CN105843133A - 基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪xy平台控制系统 - Google Patents

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蔡克亚
郭光辉
李向广
李康康
王家杰
张瑞峰
刘聪
王超
刘晓莉
易玲
刘伟伟
李传华
吴学炜
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Abstract

本发明公开了一种所述基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪XY平台控制系统，包括控制器，拖动所述XY平台沿X坐标轴和Y坐标轴移动的X轴真空步进电机、Y轴真空步进电机，用于检测所述X轴真空步进电机、Y轴真空步进电机步进数据的X轴编码器、Y轴编码器，以及X轴行程限位开关、Y轴行程限位开关；所述控制器由内嵌有27MHz晶体振荡器的FPGA控制芯片和两个K型热电偶模数转换器组成。本发明优点在于保证基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪正常进靶、退靶、打靶的基础上，FPGA控制芯片采集X轴、Y轴编码器的反馈信号，可以有效地提取和识别X轴、Y轴编码器的错误脉冲，大大提高了所述XY平台运行过程中的精确度。

Description

基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪XY平台控制系统
技术领域
本发明涉及基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪，尤其是涉及基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪XY平台控制系统。
背景技术
基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪由四部分组成，如图1所示，包括进样系统、离子源、质量分析器和检测器。其操作流程为：操作人员采集样品1.1后放入样品靶1.2，然后把样品靶1.2放入进样口，XY平台把样品靶1.2送入真空腔体1.3内的指定位置。在真空腔体1.3中，激光器1.4发射激光击打样品靶1.2上面的样品1.1，使得样品1.1离子化，在20KV高压作用下，带电离子在离子源前极板1.5聚集，此时撤掉两块前级板中一块板的高压使之产生电势差，离子获得初始动能后同时飞入质量分析器1.6（飞行管）中。由于不同离子的质荷比不同，它们在质量分析器1.6（飞行管）中飞行到达检测器1.7的时间不同，所以检测器1.7采集到电流以后再通过上位机1.8处理即能分辨不同物质。基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪鉴定样品1.1时，需要把样品1.1送入和送出真空腔体1.3中，且在打样过程中需要移动样品靶1.2，对样品靶1.2的不同靶点进行打样，因此需要XY平台控制进靶、退靶和打靶过程。
现有的XY平台控制系统采用单片机控制电路，用C语言编程，与真空步进电机和编码器以及微动开关的配合为主，部分机械设计配合为辅，来控制样品靶1.2的进靶、退靶和打靶过程。但是，由于单片机的晶振为18.432MHz，且真空步进电机每步进一步编码器计入一步，不能分辨真空步进电机在机械阻力下的失步现象，导致误码率高，抗干扰能力差；其次，采用单片机也直接导致了XY平台的X坐标轴和Y坐标轴只能采用时间片轮转控制（分时控制），即X轴真空步进电机和Y轴真空步进电机的切换控制在时序控制上无法确保其精确度和响应速度，造成单片机在提取编码器返回脉冲时很难识别错误脉冲，无法真正实现反馈信息的有效利用，准确性无法保证。
发明内容
本发明目的在于提供一种基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪XY平台控制系统。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
本发明所述基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪XY平台控制系统，包括控制器，拖动所述XY平台沿X坐标轴和Y坐标轴移动的X轴真空步进电机、Y轴真空步进电机，用于检测所述X轴真空步进电机、Y轴真空步进电机步进数据的X轴编码器、Y轴编码器，以及X轴行程限位开关、Y轴行程限位开关；所述控制器由内嵌有27MHz晶体振荡器的FPGA控制芯片和两个K型热电偶模数转换器组成；所述两个K型热电偶模数转换器的信号输入端分别与对应的X轴真空步进电机、Y轴真空步进电机内置的PT100电阻传感器信号输出端连接；FPGA控制芯片的输出控制端分别与X轴真空步进电机、Y轴真空步进电机的步进驱动器输入控制端连接；所述X轴编码器、Y轴编码器分别将采集的X轴真空步进电机、Y轴真空步进电机的步进数据信号输出给FPGA控制芯片；所述X轴行程限位开关、Y轴行程限位开关的信号输出端分别与FPGA控制芯片的信号输入端连接。
所述X轴编码器、Y轴编码器均为三通道增量式光栅编码器，或绝对型编码器。
所述X轴行程限位开关、Y轴行程限位开关均为按键式限位开关，或光电式限位开关。
所述X轴真空步进电机、Y轴真空步进电机的步距角均为1.8°，所述步进电机驱动器细分为64。
所述FPGA控制芯片的通信接口通过PIC单片机与上位机通信连接。
本发明优点在于保证基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪正常进靶、退靶、打靶的基础上，进一步提高了X轴、Y轴编码器部分设计，采用小巧的三通道增量式光栅编码器，两个通道正交输出指数脉冲，第三通道索引输出，实现零位校正功能。FPGA控制芯片采集X轴、Y轴编码器的反馈信号，可以有效地提取和识别X轴、Y轴编码器的错误脉冲，大大提高了所述XY平台运行过程中的精确度。
附图说明
图1是本发明所述基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪的原理示意图。
图2是本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图2所示，本发明所述基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪XY平台控制系统，包括控制器1，拖动所述XY平台沿X坐标轴和Y坐标轴移动的X轴真空步进电机、Y轴真空步进电机；用于检测X轴真空步进电机、Y轴真空步进电机步进数据的X轴编码器、Y轴编码器，和用于限制X轴、Y轴真空步进电机沿X坐标轴、Y坐标轴移动极限位置的X轴行程限位开关、Y轴行程限位开关；控制器1由内嵌有27MHz晶体振荡器的FPGA控制芯片（FPGA：英文Field－Programmable Gate Array的缩写，现场可编程门阵列）和两个K型热电偶模数转换器组成。
FPGA控制芯片的输出控制端分别与X轴真空步进电机、Y轴真空步进电机的步进驱动器输入控制端连接；X轴编码器、Y轴编码器分别将采集的X轴真空步进电机、Y轴真空步进电机的步进数据信号输出给FPGA控制芯片；X轴行程限位开关、Y轴行程限位开关的信号输出端分别与FPGA控制芯片的信号输入端连接；FPGA控制芯片的通信接口通过PIC单片机（型号：18LF4620，为44引脚增强型闪存微控制器）与上位机通信连接，PIC单片机把上位机发送过来的信息转换为FPGA控制芯片最易识别的信息，同时，PIC单片机也把FPGA控制芯片发送的信息转换为标准通信协议再传送给上位机。
采用PIC单片机与上位机进行通信的目的是：虽然FPGA控制芯片可以不通过PIC单片机即可与上位机通信，但是会加大FPGA控制芯片的配置难度，且占用FPGA控制芯片资源增多，最重要的是会使得开发周期延长。另外，此款PIC单片机采用纳瓦技术，在待机模式下的电流消耗仅为0.1μA，在2V-5.5V电压下均能正常工作，能够以最低功耗实现要求的性能。
X轴行程限位开关、Y轴行程限位开关均采用按键式限位开关，按键压力为0.74N，按键寿命达到2000万次，触点材质为银合金，额定电压5VDC,电流100mA，耐高温至65℃。
X轴、Y轴真空步进电机选用VSS系列步进电机，因这一系列步进电机是在真空条件下使用的，所以也称为真空步进电机；真空环境的使用消除了空气中微粒震动对步进电机使用的影响，其内置有PT100电阻传感器用来监测绕组的温度；该真空步进电机为两相步进电机，步距角均为1.8°，步进电机驱动器细分为64，真空度达到10-7 mbar，温度变化在-20℃～+200℃之间，最大耐压值为50V/AC，额定电流为0.8A。
X轴编码器和Y轴编码器选用三通道增量式光栅编码器，其中两个通道正交输出指数脉冲，第三通道索引输出，实现零位校正功能。
27MHz晶体振荡器配合FPGA控制芯片使得X轴、Y轴真空步进电机对操作人员的指令响应更加及时，测试所得数据在操作人员发送进靶命令后约56s进靶动作完成，操作人员发送退靶命令约80s退靶动作完成，操作人员发送复位命令约80s复位动作完成，自动打样2200个样品点以后位置误差仅在3步之内。
两个K型热电偶模数转换器选用美国MAXIM公司生产的带有冷端补偿、线性校正、热电偶断线检测的串行K型热电偶模数转换器（型号：MAX6675，温度分辨率为0.25℃，可读数最高位+1024℃），其信号输入端分别与对应的X轴真空步进电机、Y轴真空步进电机内置的PT100电阻传感器信号输出端连接，对PT100电阻传感器输出的信号进行冷端补偿并且转换为数字信号，然后进行12位分辨率输出给FPGA控制芯片。

Claims (5)

1.一种基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪XY平台控制系统，包括控制器，拖动所述XY平台沿X坐标轴和Y坐标轴移动的X轴真空步进电机、Y轴真空步进电机，用于检测所述X轴真空步进电机、Y轴真空步进电机步进数据的X轴编码器、Y轴编码器，以及X轴行程限位开关、Y轴行程限位开关；其特征在于：所述控制器由内嵌有27MHz晶体振荡器的FPGA控制芯片和两个K型热电偶模数转换器组成；所述两个K型热电偶模数转换器的信号输入端分别与对应的X轴真空步进电机、Y轴真空步进电机内置的PT100电阻传感器信号输出端连接；FPGA控制芯片的输出控制端分别与X轴真空步进电机、Y轴真空步进电机的步进驱动器输入控制端连接；所述X轴编码器、Y轴编码器分别将采集的X轴真空步进电机、Y轴真空步进电机的步进数据信号输出给FPGA控制芯片；所述X轴行程限位开关、Y轴行程限位开关的信号输出端分别与FPGA控制芯片的信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪XY平台控制系统，其特征在于：所述X轴编码器、Y轴编码器均为三通道增量式光栅编码器，或绝对型编码器。
3.根据权利要求1或2所述的基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪XY平台控制系统，其特征在于：所述X轴行程限位开关、Y轴行程限位开关均为按键式限位开关，或光电式限位开关。
4.根据权利要求1或2所述的基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪XY平台控制系统，其特征在于：所述X轴真空步进电机、Y轴真空步进电机的步距角均为1.8°，所述步进电机驱动器细分为64。
5.根据权利要求1或2所述的基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪XY平台控制系统，其特征在于：所述FPGA控制芯片的通信接口通过PIC单片机与上位机通信连接。
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