚以及电源引脚组成接口电路，无需额外器件[8]。

2.5 通信接口电路

单片机具有USB、CAN、UART、以太网、图形接口等外部通信接口，可以根据需要选择合适的外部接口，将传感器采集的数据以及气体电磁阀控制数据输出到外部的显示设备。各个通信接口都有自己的优缺点，外设电路方案都比较成熟。对此，本文不作过多论述，根据实际需要进行设计即可。

3 结论

本文主要论述了一个基于PIC32MX6单片机对WBIM200高精度气体流量传感器、微型气体开关电磁阀、微型气体比例阀进行气路流量监测与控制的硬件电路设计实现方案。通过对气体流量的监测[9]、控制与调整，达到了对气路中气体流量的精准控制，以及对数据的采集以及控制。单片机可通过USB、UART、以太网通信等方式传输至上位机进行直观显示，为气相色谱仪EPC系统[10]提供了一种硬件电路解决方案。