摘 要 以简易型原子吸收分光光度计为基础,着重介绍它的测控系统的各个模块的设计思路和软件的编程方法,讨论了CPLD器件及在系统可编程技术的应用,并简单地讲述了C51语言。最后给出仪器的功能和主要指标。
0 引 言
原子吸收分光光度计(AAS)是迄今为止元素分析领域应用最广泛的分析仪器之一,我国已有30多年的生产原子吸收分光光度计的历史。由于原有的简易型原子吸收分光光度计开发较早,使用的部分元器件被淘汰、本身操作复杂、成本高等原因导致生产日益困难,而且国内还有一部分用户需要这种简易的原子吸收分光光度计。在原有的GGX-5简易型原子吸收分光光度计的基础上,采用新技术、新思路、新产品设计了新一代GGX-5简易型原子吸收分光光度计。
1 测控电路设计
1·1 控制核心
采用Intel8031作为核心控制单元,27C256作为代码存储区,28256作为扩展数据区。这一部分控制各个执行机构的工作、数据采集、数据存储、数据输出等。
1·2 V/F转换电路
由于从光电倍增管输出的电信号比较弱且从光电倍增管到测控板的距离比较长,如果以模拟信号进行传输会导致噪声大,影响系统的精度。采用V/F转换可以提高系统的抗干扰能力适用于远距离传输,同时可以获得比同等测量精度的A/D转换器更高的性价比。基本结构图如图1所示。
增管的输出放大电路及V/F转换电路如图2。该芯片是电流驱动转换器,其中电阻R43采用高精度金属膜电阻,R30,R31,R39,R40为转换器提供一个小的偏置电流。克服了V/F转换存在死区的问题。
1·3 计数电路
V/F转换输出信号到控制板上,在早期的仪器中都采用8253完成计数。现采用Lattice公司的ispLSI1032E设计一个16位的定时器及其它功能。ispLSI 1032E有64个I/O单元,每一个单元对应一个I/O脚。每个I/O单元都可以独立编程为组合输入,寄存输出,锁存输入、输出或带有三态控制的双向I/O脚,信号电平与TTL电平兼容。
ISP技术具有对器件、电路板或整个电子系统的逻辑和功能随时进行组态或重组能力的最新技术。它消除了传统的PLD的某些限制和连接弊端,有利于在板和系统设计、制造与编程,可以在电路板上留一个五芯电缆的接口,通过ISP编程电缆一端接PC的并口,一端接到电路板上的ISP接口,运行开发软件,可以在系统工作过程中,随时根据需要改变电路的逻辑功能,在不改变硬件电路的情况下,实现系统的升级换代。具体操作见参考文献[4],此处不详述。采用ispLSI 1032E不仅取代了部分被淘汰的器件,同时使系统的维护、升级更加方便。
1·4 输入模块
输入键盘采用PC/XT标准键盘,它是一种非编码键盘,按键采用电容开关,由内部的单片机执行键盘扫描程序,通过一根螺旋形5芯电缆与主机相连,当键按下时,单片机向键盘接口输送与按键位置相对应的接通扫描码,当键松开时,产生断开扫描码。键盘接口如图3所示,相应的键盘扫描码通过数据线
DATA并在时钟线Clock的时钟定时下,以串行方式送入键盘接口。其中11位的扫描码的顺序为起始位、D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、奇偶位、停止位。采用PC/XT标准键盘克服了原仪器用的触摸式键盘易损坏、稳定性差的问题,而且互换性好、性价比高。它在银行、商场里也被广泛应用。
1·5 D/A模块
D/A采用MAXIM公司的MAX 526,它包含四个12位,电压输出型数模转换器,片内包含精密的输出缓冲器并提供1LSB的总非调整误差。采用它的四个输出来控制空心阴极灯电流、氘灯电流及负高压的值。采用MAX 526提高了系统的稳定性和精度。
1·6 打印模块
打印机采用TP-UP16微型串口打印机,能够联机打印测量结果,综合报表、工作曲线、工作条件、检出限等。
1·7 显示模块
显示模块采用LED数码管设计,具有设计简洁,易于维护的特点。分别显示输入的数据、吸光度、透过率、发射强度、工作参数等。
2 软件部分
对于Intel 51系列单片机,现有四种语言支持,即汇编、PL/M、C和BASIC。其中汇编和C为大多数程序员熟悉。
C语言是一种结构化语言,可产生压缩代码。C可以进行许多机器级函数控制而不用汇编语言。与汇编相比有以下优点:
1)对单片机的指令系统不要求了解,仅要求对8051的存储器结构有了解;
2)寄存器分配、不同存储器的寻址及数据类型等细节可由编译器管理;
3)程序有规范的结构,可分为不同的函数;这种方式可使程序结构化;
4)将可变的选择与特殊操作组合在一起的能力,改善程序的可读性;
5)提供的库包含许多标准子程序,具有较强的数据处理能力;
6)已编好的程序可容易地植入新程序,因为它具有方便的模块化的编程技术
7)C语言程序本身不依赖机器硬件系统,基本不做修改就可根据单片机的不同进行移植。笔者采用FranklinC51编写该软件,也采用了模块化设计的思想,将对各个模块操作的过程分解成多个模块,使程序具有易维护、可读性强、开发时间短等特点。
由于仪器采用单片机控制、PC/XT标准键盘输入和数码管显示,要求仪器能迅速响应用户的各项操作,同时又要不间断地进行数据采集、计算并显示各项结果。单片机只能采用中断方式来响键盘的操作或数据采集完成时产生中断信号给MCU来请求中断服务。考虑噪声可能带来的键盘误操作及额外的处理电路服务读取该次数据结果,进行计算显示,同时进行下次数据的采集。而对键盘采用查询的工作方式。程序框图如下:
3 主要功能及技术指标
GGX-5简易型原子吸收分光光度计可以在吸光度和发射两种方式下工作,接收键盘输入的各种参数如:灯电流、负高压、工作波长、标准浓度等。可以完成自动波长、自动高压、测量检出限、精密度等过程。能够打印各种参数、测量结果、工作曲线等。
4 结束语
由于软、硬件的模块化设计使维护、升级都非常方便。该仪器性价比高,操作方便,维护简单,指标符合行业标准的要求,已被多家用户选购,使用情况良好,具有良好的市场前景。
参考文献
[1] 王福瑞.单片微机测控系统设计大全.北京:北京航空航天大学出版社. 1999
[2] 沈国江,王文海,孙优. v/f转换在智能仪器中的应用.现代科学仪器. 2000,(6):31~33
[3] 马忠梅,马岩,张凯,籍顺心.单片机的C语言应用程序设计.北京:北京航空航天大学出版社. 1998
[4] 刘笃仁,杨万海.在系统可编程技术及其器件原理与应用.西安:西安电子科技大学出版社. 1999
本文作者：叶 昀 周志恒
