一种四极质谱仪射频电源控制与数据采集系统的研制
李凯;李明;唐兴斌;宋春苗
【摘 要】四极杆射频电源是四极质谱仪的核心部件,传统的四极杆射频电源控制与数据采集一般采用模数转换器(ADC)与主控芯片搭配来实现,先将信号进行预分频,再用ADC采集,处理速度慢、功能单一.本文基于微控制器(ARM)和现场可编程门阵列(FPGA),研制了一种新型的射频电源控制与数据采集系统.ARM用于与上位机通讯及模块间的级联控制,FPGA负责交直流控制电压的输出、扫描时序产生及数据采集,进而实现仪器的质量数扫描、跳峰扫描等功能.选用基于上述设计的电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)样机,依照四极杆电感耦合等离子体质谱仪校准规范JJF1159—2006进行了分辨率、灵敏度、质量轴稳定性和线性测定试验,测定结果符合该规范要求.
【期刊名称】《冶金分析》
【年(卷),期】2018(038)009
【总页数】5页(P31-35)
【关键词】四极质谱仪;射频电源控制;数据采集系统
【作 者】李凯;李明;唐兴斌;宋春苗
【作者单位】钢研纳克检测技术股份有限公司 ,北京 100081;钢研纳克检测技术股份有限公司 ,北京 100081;钢研纳克检测技术股份有限公司 ,北京 100081;钢研纳克检测技术股份有限公司 ,北京 100081
【正文语种】中 文
【中图分类】TH843;O657.63
四极质谱仪是基于不同质荷比的离子在高频及直流四极电场中运动轨迹的稳定与否来实现质量分离[1]。一般包括离子源、四极杆质量分析器、四极杆射频电源、检测器等[2]。四极杆射频电源的控制和数据采集系统，负责向四极杆射频电源提供交直流的控制电压，并按照仪器功能(例如，质量数扫描或跳峰扫描)产生特定扫描时序，控制输出电压变化，进而调整直流和交流的大小及比例，使特定质荷比的离子通过四极杆的中心通道到达检测器[3-4]；同时，对检测器输出的数据进行处理和采集，得到质谱数据。在这一过程中，交直流电压的时序、稳定性、扫描速度、数据采集模式等直接影响仪器的灵敏度、分辨率、质量轴稳定性、数据采集速度等关键性能指标[5]，因此，四极杆射频电源的控制和数据采集系统是四极质谱仪设计中的关键一环。
传统的控制与数据采集系统一般采用模数转换器(ADC)与主控芯片搭配的方法，先将信号进行预分频，再用ADC采集，处理速度慢、功能单一，无法保证数据处理的实时性[6]；也有一些厂家采用工控机来实现，但体积较大，仪器难以实现小型化和集成化[7]。
本文研制的射频电源控制和数据采集系统，采用微控制器(ARM)和现场可编程门阵列
(FPGA)的架构实现，其中FPGA有2方面的功能：(1)交直流控制电压的输出及扫描时序产生；(2)数据采集；而ARM作为主控芯片，有3方面的功能：(1)与上位机进行通讯；(2)控制FPGA实现仪器相关各功能(例如，全扫描、跳峰扫描、质量轴校正等)；(3)错误报警及级联控制。与前人相比，本文所用设计体积较小，仅为一块电路板，便于集成；数据采集部分采用FPGA的输入/输出引脚实现，其主频可达200MHz，远大于ADC的性能(约为120MHz)；通讯部分采用控制器局域网(CAN)总线，实现了模块间的级联控制。
1 系统构成
本系统的结构图如图1所示，主要由ARM、FPGA和信号调理部分等组成。上位机软件将控制指令和数据通过CAN总线发送给ARM部分，ARM部分将其发送给FPGA，FPGA控制数模转换器(DAC)进行控制电压输出，经过运放调制之后输出给射频电源用于离子筛选；同时FPGA进行数据采集，并将数据发送给ARM，ARM首先根据数据判断是否进行错误报警和级联控制，若数据超过某一阈值，则认为进样浓度过高，不适用于四极质谱仪，一方面向上位机发送错误报警指示，另一方面通过CAN总线向离子透镜电源发送命令，关闭倍增器，保护仪器；若正常，则将数据发送给上位机进行数据处理与谱图显示。
图1 系统结构图Fig.1 Structure diagram of the system
2 系统硬件结构
本设计的硬件结构如图2所示。
图2 硬件结构图Fig.2 Structure diagram of the hardware
本设计选用恩智浦公司的ARM处理器，该处理器包括闪存(Flash)、外部存储控制器(EEPROM)、CAN总线控制器、10/100M的以太网控制器等外设资源[8]，适用于仪器系统和工业控制的应用场合。
本设计选用亚德诺半导体公司的高精度的具有16位精度DAC，通道数约为216，远远满足四极质谱仪60000以上扫描通道的要求；±2LSB(最低有效位)的积分线性误差；典型功耗只有100mW；采用并行接口与FPGA通讯，提高了数据的吞吐率。
本设计选用亚德诺半导体公司的运算放大器作为电压跟随电路。该电路一方面避免前级输出阻抗和后级输入阻抗不匹配产生信号损耗，起到承上启下的作用；另一方面，隔离前后级电路，消除它们之间的相互影响；另外，还提高了电路的带载能力[9]。
本设计选用了阿尔特拉公司的FPGA芯片作为DAC的控制和数据采集单元，其主频可达200MHz(5ns)。四极杆质量分析器系统将离子按质荷比分离后最终引入检测器，检测器将离子转换成电子脉冲，该电子脉冲的宽度一般是5～10ns[10]。传统的数据采集系统，一般先对信号进行分频，再选用ADC进行数据采集，处理速度慢(约为120MHz)。
本设计选用了德州仪器公司的电平转换芯片，该芯片将低电压差分信号(LVDS)(典型值350mV)转换为3V的互补对称金属氧化物半导体(CMOS)信号，支持的数据速率为200MHz[11]。从检测器出来的信号有两路，一路是模拟信号，一路是脉冲计数信号，这两路信号经过前放板调制放大之后，被送入数据采集模块，其中模拟信号的电平与FPGA
一致，均为CMOS信号，可直接送入；而脉冲计数信号为LVDS信号，需进行转换成CMOS信号。
鉴于四极质谱仪对数据传输实时性的要求以及CAN总线在实时性、抗干扰能力及可扩展性等方面展现出的明显优越性，本设计选用CAN总线控制器和CAN收发模块进行CAN通讯。
3 系统软件结构
本系统的软件包括ARM和FPGA两部分，其中ARM部分软件流程图如图3所示。
图3 ARM软件流程图Fig.3 Flow chart of the ARM software
系统上电后首先对CAN控制器等外设进行初始化，完成后等待CAN中断，CAN中断触发后，接收数据并将数据发送至FPGA，同时等待数据回传，接收到数据后将其通过CAN发送至上位机。
FPGA部分软件流程图如图4所示。系统上电对DAC、输入/输出引脚配置等初始化，FPGA为并行结构，因此DAC输出、数据采集和串行外设接口(SPI)收发3个任务并行执行。
图4 FPGA软件流程图Fig.4 Flow chart of the FPGA software
4 实验部分
Be、Co、Y、In、Ce、Bi混合标准储备溶液(国家钢铁材料测试中心，钢研纳克检测技术股份有限公司)：100.0μg/mL，介质为10%(体积分数，下同)HNO3-10%(体积分数，下同)HCl；Be、Co、Y、In、Ce、Bi混合标准溶液：10.00μg/L，由Be、Co、Y、In、Ce、Bi混合标准储备溶液逐级稀释而成，介质为2%(体积分数，下同)HNO3；Y元素标准储备溶液(国家钢铁材料测试中心，钢铁研究总院)：1000μg/mL，介质是10%HNO3；Y标准溶液:10.00μg/L，用Y元素标准储备溶液逐级稀释而成，介质为2%HNO3；24种元素(Al、As、B、Ba、Be、Bi、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Ga、Li、Mg、Mn、Ni、Pb、Sb、Sn、Sr、Ti、Tl、V、Zn)的标准储备溶液(国家有色金属及电子材料分析测试中心)：100μg/mL，介质为10%HNO3-10%HCl-10%(体积分数，下同)HF；24种元素的标准溶液系列：以上各元素质量浓度分别均为0.500、1.00、5.00、10.0、20.0、50.0、80.0、100.0、150.0、200.0μg/L，介质为2%HNO3，由24种元素的标准储备溶液逐级稀释而成。
实验用水均为电阻率大于18.25MΩ·cm的高纯水；所用HNO3均为高纯。
5 结果与讨论
选用基于上述设计的电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)样机，依照国家计量技术规范-四极杆电感耦合等离子体质谱仪校准规范JJF 1159—2006[12]进行以下试验。
5.1 分辨率和灵敏度的测定试验
以Be、Co、Y、In、Ce、Bi混合标准溶液进样(选择依据：这6种元素覆盖了2～
256amu的低、中、高3个区域，并且Be、In、Bi是四极杆电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)校准规范中所采用的元素)，进行峰扫描，得出这6种元素的质谱图，如图5所示。从图5中可以看出仪器分辨率、灵敏度等指标均满足国家计量技术规范JJF 1159—2006的要求(分辨率不大于0.8amu；Be、In、Bi的灵敏度分别不小于5、30、20Mcps/(mg/L))。
图5 基于本文设计的样机质谱图Fig.5 Mass spectrum of the model machine based on the proposed design
5.2 质量轴稳定性的测定试验
以Y标准溶液进样，扫描Y的谱图，间隔约17h重复该进样和扫描步骤，两次扫描所得谱图分别如图6(a)和图6(b)所示。由图6(a)和图6(b)可见，两次扫描所得谱图峰中心分别约在.00和.04处，偏移程度在±0.05amu以内，满足国家计量技术规范JJF 1159—2006的要求(质量轴稳定性不大于±0.05amu)。
(a) 2018-06-19 T 16∶24∶00;(b) 2018-06-20 T 09∶36∶00。图6 两次扫描所得Y元素的质谱图Fig.6 Mass spectrum of Y by two scanning
5.3 线性测定试验
选取质量数覆盖2～256amu且质量浓度在0.5～200μg/L范围内的24种元素混合标准溶液系列进样，使用50μg/L的 Rh和Re作为混合内标，绘制这24种元素的校准曲线。结果表明，这24种元素校准曲线的相关系数均大于0.999，满足了仪器线性方面的
要求(国家计量技术规范JJF 1159—2006要求线性相关系数不小于0.999)。从这24种元素中任选了3种元素Li、Sr、Tl的校准曲线示例，分别见图7～图9所示。
图7 Li元素校准曲线Fig.7 Calibration curve of Li
6 结语
基于本研究所提结构开发的射频电源控制与数据采集系统，比现有系统减少了体积和功耗，提高了数据采集速度，并在ICP-MS样机中成功应用，因此相比已有结构，这种结构兼备了小型化和通用性。
图8 Sr元素校准曲线Fig.8 Calibration curve of Sr
图9 Tl元素校准曲线Fig.9 Calibration curve of Tl
参考文献:
【相关文献】
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