离子色谱分析仪的嵌入式系统设计

　　0　引言

　　离子色谱(Ion Chromatography,简称IC)是高效液相色谱(HPLC)的一种,是分析离子的一种新的液相色谱方法。由于操作简便,对常见阴阳离子分析的高灵敏度,特别是对阴离子和价态形态分析的突出优点,已广泛应用于环境、电厂、半导体、食品卫生、石油化工和生命科学等领域[1]。它是集分析化学、电化学、微弱信号检测、信号处理、计算机测量控制等技术于一体的产品。在其整个工作流程中,使用计算机进行检测、控制及数据分析处理是必不可少的。目前,控制功能的实现有以下几种方法: (1)单片机控制:可以实现简单的信号检测与控制,无法实现大量数据的分析、处理、存储等,需要   图1　离子色谱分析仪的电路工作原理图

　　与PC机连接,共同完成分析任务; (2)嵌入式系统:离子色谱分析仪可以脱离PC机独立工作,具有较强的控制及数据处理能力,提供良好的操作界面。也可以与PC机连接,实现更复杂的数据处理。

　　本文介绍的离子色谱分析仪采用了嵌入式PC以及嵌入式实时操作系统μC/OS-II。下面对离子色谱分析仪的工作原理、硬件电路以及多任务程序设计进行详细介绍。

　　1　离子色谱分析仪的电路工作原理

　　离子色谱常用的检测方法有电导检测法、伏安检测法和极谱检测法等。不同的检测方法,电信号的处理过程不一样。在电导检测法中,首先要具备恒流的液体流路系统,保证流过离子色谱柱的液体流速是恒定的。这部分一般通过高压平流泵来实现,嵌入式系统只负责平流泵的检测与控制。

　　其次,因为温度对电导率的影响较大,每升高1℃,电导率增加2%~2·5%[2],因此需要配备温控系统。该部分选用10位A/D转换器,采用利用PWM方式控制加热棒。最重要的检测信号是电导检测器的输出信号。因为电导率的线性范围较宽(0·1~10 000μS/cm)[2],检测器的输出信号经放大后可在几十μV~2 V之间变化,分辨率要求在10μV以下。因此采用高分辨率的串行20位A/D转换器,以保证采样精度,其最高采样速度为1 kHz。

　　在安培检测法中,要求输出特定的、精准的扫描波形(时间分辨率为5 ms),并在指定时间点上采集数据,在此使用串行14位D/A转换器。整个离子色谱分析仪的电路工作原理如图1所示。

　　2　嵌入式系统的硬件设计

　　控制电路的核心选用了英创公司的嵌入式模块ETR232i。该模块采用96 MHz RISC结构微处理器R1610C,指令与80186兼容,标准PC兼容体系结构,支持DOS应用程序快速开发与移植[3]。硬件方面配备了3个异步串口、一个10M/100M以太网接口、LCD显示、GPIO以及精简的ISA扩展总线,能支持DOC2000。扩展总线采用插针形式,可方便地插在应用底板上。软件方面ETR232i具有与PC/DOS完全兼容的运行环境,提供640KB常规内存,应用程序可用空间326KB。