目前,小型化質(zhì)譜儀已經(jīng)成為諸多領(lǐng)域的必備分析儀器,廣泛應(yīng)用于食品安全檢測、環(huán)境監(jiān)測、機(jī)場安檢、航天和軍事技術(shù)等領(lǐng)域。發(fā)展小型化質(zhì)譜儀是當(dāng)今質(zhì)譜領(lǐng)域研究的一大熱門,這類儀器體積小、質(zhì)量輕、功耗低,在實(shí)效性和成本方面較傳統(tǒng)質(zhì)譜儀具有明顯的優(yōu)勢(shì)。測控系統(tǒng)是質(zhì)譜儀的關(guān)鍵組成部分,用于控制儀器進(jìn)行樣品采集、質(zhì)量分析、狀態(tài)切換、數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)?是整個(gè)質(zhì)譜儀的控制中樞。傳統(tǒng)的質(zhì)譜儀測控系統(tǒng)存在體積大、功耗高、板卡數(shù)量多、智能化程度低等問題,無法用于小型化質(zhì)譜儀。實(shí)際上,測控系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)質(zhì)譜儀小型化開發(fā)的技術(shù)瓶頸之一,其設(shè)計(jì)難度體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:體積、重量和功耗較傳統(tǒng)測控系統(tǒng)大幅減小,但要求其控制復(fù)雜度和性能不能降低;小型化質(zhì)譜要求分析速度快,因此對(duì)測控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)交互速率等提出了極高的要求;小型化質(zhì)譜的使用環(huán)境復(fù)雜,對(duì)測控系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性是重大考驗(yàn);需要在外界干擾的條件實(shí)現(xiàn)微弱質(zhì)譜信號(hào)的放大和數(shù)據(jù)采集。針對(duì)上述技術(shù)難點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了一套新型的小型化質(zhì)譜儀測控系統(tǒng),其主要技術(shù)特點(diǎn)和創(chuàng)新性為:(1)基于ARM+FPGA雙核架構(gòu)設(shè)計(jì),兼顧了小型化質(zhì)譜儀對(duì)控制復(fù)雜度和控制實(shí)時(shí)性的需求;(2)在系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)傳輸過程中采用了雙進(jìn)程循環(huán)控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)儀器時(shí)序控制和數(shù)據(jù)傳輸并行工作,最終提升了小型化質(zhì)譜儀的分析速度;(3)采用光耦雙向隔離及數(shù)據(jù)差分傳輸技術(shù),保證了微弱信號(hào)放大和質(zhì)譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的超低噪聲性能;(4)采用新型以太網(wǎng)芯片W5500完成測控系統(tǒng)與上位機(jī)的以太網(wǎng)通信,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的高速數(shù)據(jù)交互;(5)使用ARM端FSMC總線接口完成了ARM和FPGA之間的高速通信,解決了傳統(tǒng)處理器之間串行通信速率慢和并行通信設(shè)計(jì)復(fù)雜度高的問題;(6)采用多層PCB技術(shù)、微型和低功耗電子元件實(shí)現(xiàn)了高度集成化的系統(tǒng)設(shè)計(jì),極大地減小了測控系統(tǒng)的整體功耗和體積。實(shí)際工作過程中,首先完成了整個(gè)測控系統(tǒng)的方案論證和系統(tǒng)設(shè)計(jì),在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了原理圖設(shè)計(jì)和PCB圖設(shè)計(jì);然后對(duì)ARM處理器的嵌入式軟件進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)和程序編寫,采用Verilog語言設(shè)計(jì)了FPGA的邏輯程序,實(shí)現(xiàn)了ARM和FPGA的通信和ARM與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互,以及對(duì)質(zhì)譜儀的控制功能;繼而,實(shí)現(xiàn)整個(gè)測控系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試和性能測試;最終,成功將所設(shè)計(jì)的質(zhì)譜儀測控系統(tǒng)應(yīng)用于本課題組研發(fā)的小型化質(zhì)譜儀。最終設(shè)計(jì)完成的基于ARM和FPGA雙核架構(gòu)的小型化質(zhì)譜儀測控系統(tǒng)共2塊PCB板,集成安裝后的整體體積為16×14×4.5cm3,重量為0.48kg,穩(wěn)態(tài)功耗為24W;通過以太網(wǎng)接口與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和人機(jī)交互,所選用以太網(wǎng)芯片的數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)80MHz;微弱信號(hào)放大及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體平均噪聲低于0.5m V。使用本測控系統(tǒng)的小型化質(zhì)譜儀的整體性能優(yōu)良,在質(zhì)量分辨率、質(zhì)量范圍、檢測靈敏度、分析速度和儀器穩(wěn)定性等方面均取得良好結(jié)果。特別是儀器分析速度可達(dá)6次/秒(即每秒可實(shí)現(xiàn)6次分析,得到6張質(zhì)譜圖),高于一般的離子阱質(zhì)譜儀。
【學(xué)位單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TH843
【部分圖文】：

圖 1-1 中國第一臺(tái)商業(yè)化便攜式 GC-MS 產(chǎn)品 Mars-400主要研究內(nèi)容質(zhì)譜儀結(jié)構(gòu)都包括離子源、質(zhì)量分析器、檢測器和真空系統(tǒng)測控系統(tǒng)的控制對(duì)象，測控系統(tǒng)是整個(gè)質(zhì)譜儀器控制中樞，。的小型化需要對(duì)其各個(gè)部件進(jìn)行小型化處理，本課題的研究路線，針對(duì)線性離子阱質(zhì)量分析器[34-47]，對(duì)小型化離子阱質(zhì)關(guān)研究，研制了一款新型的小型化離子阱質(zhì)譜儀測控系統(tǒng)，、性能穩(wěn)定、分析速度快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。同時(shí)對(duì)于善上，也同樣有著很好的提升。分為如下六個(gè)章節(jié)：緒論。本章詳細(xì)闡述了課題研究的目的和意義以及國內(nèi)外

第二章 小型化線性離子阱質(zhì)譜儀測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析 基于雙核的小型化離子阱質(zhì)譜儀測控系統(tǒng)的研制第二章 小型化線性離子阱質(zhì)譜儀測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析2.1 小型化線性離子阱質(zhì)譜儀的系統(tǒng)構(gòu)成本文研究的質(zhì)譜儀測控系統(tǒng)是專門針對(duì)小型化線性離子阱質(zhì)量分析器[48-50]所設(shè)計(jì)的，選用的線性離子阱是本實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)和開發(fā)的半圓弧面線性離子阱質(zhì)量分析器，它簡化了線性離子阱的雙曲面結(jié)構(gòu)，加工廉價(jià)且組裝精度較高，同時(shí)又具備線性離子阱的大儲(chǔ)存量和高捕獲效率的功能[51]。線性離子阱質(zhì)譜儀主要由八個(gè)部分組成，分別是測控系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、端蓋電極、進(jìn)樣系統(tǒng)、電離源、離子光學(xué)透鏡、線性離子阱質(zhì)量分析器、離子倍增器。如圖 2-1 所示是一臺(tái)完整的基于電子轟擊電離源[52-55]（EI 源）的線性離子阱質(zhì)譜儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

性離子阱質(zhì)譜儀測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析 基于雙核的小型化離子阱質(zhì)譜上位機(jī)軟件進(jìn)行加熱控制，控制薄膜口溫度為 60℃，方便方式就能保證真空度始終維持在離子阱質(zhì)譜儀所需要的條個(gè)質(zhì)譜儀的影響，降低了整個(gè)系統(tǒng)得噪聲，同時(shí)，它也擁[58]，具有進(jìn)樣速度快的特點(diǎn)。在進(jìn)行樣品測試時(shí)只需要將樣口幾秒鐘，很快就會(huì)得到質(zhì)譜峰圖。此外，此種薄膜體質(zhì)譜儀得進(jìn)樣系統(tǒng)。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2878573