基于可編程門陣列的四極桿質(zhì)譜儀數(shù)字濾波器的設(shè)計與應(yīng)用
發(fā)布時間：2022-02-15 11:08
引入數(shù)字濾波器是提高四極桿質(zhì)譜儀信噪比的一種有效方法。針對小型四極桿質(zhì)譜儀控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力不足的問題,本研究提出了基于FPGA芯片的數(shù)字濾波器解決方案。使用FPGA程序替代通用處理器程序進行數(shù)字濾波運算,提高了儀器控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力,實現(xiàn)了高階數(shù)字濾波。在本團隊研制的小型四極桿質(zhì)譜儀中,使用本方案實現(xiàn)130階數(shù)字濾波,測試全氟三丁胺標(biāo)準(zhǔn)樣品的高頻噪聲衰減-50 dB以上, 502 Th質(zhì)譜峰信噪比提升95%,系統(tǒng)功耗僅增加190 mW,約占系統(tǒng)總功耗的1.7%,同時解決了通用處理器執(zhí)行數(shù)字濾波容易丟失數(shù)據(jù)的問題,為其它低功耗控制系統(tǒng)完成高性能數(shù)據(jù)處理提供了設(shè)計參考。
【文章來源】：分析化學(xué). 2020,48(08)北大核心EISCICSCD
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
四極桿質(zhì)譜儀結(jié)構(gòu)圖
數(shù)字濾波器根據(jù)其單位沖激響應(yīng)可分為有限長單位沖激響應(yīng)(Finite impulse response, FIR)和無限長單位沖激響應(yīng)(Infinite impulse response, IIR)兩種形式。相比于IIR, FIR形式具有嚴(yán)格線性相位, 信號內(nèi)不同頻率成分間仍保持原始相位差, 只改變信號波形幅值, 質(zhì)譜信號失真較小。FIR數(shù)字濾波算法結(jié)構(gòu)如圖3所示, 圖中Z-1為離散系統(tǒng)單位延遲, 此處等于模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器采樣周期; Cn為濾波器系數(shù)矩陣中第n個系數(shù)。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過k級延遲后, 與Ck-1相乘, 再與數(shù)據(jù)流中Dk-1相加, 形成Dk。若n為濾波器階數(shù), 經(jīng)過n+1級延遲后, 輸出Dn+1即為運算結(jié)果。系統(tǒng)運行時, 連續(xù)采集數(shù)據(jù), 單次運算在單位延遲內(nèi)完成, 數(shù)據(jù)流整體經(jīng)過n+1級延遲后進入控制系統(tǒng)。以采樣周期為間隔, 濾波結(jié)果連續(xù)產(chǎn)生并返回, 與CPU建立完整的數(shù)據(jù)流通道。2.3 數(shù)字濾波器參數(shù)設(shè)計
CPU(Vortex86DX 32-bit處理器/主頻800 MHz)與FPGA通過PC104總線進行控制信號和數(shù)據(jù)的傳輸, FPGA中控制模塊負(fù)責(zé)解析CPU控制指令, 產(chǎn)生同步轉(zhuǎn)換脈沖(PCNVST)啟動模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片AD7663(美國Analog Device公司)采集, 將質(zhì)譜模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為16-bit數(shù)字信號; 16-bit串行數(shù)據(jù)DATA及其同步數(shù)據(jù)時鐘DCLK同時進入FPGA, 由FPGA串并轉(zhuǎn)換程序模塊轉(zhuǎn)換為16-bit并行數(shù)字信號, 輸出給數(shù)字濾波器模塊運算并返回CPU系統(tǒng)�；赩erilog HDL硬件描述語言設(shè)計的程序流程圖如圖2B所示。數(shù)字濾波器根據(jù)其單位沖激響應(yīng)可分為有限長單位沖激響應(yīng)(Finite impulse response, FIR)和無限長單位沖激響應(yīng)(Infinite impulse response, IIR)兩種形式。相比于IIR, FIR形式具有嚴(yán)格線性相位, 信號內(nèi)不同頻率成分間仍保持原始相位差, 只改變信號波形幅值, 質(zhì)譜信號失真較小。FIR數(shù)字濾波算法結(jié)構(gòu)如圖3所示, 圖中Z-1為離散系統(tǒng)單位延遲, 此處等于模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器采樣周期; Cn為濾波器系數(shù)矩陣中第n個系數(shù)。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過k級延遲后, 與Ck-1相乘, 再與數(shù)據(jù)流中Dk-1相加, 形成Dk。若n為濾波器階數(shù), 經(jīng)過n+1級延遲后, 輸出Dn+1即為運算結(jié)果。系統(tǒng)運行時, 連續(xù)采集數(shù)據(jù), 單次運算在單位延遲內(nèi)完成, 數(shù)據(jù)流整體經(jīng)過n+1級延遲后進入控制系統(tǒng)。以采樣周期為間隔, 濾波結(jié)果連續(xù)產(chǎn)生并返回, 與CPU建立完整的數(shù)據(jù)流通道。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]小型四極桿質(zhì)量分析器的設(shè)計與性能測試[J]. 黃澤建,劉廣才,江游,劉梅英,樸怡情,龔曉云,翟睿,謝潔,戴新華,方向. 分析化學(xué). 2019(07)
[2]低能量電子轟擊電離源質(zhì)譜技術(shù)的研究及應(yīng)用測試[J]. 劉廣才,龔曉云,江游,樸怡情,方向,黃澤建,田地. 分析化學(xué). 2019(05)
[3]小型化離子阱質(zhì)譜儀在毒品快速采集與分析中的應(yīng)用[J]. 富慶,尤曉明,金潔. 質(zhì)譜學(xué)報. 2019(03)
[4]一種特殊數(shù)字濾波器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)[J]. 張幸幸,陸繼承,李夏禹,俞軍. 微電子學(xué). 2018(04)
[5]空間探測小型質(zhì)譜儀關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 楊先衛(wèi),潘禮慶,王勁東,羅志會,譚超,趙華. 質(zhì)譜學(xué)報. 2016(03)
[6]四極質(zhì)譜儀通用數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究[J]. 江游,吳保軍,穰瑜,田地,方向. 質(zhì)譜學(xué)報. 2008(02)
本文編號：3626523
【文章來源】：分析化學(xué). 2020,48(08)北大核心EISCICSCD
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
四極桿質(zhì)譜儀結(jié)構(gòu)圖
數(shù)字濾波器根據(jù)其單位沖激響應(yīng)可分為有限長單位沖激響應(yīng)(Finite impulse response, FIR)和無限長單位沖激響應(yīng)(Infinite impulse response, IIR)兩種形式。相比于IIR, FIR形式具有嚴(yán)格線性相位, 信號內(nèi)不同頻率成分間仍保持原始相位差, 只改變信號波形幅值, 質(zhì)譜信號失真較小。FIR數(shù)字濾波算法結(jié)構(gòu)如圖3所示, 圖中Z-1為離散系統(tǒng)單位延遲, 此處等于模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器采樣周期; Cn為濾波器系數(shù)矩陣中第n個系數(shù)。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過k級延遲后, 與Ck-1相乘, 再與數(shù)據(jù)流中Dk-1相加, 形成Dk。若n為濾波器階數(shù), 經(jīng)過n+1級延遲后, 輸出Dn+1即為運算結(jié)果。系統(tǒng)運行時, 連續(xù)采集數(shù)據(jù), 單次運算在單位延遲內(nèi)完成, 數(shù)據(jù)流整體經(jīng)過n+1級延遲后進入控制系統(tǒng)。以采樣周期為間隔, 濾波結(jié)果連續(xù)產(chǎn)生并返回, 與CPU建立完整的數(shù)據(jù)流通道。2.3 數(shù)字濾波器參數(shù)設(shè)計
CPU(Vortex86DX 32-bit處理器/主頻800 MHz)與FPGA通過PC104總線進行控制信號和數(shù)據(jù)的傳輸, FPGA中控制模塊負(fù)責(zé)解析CPU控制指令, 產(chǎn)生同步轉(zhuǎn)換脈沖(PCNVST)啟動模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片AD7663(美國Analog Device公司)采集, 將質(zhì)譜模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為16-bit數(shù)字信號; 16-bit串行數(shù)據(jù)DATA及其同步數(shù)據(jù)時鐘DCLK同時進入FPGA, 由FPGA串并轉(zhuǎn)換程序模塊轉(zhuǎn)換為16-bit并行數(shù)字信號, 輸出給數(shù)字濾波器模塊運算并返回CPU系統(tǒng)�；赩erilog HDL硬件描述語言設(shè)計的程序流程圖如圖2B所示。數(shù)字濾波器根據(jù)其單位沖激響應(yīng)可分為有限長單位沖激響應(yīng)(Finite impulse response, FIR)和無限長單位沖激響應(yīng)(Infinite impulse response, IIR)兩種形式。相比于IIR, FIR形式具有嚴(yán)格線性相位, 信號內(nèi)不同頻率成分間仍保持原始相位差, 只改變信號波形幅值, 質(zhì)譜信號失真較小。FIR數(shù)字濾波算法結(jié)構(gòu)如圖3所示, 圖中Z-1為離散系統(tǒng)單位延遲, 此處等于模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器采樣周期; Cn為濾波器系數(shù)矩陣中第n個系數(shù)。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過k級延遲后, 與Ck-1相乘, 再與數(shù)據(jù)流中Dk-1相加, 形成Dk。若n為濾波器階數(shù), 經(jīng)過n+1級延遲后, 輸出Dn+1即為運算結(jié)果。系統(tǒng)運行時, 連續(xù)采集數(shù)據(jù), 單次運算在單位延遲內(nèi)完成, 數(shù)據(jù)流整體經(jīng)過n+1級延遲后進入控制系統(tǒng)。以采樣周期為間隔, 濾波結(jié)果連續(xù)產(chǎn)生并返回, 與CPU建立完整的數(shù)據(jù)流通道。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]小型四極桿質(zhì)量分析器的設(shè)計與性能測試[J]. 黃澤建,劉廣才,江游,劉梅英,樸怡情,龔曉云,翟睿,謝潔,戴新華,方向. 分析化學(xué). 2019(07)
[2]低能量電子轟擊電離源質(zhì)譜技術(shù)的研究及應(yīng)用測試[J]. 劉廣才,龔曉云,江游,樸怡情,方向,黃澤建,田地. 分析化學(xué). 2019(05)
[3]小型化離子阱質(zhì)譜儀在毒品快速采集與分析中的應(yīng)用[J]. 富慶,尤曉明,金潔. 質(zhì)譜學(xué)報. 2019(03)
[4]一種特殊數(shù)字濾波器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)[J]. 張幸幸,陸繼承,李夏禹,俞軍. 微電子學(xué). 2018(04)
[5]空間探測小型質(zhì)譜儀關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 楊先衛(wèi),潘禮慶,王勁東,羅志會,譚超,趙華. 質(zhì)譜學(xué)報. 2016(03)
[6]四極質(zhì)譜儀通用數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究[J]. 江游,吳保軍,穰瑜,田地,方向. 質(zhì)譜學(xué)報. 2008(02)
本文編號：3626523
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