CN111812187A - 应用于faims的多线程一体化集成式主控系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种应用于FAIMS的多线程一体化集成式主控系统包括核心芯片电路、信号采集电路以及通信电路，核心芯片电路包括上位机主控模块和下位机主控模块，上位机主控模块初始化FAIMS配置参数，根据已配置参数输出控制指令至下位机主控模块，下位机主控模块根据控制指令输出控制信号至FAIMS中迁移区、并控制信号采集电路采集FAIMS中极板上离子，信号采集电路将采集到的离子数据通过下位机主控模块上传至上位机主控模块。整个系统中，由上位机主控模块来完成FAIMS配置参数初始化和后续离子数据归集，由下位机主控模块来完成信号控制输出和信号采集控制，采用上下位机协作的方实现了高效采集FAIMS中离子数据。

Description

应用于FAIMS的多线程一体化集成式主控系统

技术领域

本申请涉及电子电路技术领域，特别是涉及一种应用于FAIMS(High-fieldAsymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometry，高场非对称波形离子迁移谱)的多线程一体化集成式主控系统。

背景技术

高场非对称波形离子迁移谱是一种通过离子的迁移率随电场强度变化而变化的特性，从而分离和检测不同化学物质种类的技术，FAIMS因其具有高灵敏度，低功耗等优点而得到广泛应用。

在实际应用中待测样品在离化室被电离成带电离子，在载气的作用下，将离子送至迁移区，实验中采用高场非对称方波射频电压和补偿电压来分离离子，利用偏转电极收集到达检测区极板的离子，在射频电压和补偿电压的双重作用下，使其具有特定的补偿电压的离子信号通过迁移区到达检测区，在偏转电极的作用下，将离子信号打到上极板，并将其转化为电流信号，用微弱检测电流装置采集，上位机采集同一时刻的离子电流数据和补偿电压数据并实时绘制出该样品的FAIMS谱图。

目前大部分的FAIMS采集系统均使用单一处理器芯片来进行数据采集和处理，不能同时进行数据的采集和传递，降低了FAIMS整体的采集效率与传输速度，且前端和后端接口单一，不利于FAIMS系统的调试和使用。此外，目前主流的WinCE平台的可用内存只有30M，存储文件还需外挂SD卡。因此，有必要提供全新的应用于FAIMS的控制系统，以显著提升FAIMS的数据采集效率。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种可以显著提升FAIMS数据采集效率的主控系统。

一种应用于FAIMS的多线程一体化集成式主控系统，所述系统包括核心芯片电路、信号采集电路以及通信电路，所述核心芯片电路包括上位机主控模块和下位机主控模块；

所述上位机主控模块与所述下位机主控模块连接，所述下位机主控模块与所述信号采集电路连接，所述通信电路分别与所述上位机主控模块以及所述下位机主控模块连接，所述下位机主控模块与FAIMS中迁移区连接；

所述上位机主控模块初始化FAIMS配置参数，根据已配置参数输出控制指令至所述下位机主控模块，所述下位机主控模块根据所述控制指令输出控制信号至所述FAIMS中迁移区、并控制所述信号采集电路采集所述FAIMS中极板上离子，所述信号采集电路将采集到的离子数据通过所述下位机主控模块上传至所述上位机主控模块，所述上位机主控模块通过所述通信电路外发所述离子数据。

可选地，所述上位机主控模块包括AT91SAM3X芯片。

可选地，所述下位机主控模块包括STM32F103RCT6和PWM(Pulse WidthModulation，脉宽调制)模块，所述通信电路包括Atmega32U4；所述STM32F103RCT6以及所述Atmega32U4分别与所述上位机主控模块连接，所述STM32F103RCT6与所述PWM模块连接，所述PWM模块在所述STM32F103RCT6控制下输出PWM信号至所述FAIMS中迁移区。

可选地，所述信号采集电路包括ADC芯片和参考电压芯片，所述ADC芯片与所述下位机主控模块连接，所述参考电压芯片与所述ADC芯片连接。

可选地，所述ADC芯片包括AD7710ARZ芯片，所述参考电压芯片包括REF3040芯片。

可选地，上述应用于FAIMS的多线程一体化集成式主控系统还包括电压补偿模块，所述电压补偿模块与上位机主控模块连接。

可选地，上述应用于FAIMS的多线程一体化集成式主控系统还包括自动调零模块，所述信号采集电路通过所述自动调零模块与所述下位机主控模块连接。

可选地，上述应用于FAIMS的多线程一体化集成式主控系统还包括Keithley模块，所述Keithley模块与所述下位机主控模块连接。

可选地，所述通信电路包括USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)模块，所述USB模块与所述上位机主控模块连接。

可选地，所述通信电路包括蓝牙模块，所述蓝牙模块与所述下位机主控模块连接。

本申请提供的应用于FAIMS的多线程一体化集成式主控系统的有益效果在于：该系统包括核心芯片电路、信号采集电路以及通信电路，所述核心芯片电路包括上位机主控模块和下位机主控模块，所述上位机主控模块初始化FAIMS配置参数，根据已配置参数输出控制指令至所述下位机主控模块，所述下位机主控模块根据所述控制指令输出控制信号至所述FAIMS中迁移区、并控制所述信号采集电路采集所述FAIMS中极板上离子，所述信号采集电路将采集到的离子数据通过所述下位机主控模块上传至所述上位机主控模块，所述上位机主控模块通过所述通信电路外发所述离子数据。整个系统中，由上位机主控模块来完成FAIMS配置参数初始化和后续离子数据归集，由下位机主控模块来完成信号控制输出和信号采集控制，采用上下位机协作的方实现了高效采集FAIMS中离子数据。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一个实施例中FAIMS检测原理示意图；

图2为一个实施例中应用于FAIMS的多线程一体化集成式主控系统的结构框图；

图3为另一个实施例中应用于FAIMS的多线程一体化集成式主控系统的结构框图；

图4为上位机主控模块和下位机主控模块构建的核心部分电路原理示意图；

图5为信号采集电路中ADC部分的电路原理示意图；

图6为电压补偿模块的电路原理示意图；

图7为自动调零模块的电路原理示意图；

图8为USB模块的电路原理示意图；

图9为Keithley模块的电路原理示意图；

图10为负载电流采集模块的电路原理示意图；

图11为电源模块的电路原理示意图；

图12为在其中一个应用实例中本申请应用于FAIMS的多线程一体化集成式主控系统的结构框图；

图13为应用于FAIMS的多线程一体化集成式主控系统上电后执行操作的流程示意图；

图14为-3.5kV～-6kV HDC250V FAIMS实验谱图；

图15为250V～350V FAIMS实验谱图。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

为了更进一步详细解释本申请应用于FAIMS的多线程一体化集成式主控系统的技术方案及其效果，下面将首先针对FAIMS检测的技术原理进行解释。

如图1所示，FAIMS系统通常由气体通路、进样单元、电源设计、微电流检测、谱图显示以及FAIMS芯片设计等六个部分。待测样品在离化室被电离成带电离子，在载气的作用下，将离子送至迁移区，实验中采用高场非对称方波射频电压和补偿电压来分离离子，利用偏转电极收集到达检测区极板的离子，在射频电压和补偿电压的双重作用下，使其具有特定的补偿电压的离子信号通过迁移区到达检测区，在偏转电极的作用下，将离子信号打到上极板，并将其转化为电流信号，FAIMS检测原理如图1所示，用微弱检测电流装置采集，上位机采集同一时刻的离子电流数据和补偿电压数据并实时绘制出该样品的FAIMS谱图。

如图2所示，一种应用于FAIMS的多线程一体化集成式主控系统，系统包括核心芯片电路、信号采集电路300以及通信电路400，核心芯片电路包括上位机主控模块100和下位机主控模块200；上位机主控模块100与下位机主控模块200连接，下位机主控模块200与信号采集电路300连接，通信电路400分别与上位机主控模块100以及下位机主控模块200连接，下位机主控模块200与FAIMS中迁移区连接；

上位机主控模块100初始化FAIMS配置参数，根据已配置参数输出控制指令至下位机主控模块200，下位机主控模块200根据控制指令输出控制信号至FAIMS中迁移区、并控制信号采集电路300采集FAIMS中极板上离子，信号采集电路300将采集到的离子数据通过下位机主控模块200上传至上位机主控模块100，上位机主控模块100通过通信电路400外发离子数据。

上位机主控模块100和下位机主控模块200可以理解为两个单片机，其各自实现各自的功能，具体来说，上位机负责响应操作者(用户)针对本次FAIMS检测设定或导入的配置参数，将这些配置参数(后续会针对配置参数做出进一步描述)初始化，完成整个FAIMS的配置初始化，在初始化后上位机主控模块100会生成控制指令，并将控制指令输出值下位机也完成对下位机的控制；并且上位机主控模块100最终还会归集信号采集电路300采集到的离子数据，将这些离子数据通过通信电路400打包发送出去，例如可以发送至外部PC机，在PC机上完成相应的绘图(FAIMS谱图)。下位机主控模块200接收上位机发送的控制指令，基于该控制指令输出本次测试所需的控制信号，控制信号输出至FAIMS中迁移区，对射入迁移区中的离子进行筛选，筛选出的离子会打在极板上，在极板上将会产生对应的电信号，下位机主控模块200基于控制指令控制信号采集电路300按照所需的采样周期/频率采集离子数据，信号采集电路300将采集到的离子数据发送至上位机主控模块100。具体来说，控制信号可以为PWM信号。通信电路400用于支持上位机主控模块100以及下位机主控模块200实现与外部进行数据交互的功能。

FAIMS配置参数可以是外部直接导入至上位机中的控制参数或由操作人员设置对应的配置参数。

上位机主控模块100和下位机主控模块200是整个应用于FAIMS的多线程一体化集成式主控系统核心部分，具体来说，芯片上电后系统会在用户没有给出采集值的情况下，进行装填阈值。用户可以通过发送初始化指令来控制采集参数。参数代码在软件工程中的注释内容：

//控制初始化代码:S0000C0000T0000。

//取值范围:

//补偿电压跨度S:0000-2046对应13.5V-0V。

//采样密度C:0001-4096对应1-4096个点。

//采样步长时间T:0001-1000对应10ms-1010ms。

//D:数据处理命令(在初始化命令后使用)。

//A:波形实时显示命令(必须在初始化命令前使用)。

//K:Keithley模式(必须在初始化命令前使用，默认为实时显示，不能与实时显示同时使用)。

//P:显示当前系统参数。

//F:进入修改系统参数模式。

//系统参数修改代码:A0000N0000O0000Z0000。

//取值范围:

//自动调零开关A:0000或0001代表OFF/ON。

//负电流采集开关N:0000或0001代表OFF/ON。

//调零误差O:0001-0200对应正负0.01pA～正负2pA(设置自动调零的结果范围，越小越慢)。

//零点偏移Z:0000-0050对应0pA～50pA(设置0偏移量，规避负电流溢出最大不得超过50)。

//设置成功后提示Succeed！并退出系统参数修改模式。

//X:Killer_APP杀掉当前系统进程(X可在ASCT、KSCT、SCTD、自动调零进程中使用)

上述应用于FAIMS的多线程一体化集成式主控系统包括核心芯片电路、信号采集电路300以及通信电路400，核心芯片电路包括上位机主控模块100和下位机主控模块200，上位机主控模块100初始化FAIMS配置参数，根据已配置参数输出控制指令至下位机主控模块200，下位机主控模块200根据控制指令输出控制信号至FAIMS中迁移区、并控制信号采集电路300采集FAIMS中极板上离子，信号采集电路300将采集到的离子数据通过下位机主控模块200上传至上位机主控模块100，上位机主控模块100通过通信电路400外发离子数据。整个系统中，由上位机主控模块100来完成FAIMS配置参数初始化和后续离子数据归集，由下位机主控模块200来完成信号控制输出和信号采集控制，采用上下位机协作的方实现了高效采集FAIMS中离子数据。

如图3所示，在其中一个实施例中，上位机主控模块100包括AT91SAM3X芯片；下位机主控模块200包括STM32F103RCT6和PWM模块，通信电路400包括Atmega32U4；STM32F103RCT6以及Atmega32U4分别与上位机主控模块100连接，STM32F103RCT6与PWM模块连接，PWM模块在STM32F103RCT6控制下输出PWM信号至FAIMS中迁移区。

在上述实施例中，下位机主控模块200采用STM32芯片，继续深入研究发现由于STM32内部DAC(数字模拟转换器，Digital to analog converter)的特殊性，以及内部参考电压的特殊性，使得系统补偿电压电路在临界点工作时会耦合较大的杂波干扰，导致干扰通过补偿极板，影响前级检测fA电流计准确度。这种干扰是STM32系列芯片内部设计所带来的问题，所以尝试采用一片AT91SAM3X构建上位机主控模块100；采用一片STM32F103RCT6构建下位机主控模块200以及一片Atmega32U4构建通信电路400，由此来完成上位机主控模块100、下位机主控模块200以及通信电路400的构建，在本实施例中AT91SAM3X用于初始化FAIMS配置参数以及后续离子数据归集；STM32F103RCT6用于产生控制信号控制FAIMS迁移区过滤离子，Atmega32U4用于协助AT91SAM3X完成数据外发功能，其对应的部分电路如图4所示，采用上述芯片选取方式的方案很有效地解决了补偿电压由于芯片内部设计导致的干扰耦合问题。更具体来说，STM32F103RCT6负责控制PWM模块产生PWM控制信号，输出PWM控制信号来操作在迁移区中的迁移电压，Atmega32U4负责与上位机主控模块100通信，其具体可以通过RS232串口与上位机主控模块100连接；在上位机主控模块100中AT91SAM3X用于操作数据以及读取数据。

如图3所示，在其中一个实施例中，信号采集电路300包括ADC芯片320和参考电压芯片340，ADC芯片320与下位机主控模块200连接，参考电压芯片340与ADC芯片320连接。

在上位机主控模块100中原始设计有数据采集功能，但是若由上位机主控模块100来实现数据采集其数据采集效率较低而且噪音较大。以上位机主控模块100包括AT91SAM3X芯片为例，AT91SAM3X芯片内部的ADC，这是信号采集最简单的方案，其控制简单，硬件简单，外围电路简单，对环境和制板布线要求较低。但是在实际测试过程中发现主控内部ADC分辨率为12位4096级分辨率，经过计算不能较好地检测前级信号，且本身噪声较大，引起信号失真。因此，在本实施例中，未直接采用AT91SAM3X芯片内部的ADC，而是而外在信号采集电路300中设置ADC芯片320并且配套对应的参考电压芯片340。具体如图5所示，可以选择AD7710ARZ贴片型双积分24位16777216级电压分辨率的ADC进行信号采集。由于采用REF3040芯片作为ADC参考电压。故选用5V双电源为ADC供电。但是控制芯片为32位系列3.3V控制器，故选用一片逻辑电平变换器来转换通信数据线电压。电压换算电流公式：C＝Vin*409.6/16777216(pA)；其中C为采集到的电流值，Vin为前级输入ADC的电压。为保证高采集精度，高信噪比的前提下，使用了外部AD。虽然电路设计和代码编写变得较为复杂，但系统性能得到很大提升。

如图3所示，在其中一个实施例中，上述应用于FAIMS的多线程一体化集成式主控系统还包括电压补偿模块500，电压补偿模块500与上位机主控模块100连接。

电压补偿模块500与上位机主控模块100连接，其用于提供补偿电压。具体来说，电压补偿模块500可以由多个串联的双极性运算放大器组成；更进一步来说，可以由3片低噪声非斩波双极性运算放大器OP07构成，如图6所示。前级是一个直流偏置电路，将DA电压1.65V偏置到0V基准线。由后级放大电路将输出电压放大至正负13.5V。由主控的双通道DAC控制模拟部分工作，产生补偿电压。补偿电压步长精度6.5mV。补偿电压：Vout＝S/2047；0<S<13.5(V)；其中Vout为补偿电压步长，S为上位机主控模块100设定的参数。如图6所示，第七电容C7和第八电容C8并联，第七电容C7和第八电容C8的一端均与第三电阻R3连接，第七电容C7和第八电容C8的另一端均接地；第三电阻R3的另一端分别与第一电阻R1一端以及第一双极性运算放大器OP07-1的反向输入端连接，第一电阻R1的另一端与第一双极性运算放大器OP07-1的输出端连接，第一双极性运算放大器OP07-1的输出端与第四电阻R4的一端连接，第四电阻R4的另一端与第二电阻R2的一端以及第二双极性运算放大器OP07-2的反向输入端连接，第二双极性运算放大器OP07-2的正向输入端通过第五电阻R5接地，第二电阻R2的另一端与，第二双极性运算放大器OP07-2的输出端连接，第二双极性运算放大器OP07-2的输出端与第三双极性运算放大器OP07-3的正向输入端连接，第三双极性运算放大器OP07-3的反向输入端与其输出端连接。

如图3所示，在其中一个实施例中，上述应用于FAIMS的多线程一体化集成式主控系统还包括自动调零模块600，信号采集电路300通过自动调零模块600与下位机主控模块200连接。

自动调零模块600用于提供自动调零功能，其分别与信号采集电路300以及下位机主控模块200连接。在实际应用中，自动调零模块600可以由多个双极性运算放大器，以及外加可调电压源和一个加法器构成；更进一步来说，可以由3片低噪声非斩波双极性运算放大器OP07构成、外加可调电压源和一个加法器构成，其具体电路结构如图7所示，先将FOT接入0V再将OFFSET端输入1.65V参考电压。通过手动调节U5输入电压使Vo端输出0V完成电路初始调零。电路校准后自动调零过程通过OFFSET端与Vo端的半闭环控制来实现最大正负110pA的电流基线幅度控制。其中调零步长精度0.053pA。调零是使用支路选择优先的方法，快速找到零点方向，然后再根据回跳溢出量来确定距离0点的大致位置。最后使用二分法逐级逼近找到用户设置的参数零点。整个调零过程最大极限耗时42s，在电路正常工作的状态下通常初次调零耗时约20s，多次工作后的温漂修正调零约耗时1-5s。引入自动调零电路的优点在于有效抑制了微弱电流采集前级的温度漂移问题，同时有效解决正向AD采样负微弱电流的问题，提高了系统的抗干扰能力及性能指标。调零电压公式：Vzero＝(Vref/2-Vref/6)/2047(V)；Vzero为调零电压步长，Vref为核心参考电压。如图7所示，第四OP07的反向输入端与第十六电容C16的一端以及第十一电阻R11的一端连接，第四OP07输出端与第十六电容C16的另一端以及第十一电阻R11的另一端连接，第十一电阻R11的一端与第十二电阻R12的一端连接，第十二电阻R12的另一端与第五OP07输出端连接，第五OP07的正向输入端分别与第十九电容C19的一端、第十三电阻R13的一端以及第十四电阻R14的一端连接，第十三电阻R13的另一端以及第十四电阻R14的另一端接地；第五OP07反向输入端与第十六电阻R16的一端、第十七电阻R17的一端以及第二十二电容R22的一端连接，第十七电阻R17的另一端以及第二十二电容R22的另一端与第五OP07输出端连接；第四OP07输出端与第八电阻R8的一端连接，第八电阻R8的另一端分别与第十二电容C12的一端、第九电阻R9的一端以及第六OP07的反向输入端连接，第十二电容C12的另一端、第九电阻R9的另一端与第六OP07的输出端连接，第六OP07的正向输入端与第十五电阻R15的一端连接。

如图3所示，在其中一个实施例中，通信电路400包括USB模块420，USB模块420与上位机主控模块100连接。

USB模块420与上位机主控模块100连接用于从上位机主控模块100中读取数据至PC端，或将PC设置的数据写入至上位机主控模块100中。具体来说，可以使用直接使用上位机主控模块100中Atmega32U4作为USB接口电路，如图8，这样设计有两个目的。第一通过指定USB识别符配合PC端的lib32usb库编写简易的驱动程序，可以实现具有一定通配符名称的USB设备，对于一个集成化的主控来说，便于设备的识别和上位机主控模块100的自动连接，提高了连接设备的易用性和辨识度。下位机主控模块200使用了LUFA开源工程的A_USBSerial库编写驱动。同时用两个数字I/O口控制两颗LED灯指示串口通信数据流。在USB电路上集成了电源隔离和500mA电流自恢复保险丝作为系统保护，提高安全性，防止因各种问题导致主控板或电脑USB根控制器损坏。

如图3所示，在其中一个实施例中，上述应用于FAIMS的多线程一体化集成式主控系统还包括Keithley模块700，Keithley模块700与下位机主控模块200连接。

Keithley模块700用于完成数据采集和计数，其具体可以通过RS232与下位机主控模块200通信。具体来说，Keithley微弱电流计通信工作方式为RS232；下位机主控模块200中芯片的串行通信电平为TTL(Transistor-Transistor Logic，逻辑门电路)，故需要设计RS232转换TTL的电路来桥接核心和微弱电流计。与Keithley模块700之间的电路桥可以使用SP232或MAX232芯片，两款芯片在功能方面并没有太大差异，相对于使用双多功能串口芯片其硬件方面更为简单，简单的硬件带来的电路可靠性就更强，使用MAX232实现与Keithley设备的通信硬件，电路原理图如图9所示。

如图3所示，在其中一个实施例中，通信电路400包括蓝牙模块440，蓝牙模块440与下位机主控模块200连接。

为迎合FAIMS系统小型化，便捷化的前提，上述应用于FAIMS的多线程一体化集成式主控系统增加了蓝牙发射模块，可以与无线终端通信。即可通过手机或平板电脑等设备直接获取采集数据，提高了上位机的适应性，增加了灵活程度。在硬件选型方面，常见的蓝牙收发模块通常为HC-系列，具备主从一体的串口数据收发功能。还有CC2530等常见的蓝牙芯片，可做一体化系统设计。使用CC2530作为蓝牙发射模块，该芯片拓展性强，指令集功能齐全。使用HC-08作为蓝牙发射模块，HC系列的蓝牙芯片内置AT指令集，只需通过简单的配置就可实现串口数据透传，且外围电路较为简单。

其中一个实施例中，上述应用于FAIMS的多线程一体化集成式主控系统还包括负电流采集模块。由于信号采集电路300中ADC部分只能采集正Vref至负Vref/400的电压信号。虽然使用了基线调整的方式，但在使用离子风作为电离信号源的时候量程出现了不足的情况。为了满足系统的适用性，在经过调试设计后，使用了一片低噪声非斩波双极性运算放大器OP07，设计了一个同反相可控电路，如图10所示，可以通过SELECT端的高低电平来实现ADI和ADO端的信号同反相变换。通过核心芯片控制SELECT脚电平高低来控制输入输出信号的相位差在0或180变化。使ADC的输入电压始终在正半周，通过这种方法，在不大幅改动电路设计的情况下拓展量程为原始系统的两倍，电平翻转通频带宽0-450HZ。

如图4所示，其中一个实施例中，上述应用于FAIMS的多线程一体化集成式主控系统还包括电源模块800，电源模块800分别与上位机主控模块100和下位机主控模块200连接。非必要的，电源模块800中可以使用隔离电阻分开各个电源的供应，防止上、下位机主控模块200之间相互干扰，其具体电路结构如图11所示。

在实时应用中，本申请应用于FAIMS的多线程一体化集成式主控系统在其中一个应用实例中的结构框图如图12所示，在上电操作时，其部分处理流程如图13所示，具体来说，上位机主控模块100响应用户针对整个系统一些配置操作，上位机主控模块100发送采集设定命令后，下位机主控模块200将运算并定制好采样所需的扫描电压数据表，之后系统开始运作，检测级前级输入的电压信号，经过在由核心设置了参数的电平翻转器和电平调节器后，以合适的量程输入高精度ADC(信号采集电路300)，ADC将采集得到的电压值转换为24位数据，通过电平转换器发送到上位机主控模块100，同时自动调零算法开始工作，直到调零电路将信号调制到上位机设置好的零点阈值，此时整套系统初始化完成，上位机主控模块100将依照数据表控制产生一组电压，在每一个电压点采集一次电流数据。之后将用户设定了密度的数据打包添加包头包尾，通过USB控制器发送到PC端上位机绘制谱图。用户可以设定系统多种采集模式，包含分析模式、凯瑟琳模式、实时模式。每种采集模式都包含对应的参数设定和功能。在实时显示模式下上位机可定义补偿电压范围最大-13.5V～+13.5V，最小-0.0066V～+0.0066V，可自定义采样密度最大4096，最小1，可自定义采样步长时间最小1ms，最大1000ms。在凯瑟琳模式下扫描电压设置范围不变，密度和步长时间由于凯瑟琳工作速度较慢，会被限制在密度最大200步长最小600ms；在分析模式下，系统会直接输出ADC未滤波的原始数据，用于电路检查和分析。非对称方波信号源即PWM发生器单独工作，可与主核心通信，改变其装填参数。

为进一步说明本申请应用于FAIMS的多线程一体化集成式主控系统的效果，下面将采用两个实验实例详细说明。

实验原理

实验通过搭建FAIMS采集系统，分别使用针环离子源、紫外灯离子源作为信号源采集乙醇的电离信号和丙酮的FAIMS谱图来验证主控板的设计可靠性以及采集效率和性能方面的提升。紫外灯离子源分为进样室、电离室、迁移区、检测区；采用氮气作为载气通过FAIMS气体通路进入进样室，与具有挥发性的有机物混合进入紫外灯电离室。有机物丙酮在紫外线的作用下被轰击，电离成不同特性具有正电性和负电性的碎片离子。被电离的离子在载气的作用下进入迁移区，通过补偿电压变化，控制特定种类的离子通过迁移区后到达检测区，在偏转电极的作用下发生偏转打在检测极板上，并形成微弱电流。通过测量不同补偿电压对应的微弱电流值即测得丙酮的FAIMS谱图。

实验一

使用乙醇为被测物质，气体流速0.8L，采用针环离子源作为电离方案。分别加-3.5kV～-6kV高压，每0.5kV步进进行采集测试，将多次数据采集存储。使用Origin绘图，结果如图14。可以看出实验所得波形数据连续重复性强，本次实验除去器材准备及设备调试时间8次实验数据采集总耗时约6min。

实验二

使用丙酮为被测物质，气体流速0.8L，采用紫外灯离子源作为电离方案。分别加250V～350V射频电压，进行采集测试，将多次数据采集存储绘图得到FAIMS谱图，如图15。实现了丙酮FAIMS数据的采集，符合预期标准。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于FAIMS的多线程一体化集成式主控系统，其特征在于，所述系统包括核心芯片电路、信号采集电路以及通信电路，所述核心芯片电路包括上位机主控模块和下位机主控模块；

所述上位机主控模块与所述下位机主控模块连接，所述下位机主控模块与所述信号采集电路连接，所述通信电路分别与所述上位机主控模块以及所述下位机主控模块连接，所述下位机主控模块与FAIMS中迁移区连接；

所述上位机主控模块初始化FAIMS配置参数，根据已配置参数输出控制指令至所述下位机主控模块，所述下位机主控模块根据所述控制指令输出控制信号至所述FAIMS中迁移区、并控制所述信号采集电路采集所述FAIMS中极板上离子，所述信号采集电路将采集到的离子数据通过所述下位机主控模块上传至所述上位机主控模块，所述上位机主控模块通过所述通信电路外发所述离子数据。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上位机主控模块包括AT91SAM3X芯片。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述下位机主控模块包括STM32F103RCT6和PWM模块，所述通信电路包括Atmega32U4；所述STM32F103RCT6以及所述Atmega32U4分别与所述上位机主控模块连接，所述STM32F103RCT6与所述PWM模块连接，所述PWM模块在所述STM32F103RCT6控制下输出PWM信号至所述FAIMS中迁移区。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号采集电路包括ADC芯片和参考电压芯片，所述ADC芯片与所述下位机主控模块连接，所述参考电压芯片与所述ADC芯片连接。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述ADC芯片包括AD7710ARZ芯片，所述参考电压芯片包括REF3040芯片。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括电压补偿模块，所述电压补偿模块与上位机主控模块连接。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括自动调零模块，所述信号采集电路通过所述自动调零模块与所述下位机主控模块连接。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括Keithley模块，所述Keithley模块与所述下位机主控模块连接。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述通信电路包括USB模块，所述USB模块与所述上位机主控模块连接。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述通信电路包括蓝牙模块，所述蓝牙模块与所述下位机主控模块连接。

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