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,廣泛應用于食品安全檢測、環(huán)境監(jiān)測、機場安檢、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,在實效性和成本方面較傳統(tǒng)質(zhì)譜儀具有明顯的優(yōu)勢。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。實際上,測控系統(tǒng)的小型化設(shè)計是實現(xiàn)質(zhì)譜儀小型化開發(fā)的技術(shù)瓶頸之一,其設(shè)計難度體現(xiàn)在以下幾個方面: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,因此對測控系統(tǒng)的實時處理能力、數(shù)據(jù)存儲和數(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)境復雜,對測控系統(tǒng)的環(huán)境適應性是重大考驗;需要在外界干擾的條件實現(xiàn)微弱質(zhì)譜信號的放大和數(shù)據(jù)采集。針對上述技術(shù)難點,本文設(shè)計了一套新型的小型化質(zhì)譜儀測控系統(tǒng),其主要技術(shù)特點和創(chuàng)新性為:(1)基于ARM+FPGA雙核架構(gòu)設(shè)計,兼顧了小型化質(zhì)譜儀對控制復雜度和控制實時性的需求;(2)在系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)傳輸過程中采用了雙進程循環(huán)控制技術(shù),實現(xiàn)儀器時序控制和數(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)與上位機的以太網(wǎng)通信,實現(xiàn)上位機和下位機的高速數(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)計復雜度高的問題;(6)采用多層PCB技術(shù)、微型和低功耗電子元件實現(xiàn)了高度集成化的系統(tǒng)設(shè)計,極大地減小了測控系統(tǒng)的整體功耗和體積。實際工作過程中,首先完成了整個測控系統(tǒng)的方案論證和系統(tǒng)設(shè)計,在此基礎(chǔ)上進行了原理圖設(shè)計和PCB圖設(shè)計;然后對ARM處理器的嵌入式軟件進行了總體設(shè)計和程序編寫,采用Verilog語言設(shè)計了FPGA的邏輯程序,實現(xiàn)了ARM和FPGA的通信和ARM與上位機之間的數(shù)據(jù)交互,以及對質(zhì)譜儀的控制功能;繼而,實現(xiàn)整個測控系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試和性能測試;最終,成功將所設(shè)計的質(zhì)譜儀測控系統(tǒng)應用于本課題組研發(fā)的小型化質(zhì)譜儀。最終設(shè)計完成的基于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)接口與計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和人機交互,所選用以太網(wǎng)芯片的數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達80MHz;微弱信號放大及數(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6次/秒(即每秒可實現(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。
【學位單位】：蘇州大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TH843
【部分圖文】：

圖 1-1 中國第一臺商業(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)的控制對象，測控系統(tǒng)是整個質(zhì)譜儀器控制中樞，。的小型化需要對其各個部件進行小型化處理，本課題的研究路線，針對線性離子阱質(zhì)量分析器[34-47]，對小型化離子阱質(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)境適應性強等特點。同時對于善上，也同樣有著很好的提升。分為如下六個章節(jié)：緒論。本章詳細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)是專門針對小型化線性離子阱質(zhì)量分析器[48-50]所設(shè)計的，選用的線性離子阱是本實驗室自主設(shè)計和開發(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)，加工廉價且組裝精度較高，同時又具備線性離子阱的大儲存量和高捕獲效率的功能[51]。線性離子阱質(zhì)譜儀主要由八個部分組成，分別是測控系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、端蓋電極、進樣系統(tǒng)、電離源、離子光學透鏡、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)計分析 基于雙核的小型化離子阱質(zhì)譜上位機軟件進行加熱控制，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)譜儀所需要的條個質(zhì)譜儀的影響，降低了整個系統(tǒng)得噪聲，同時，它也擁[58]，具有進樣速度快的特點。在進行樣品測試時只需要將樣口幾秒鐘，很快就會得到質(zhì)譜峰圖。此外，此種薄膜體質(zhì)譜儀得進樣系統(tǒng)。
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本文編號：2878573