飞行时间质谱仪测控网络及分析器高压程控电源的设计

付 玉，贺飞耀，李 宏，张超凡，翟培建，罗 英，赵忠俊,段忆翔

(1.四川大学机械工程学院，四川成都 610065；2.四川大学生命科学学院，四川成都 610065；3.成都艾立本科技有限公司，四川成都 611930；4.四川大学化学工程学院，四川成都 610065)

0 引言

飞行时间质谱仪(time-of-flight mass spectrometer，TOF-MS)因其具有分析速度快、分析精度高等特性而成为一种重要的物质定性定量分析仪器，被广泛应用于环境污染物、违禁药品、爆炸物的检测[1]。TOF-MS对工业过程、环境空气和汽车尾气中的挥发性有机化合物中组分的识别具有良好的选择性和超低浓度的检测灵敏度,因而得到了很好的发展[2-3]。随着模块化、小型化质谱技术的发展，人们渴求一种智能化的控制方式，能实现仪器系统各模块间的通信与控制。

姜若邻[4]研制的TOF-SIMS离子束偏转电源及真空测控系统利用GM8125串口扩展芯片实现多部真空规及分子泵的控制，将多个外围设备挂载在同一控制板上，接线复杂，不利于仪器的后期维护；利用旋钮电位器手动调节电源的输出，不利于实现仪器自动化控制。李明等[5]研究了CAN总线在四极质谱仪中的应用，表明了CAN总线对质谱仪器发展的重要意义。王继增等[6]利用RS485总线实现高压直流电源远程控制；秦怡等[7]研制的基于LabVIEW的程控直流高压电源设计中计算机通过蓝牙传输数据控制电源的输出。王继增、秦怡等的研究均能实现电源的自动化控制，但是通信方式的抗干扰能力、实时性和可扩展性还有待提高。

本研究利用结构简洁、性能可靠以及节点扩展灵活的CAN总线将各控制模块连接成控制网络，形成分布式控制系统。CAN总线的运用使得仪器模块化成为可能，能进一步降低同类型仪器的设计工作量，共享通用部件，以便仪器的组装、调试、后期维护及功能扩展。在电源控制系统中，利用智能化的控制方式，实现仪器各节点的集中统一控制；利用分段线性差值对分析器高压直流电源输出数据进行修正，实现了高压直流电源0.1 V的调节。目前，总控制网络及电源控制系统已经成功稳定地运用于自行研制的TOF-MS。

1 总体测控系统设计

系统的整体结构如图1所示，主要由主控制板、分析器高压直流电源控制板、离子源中低压电源控制板、脉冲电源控制板、射频电源控制板组成，各控制板作为CAN总线的节点被接入通信网络中，可以达到弹性增加及调整系统功能的目的。上位机软件通过以太网将控制指令发送至主控制板微处理器，微处理器对指令进行解析，实现对真空规检测值的读取、对分子泵参数的监测与控制，并将上位机传送的指令在CAN总线中进行广播，实现对各电源控制系统的控制及数据传输。整个系统由24 V线性电源供电。本文的主要研究内容为主控制系统以及分析器高压直流电源控制系统的设计与测试。

2 控制板硬件电路设计

2.1 主控制板电路设计

主控制板微处理器选用STM32F407作为主控芯片，主频为168 MHz，拥有丰富的外设资源，能够完成高压参数的采集与处理、参数控制、逻辑控制、网络通信等功能。主控制板的硬件电路设计框图如图2所示。

STM32F407自带CAN控制器，支持CAN 2.0A/B标准，最高通讯速率为1 Mbps，满足各节点通信速度要求。CAN总线收发器选择TJA1050芯片，与CAN控制器组成闭环通信网络。采用双通道数字隔离器件ADUM1201，配合隔离电源实现CAN接口的隔离。与传统的单通道光电隔离相比，基于磁隔离技术的ADUM1201在同一芯片内部提供正向和反向两通道，简化了硬件结构，具有更好的性能。

TOF-MS在工作中有数据交互的需求，上位机向下位机传达控制命令,下位机采样的数据实时传回上位机，数据传输速率要求高，数据量大。以太网具有硬件成本低、开发周期短、传输速度快、不易掉线等优点，因此被广泛应用于质谱仪测控系统中[8]。在本设计中采用W5500嵌入式以太网控制器实现下位机与上位机的通信，数据通过网络电缆传输以保证其稳定性。W5500内部使用逻辑门电路集成全硬件TCP/IP协议栈、MAC层、PHY层，与传统采用软件编程的以太网接入设备相比，直接使用硬件协议实现数据流的处理工作，使主控制芯片只需承担应用层控制信息的处理任务，让单片机接入以太网的设计更为简捷和高效。

质谱仪的质量分析器及检测器工作时处于高真空状态。低真空度可能导致内部高压部件放电，引起额外的分子-离子反应，使质谱图复杂化，损坏检测器[9]。质谱仪的高真空状态由分子泵和真空规共同保证。真空规选择皮拉尼冷阴极复合规PKR251(德国Pfeiffer)，测量范围涵盖整个高真空到超高真空，输出模拟信号0～10 V，利用模数转换芯片AD7324将模拟信号转换为数字信号，通过SPI总线将信息传送给微处理器；采用300 L/S分子泵(德国Pfeiffer)及0.7 m3/h前级机械泵抽取真空，该分子泵通过电子驱动模块来控制其开、关机以及转速，控制命令的传送由RS232总线实现。微处理器经电平转换芯片MAX3232将TTL电平转换为RS232电平，与分子泵驱动模块进行通讯。

2.2 分析器高压直流电源控制系统设计

传统的飞行时间质谱仪供电系统通常由多个线性电源组成一个电源柜，通过电位器或拨档开关调整电压。线性电源具有技术路线成熟、纹波小、无高频噪声等优点，但是其体积大，不便于移动；基于人工调节的方式，调节速度慢，调节精度低，不利于质谱技术的集成化与商业化发展。随着电源技术的发展，现有的模块化小型开关电源，其技术指标已经可以满足飞行时间质谱仪的需求[10]。因此选择整合度高、精度高的开关电源代替体积大、成本高的线性电源。

TOF-MS的直流供电系统由离子源电压控制系统和分析器高压控制系统组成。分析器的电压包括：反射电压UReflect(0～+500 V)，加速电压UAcceleration(-1 500～0 V)，栅网电压UGrid(-500～0 V)，微通道板电压UMCP(-2 500～0 V)。利用SIMION软件模拟电源稳定度与TOF-MS极限分辨率之间的关系，为仪器的电源系统精度指标设计提供理论基础[11]，根据模拟结果，分析器直流高压电源的稳定度与仪器的极限分辨率满足式(1)：

(1)

式中：U为电压值；ΔU为电源微小变化；R为仪器极限分辨率。

仪器的分辨率受各种因素的限制[12]，显然电源精度越高，仪器的极限分辨率也越高。设计中选用纹波精度为十万分之一的高精度开关电源模块为分析器工作提供稳定电场。该模块的插针式、小体积结构利于集成在电路板上，性能方面满足飞行时间质谱仪设计需求，能够使用软件控制输出电压自动升降，自动优化质谱仪电压参数。

电源控制系统硬件电路结构框图如图3所示。选择16位四通道数模转换芯片AD5754R控制高压电源的输出，减少器件数量以提高整体可靠性。AD5754R选择0～10 V输出档，控制高压电源模块输出零到满量程范围，对于最高电压2 500 V的输出，其分辨率约为0.038 V，而实际输出设置电压的步进值为0.1 V，完全满足设计要求。为了让仪器使用者实时了解质谱仪运行时高压直流电源的输出状态，增加了电压反馈测量功能。利用采样电阻分压的方式将高压输出值降为0～10 V，通过四通道模数转换芯片ADS8694和用于实现阻抗匹配的电压跟随器组成的反馈网络实现电压采样。

3 系统软件设计

软件设计主要包括主控制板的软件设计和各节点的软件设计。主控制板接收到上位机发送的控制命令后，经CAN总线向各节点广播。各节点给出应答并执行相应操作，上传测量数据。整个系统将CAN总线各节点的功能设计成任务，根据任务的优先级进行调用。

3.1 主控制板软件设计

主控制板作为转播中心，除了要实现与上位机的通信，向各节点发送或接收来自各节点的信息外，还要监控真空环境的参数。真空规输出0～10 V电压信号，电压值与真空值之间满足一定的关系式，读取电压信号后利用转换公式计算出真空值，显示在上位机界面。分子泵的控制由一系列命令组成，包括分子泵启停、状态、转速、串口控制等，通信协议为主从模式，数据格式如下：主机向从机发送MESSAGE+CRC；从机回答主机ANSWER+CRC，其中CRC是十六进制的2个ASCII码，代表终止符。

CAN节点实现通信包括以下流程：初始化CAN通信目标引脚及对应端口时钟，使能CAN外设时钟，配置CAN外设工作模式、波特率等；在库函数中调用发送或接收信息的相关函数；调用确认是否发送或接收成功的相关函数。CAN总线工作时按任务优先级依次执行各任务，采用中断的方式执行指令。

微处理器STM32F407与W5500之间采用SPI串行通信的方式，在通信中需要通过SPI接口配置W5500各寄存器的值，包括IP地址寄存器、MAC地址寄存器、子网掩码寄存器等。在本系统中，下位机工作在服务器模式，通过TCP/IP与工作在客户端模式的上位机通信。TCP具备一种确保传输准确的机制，即三向握手机制：接收方收到数据后，向发送方发送确认消息，发送方收到确认消息后才发送数据[13]。这种机制使通信具有很强的可靠性。

3.2 电源控制系统软件结构

在分析器高压电源接入CAN总线网络之前，利用网络调试助手控制各通道高压电源的输出。在各高压电源模块的零至满量程输出范围内均匀选取100个点，利用高压探头加Agilent五位半高精度数字电压表的组合测量这100个点的电压。以500 V电源模块为例，每隔5 V测量一个点的数据，发现在相同的二进制编码下理论电压输出值和实际测量值之间随着编码值的增大，误差值也越来越大，结果如图4所示。

将这100个点的数据，包括DAC编码、单片机ADC采样编码、高压电源模块输出值作为标定数据，采用Access构建数据库系统，用于保存各通道的标定数据 。将分析器高压直流电源控制节点接入CAN总线，与主控制板、上位机组成整体网络后，在上位机控制软件中导入标定数据，设置电压时通过判断预置电压与数据库中所选取电压点分界值的关系，运用分段线性差值的方法计算相应的DAC编码，具体控制流程如图5所示。

分段线性差值方法即根据分段线性插值原理，将每两个相邻节点用线段连接起来。上述标定的100个点就是用于拟合的特征点，假设这些特征点为(D1，V1)，(D2,V2)，…，(D100,V100)，则位于两个特征点之间的任意一点的电压就可以按照式(2)求出。特征点的选取应尽量分布均匀，且数量越多拟合出来的多折线段越接近真实的曲线，这是一种以工作量换取高精度的方法[14]。

(2)

式中：Di

4 实验部分

4.1 高压电源性能测试

高压电源工作时易受到外界环境因素的干扰，如脉冲电源干扰、工频干扰等，设计滤波电路，保证电源电压低纹波，通过对干扰源进行屏蔽和接地处理，利用RIGOL DS 2072A示波器(交流耦合，20 MHz带宽)测量4路电源(UReflect，UAcceleration，UGrid，UMCP)在50 V输出时的纹波，结果均低于25 mV，完全满足设计要求。

4.2 仪器性能测试

设计的主控制板与分析器高压直流电源控制板已成功运用在自制的飞行时间质谱仪中。仪器的人机交互软件采用C#编写。整个系统的参数设置通过计算机来配置。质谱仪微通道板MCP上的数据信息由采集卡传送到上位机处理，高压电源电压数据经标定后导入上位机保存。质谱仪工作前，首先在上位机的“仪器设置”选项中设置好分析器电源的电压参数及真空系统相关参数，然后在“采集设置”设置谱图采集的采样率、采集时长、累加次数及保存路径等参数，最后点击“开始”按钮，上位机下发控制命令，仪器开始采集数据。图6为上位机仪器参数设置界面。

为测试所设计的飞行时间质谱仪的功能完整性及分辨率大小，对某气体进行测量，在50 s内以20 kHz频率累加采集信号，飞行时间约为27.482 μs处的峰显示如图7所示。分析得到分辨率约为2 081，与设计的目标分辨率基本一致。该仪器在长时间工作中，控制系统运行可靠，分析器高压直流电源输出稳定。

5 结论

随着质谱仪器的发展，传统的系统测控模式早已不能满足实际需求。本研究基于此提出并成功研制的基于CAN总线网络的飞行时间质谱仪测控系统具有性能可靠、结构简洁的特点。该测控网络具有普遍适用性，提高了仪器功能可扩展性，为质谱仪测控系统的未来提供了一种具有发展潜力的思路。本研究引入了一种紧凑的、模块化的电源解决方案，通过高精度D/A、A/D转换实现电源输出及读取，并通过分段线性插值提高了电源的控制精度。该电源解决方案的灵活性使得其同样适用于其他类型仪器的活动电源设计。