CN208334200U - 一种基于dmd的色散型原子荧光光谱仪的测控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于DMD的色散型原子荧光光谱仪的测控系统，包括母板、灯板、色散采集控制板、非色散采集控制板和参比道控制板共5块PCB板；灯板、色散采集控制板、非色散采集控制板和参比道控制板通过插座与母板硬连接，并且色散采集控制板、非色散采集控制板和参比道控制板分别由屏蔽盒包裹；每个屏蔽盒上的外接接口包括一个PMT供电接口和一个PMT信号采集接口。本实用新型集成度高，稳定性好，能够配合DMD控制板的控制使光谱仪的光源、色散检测系统、非色散检测系统和光源谱线校正系统进行协调、有序的工作。

Description

一种基于DMD的色散型原子荧光光谱仪的测控系统

技术领域：

本实用新型涉及原子荧光光谱技术领域，具体为一种基于DMD的新型色散型原子荧光光谱仪的测控系统。

背景技术：

原子荧光光谱法是一种对目标元素基态原子受到特定频率辐射光激发产生的荧光光谱进行采集、处理、分析并最终获得元素定性定量信息的检测方法，原子荧光光谱仪是基于此方法设计生产的。现有原子荧光技术中，采用氢化物发生的方法使目标元素反应生成相应的氢化物，与难原子化易产生金属氧化物的高温元素分离以消除对目标元素测试的干扰。但能被氢化物分离的元素只有砷、锑、铋、汞等12种无机重金属元素。原子荧光光谱仪目前广泛应用于环境监测、食品卫生、水质监测等领域。

现有的AFS(原子荧光光谱仪)都为非色散AFS，测量目标元素的原子荧光总量，具有可以检测广泛波长、灵活性大、速度快、灵敏度高、背景低、多通道同时检测等优势，但是由于非色散AFS光学系统存在光谱干扰问题，使得有些元素无法得到准确的测量结果。为解决以上问题，进而提供基于DMD的AFS。

DMD是由美国德州仪器公司开发设计的数字微镜装置，是一种微电机系统，同时作为反射式光调节器，可实现空间光的快速选择。目前是精度最高、速度最快的光开关，以DMD为核心器件的数字光处理技术目前已经广泛应用在光学投影、光学度量、光纤网络和光谱分析等领域，具有良好的应用发展和广泛的市场前景。

目前研发的基于DMD的新型AFS，目标为：通过DMD技术，能够测量不同元素谱线来实现原子荧光的全谱、多通道、多信息的快速检测，最终结果将根据DMD对应波长位置所检测到的荧光强度绘制谱图，并对结果进行处理和分析。其中，DMD控制板采用含有XILINX公司的型号为xcv5vlx50-ff1153的FPJA芯片进行控制，与上位机通讯方式为网口通讯，上位机软件XXX通过设置各项参数，并显示谱图。对于下位机硬件电路部分，采用以DMD控制板为核心，所以基于以上，需研制测控系统，开发仪器系统新研制部件和已有部件的控制接口和系统同步控制技术，实现测控系统配合DMD控制板的控制进行高效、协调、快速、有序的工作。

发明内容：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于DMD的色散型原子荧光光谱仪的测控系统，该系统集成度高、稳定性好，能够配合DMD控制板的控制使光谱仪的光源、色散检测系统、非色散检测系统和光源谱线校正系统进行协调、有序的工作。

为了解决上述技术问题，本实用新型的基于DMD的色散型原子荧光光谱仪的测控系统，包括母板、灯板、色散采集控制板、非色散采集控制板和参比道控制板共5块PCB板；灯板、色散采集控制板、非色散采集控制板和参比道控制板通过插座与母板硬连接，并且色散采集控制板、非色散采集控制板和参比道控制板分别由屏蔽盒包裹；每个屏蔽盒上的外接接口包括一个PMT供电接口和一个PMT信号采集接口。

所述的PMT信号采集接口采用BNC插头。

所述母板上固定24V电源供电接口，24V转±12V电源转换模块，24V转5V电源转换模块，IO接口，LVDS总线，双路灯识别接口，CAN总线；外部电源24V直流电压通过24V电源供电接口给整个测控系统供电；24V直流电压经24V转±12V电源转换模块和24V转5V电源转换模块分别转换为±12V、5V直流电压提供给灯板、色散采集控制板、非色散采集控制板和参比道控制板；母板通过LVDS总线、IO接口和CAN总线与DMD控制板进行通信。

所述灯板上固定HCL供电高压模块、两路HCL驱动电路模块、STM32处理模块、DA模块、HCL灯识别模块以及A道HCL供电接口和B道HCL供电接口；两路HCL的灯座输出二进制的双道灯型号数据通过双路灯识别接口传输到HCL灯识别模块，HCL灯识别模块将双道灯型号数据整理为两路代表灯型号的二进制数字信号输入到STM32处理模块；STM32处理模块将二进制数字信号运算转化为十六进制的回复信号，通过CAN总线发送给DMD控制板；STM32处理模块通过CAN总线接收DMD控制板传输的需要设置的两路HCL灯电流，通过计算生成两路HCL驱动的数字信号进入到DA模块，DA模块将其转换生成两路HCL驱动电压到两路HCL驱动电路模块，生成预期的HCL灯电流；DMD控制板输出的点灯时序通过IO接口送入两路HCL驱动电路模块；24V直流电压输入到HCL供电高压模块产生300V电压并分成两路，同时两路HCL驱动电路模块将HCL灯电流与300V电压进行组合并通过A道HCL供电接口和B道HCL供电接口外接给两路HCL灯进行供电。

所述色散采集控制板包括信号调整电路模块、AD模块、负高压模块、DA模块；DMD控制板发出积分放电信号、扣背景信号、增益信号和相敏信号通过IO接口传输到信号调整电路模块；通过PMT信号采集接口采集的光谱仪色散检测系统PMT的微弱电流信号送入到信号调整电路模块，微弱电流信号首先在前端悬空引脚放大电路转换为微弱电压信号，在增益信号、扣背景信号、相敏信号的作用下，经增益放大、扣背景信号、转化为方波，最后在积分放电信号作用下得到直流电压；信号调整电路模块输出的直流电压进入到AD模块；AD模块将信号调整电路模块输出的直流电压转换为采集数据，该采集数据通过LVDS总线发送给DMD控制板；同时，DMD控制板发送DA控制数据控制DA模块将经LVDS总线输入的负高压控制数字信号转换为负高压控制电压信号到负高压模块，负高压模块生成的-200～-500V负高压电压通过PMT供电接口供给光谱仪色散检测系统的PMT。

所述信号调整电路模块包括增益控制接口、前端悬空引脚放大电路、普通放大电路、扣背景接口、减法器电路、相敏接口、积分放电接口和电荷储存电路；受增益控制接口输入的增益信号的作用，前端悬空引脚放大电路将微弱电流信号转换成微弱电压信号；扣背景接口输入的扣背景信号开始作用以控制减法器电路抵消背景电压；扣出了背景信号的微弱电压信号送入普通放大电路放大后输入到相敏接口；相敏信号由相敏接口输入，控制正弦波形的电压信号转换为方波；积分放电信号由积分放电接口输入到电荷储存电路，电荷储存电路在积分放电信号控制下将方波转换为直流电压输出到AD模块。

所述的非色散采集控制板和参比道控制板与色散采集控制板结构相同；非色散采集控制板通过PMT信号采集接口接收光谱仪非色散检测系统PMT的微弱电流信号，通过PMT供电接口输出光谱仪非色散检测系统的PMT所需的-200～-500V负高压；参比道控制板通过PMT信号采集接口接收光谱仪光源谱线校正系统的PMT的微弱电流信号，通过PMT供电接口输出光谱仪光源谱线校正系统的PMT所需的-200～-500V负高压。

与现有技术相比，本实用新型有益效果是：

(1)本实用新型采用母板插座硬连接方式以减少外接引线，增强集成度，提高稳定性。基于专用DMD控制板的强大功能，可通过LVDS总线、IO口及CAN总线对母板进行直连控制，对光源设备进行选择和控制，实现对色散、非色散信号和参比道信号的高速采集。

(2)区别于多通道非色散AFS按特定时序轮流点灯方式，本实用新型为可基于DMD的色散技术实现同时点灯，以提高检测工作时间上的快速性，将多通道分次检测改进为同时检测，可以避免原子荧光的不同时间光强度不同的影响，减小噪声影响，提高稳定性，同时节省目标元素溶液，目标元素溶液可以集中在一起进行检测。

(3)该种原子荧光光谱仪在新研发色散检测系统的同时保留了原有的非色散系统，同时还添加了参比道系统。本实用新型能够实现三个系统的同时测控，其优点是可在无光谱干扰的情况下发挥非色散荧光检测的高灵敏度优势的同时，色散荧光检测系统可执行对不同元素实现全谱选择和扫描检测的功能，以克服光谱干扰，而参比道系统则对光源谱线进行校正，以减小其他不必要的影响。

(4)对于光电信号的采集灵敏度及数据稳定性进行了提高和改善。采集部分电路板增添屏蔽盒，信号采集输入端采用悬空接脚方式以降低快速高压信号对采集器产生的噪声影响；同时，在相敏、增益和积分放电控制信号的基础上，增添了扣背景控制信号，可有效降低背景，提高信号强度，大幅度提高信噪比。

附图说明：

图1为本实用新型的结构框图。

图2为信号调整电路结构框图。

图3为本实用新型的立体结构图。

图中：1、24V电源供电接口；2、24V转±12V电源转换模块；3、24V转5V电源转换模块；4、母板；5、插座；6、STM32调试接口；7、B道HCL供电接口；8、A道HCL供电接口；9、色散采集控制板的屏蔽盒；10、色散采集板的PMT信号采集接口；11、非色散采集控制板的屏蔽盒；12、非色散采集板的PMT信号采集接口；13、参比道控制板的屏蔽盒；14、参比道板的PMT信号采集接口；15、参比道板的PMT供电接口；16、非色散采集板的PMT供电接口；17、色散采集板的PMT供电接口；18、LVDS总线；19、LVDS总线；20、LVDS总线；21、灯板；22、IO接口；23、HCL供电高压模块；24、双路灯识别接口；25、CAN总线；26、IO接口；27、IO接口。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细说明。

一、本实用新型功能结构

如图1、3所示，本实用新型的基于DMD的色散型原子荧光光谱仪的测控系统，主要由母板4、灯板21、色散采集控制板、非色散采集控制板和参比道控制板共5块PCB板组成。

PC(上位机)的专用软件通过网口控制DMD控制板，DMD控制板的控制核心为FPGA，通过LVDS总线、IO线及CAN总线25控制测控系统，使测控系统各模块协调工作。

如图1、3所示，母板4经插座5与灯板21硬连接进行供电和传输数据；色散采集控制板、非色散采集控制板和参比道控制板也通过插座与母板4硬连接进行供电和传输数据。为防止外界对需检测的微弱电流信号造成噪声干扰，色散采集控制板、非色散采集控制板和参比道控制板分别由全铁(或铜)的屏蔽盒9、11、13包裹。除了与母板4硬连接的插座外，外接接口只有PMT供电接口15、16、17和PMT信号采集接口10、12、14；PMT信号采集接口10、12、14均采用BNC插头。

一、母板4

如图1、3所示，母板4上固定24V电源供电接口1，24V转±12V电源转换模块2，24V转5V电源转换模块3，DMD信号消抖模块，IO接口22、26、27，LVDS总线18、19、20，双路灯识别接口24和CAN总线25。外部电源24V直流电压通过24V电源供电接口1给整个测控系统供电；24V直流电压经24V转±12V电源转换模块2和24V转5V电源转换模块3分别转换为±12V、5V直流电压提供给灯板21、色散采集控制板、非色散采集控制板和参比道控制板；母板4通过三根LVDS总线18、19、20与DMD控制板进行通信，实现快速传输部分数据(包括DA片选、DA时序、DA控制数据(数字信号)、AD片选、AD时序、AD控制数据(模拟信号)以及经过信号调整电路变换的采集数据)；因为LVDS总线为高速差分信号接口，所以需要生/解差分模块进行信号转换，再通向灯板21、色散采集控制板、非色散采集控制板和参比道控制板；IO接口22进行数据普速通信，传输色散采集控制板、非色散采集控制板和参比道控制板所需的增益信号、积分放电信号、相敏信号、扣背景信号以及AD忙信号、AD启动信号和灯板21的点灯时序；母板4通过CAN总线25与DMD控制板进行通信，传输灯板21所需的点灯信号、灯识别信号和回复信号等；DMD信号消抖模块为预留模块，通过IO接口27、26分别接收DMD控制板输入的未消抖的DMD同步信号和输出消抖的DMD同步信号；母板4通过灯识别接口24进行DMD控制板输出灯识别信号的传输。

二、灯板

灯板21上固定HCL供电高压模块23、两路HCL驱动电路模块、STM32处理模块、DA模块、HCL灯识别模块以及A道HCL供电接口8和B道HCL供电接口7。

STM32处理模块内的控制程序通过STM32调试接口6烧写。

灯板21在母板4的支持下正常工作。二进制的双道灯型号数据通过双路灯识别接口24传输到HCL灯识别模块，HCL灯识别模块将双道灯型号数据整理为两路代表灯型号的4位二进制数字信号输入到STM32处理模块；STM32处理模块将二进制数字信号运算转化为十六进制的回复信号，通过CAN总线25发送给DMD控制板，DMD控制板通过网口将其回复信号返回给上位机；上位机对照预先定义好的12种HCL编码值将回复信号翻译成对应的双路HCL灯型号；STM32处理模块通过CAN总线25接收DMD控制板传输的需要设置的两路HCL灯电流(包括两路主电流和两路辅电流，即图1里的点灯信号)，通过计算生成两路HCL驱动的8位数字信号进入到DA模块，DA模块将其转换生成两路HCL驱动电压到两路HCL驱动电路模块，生成预期的HCL灯电流；同时DMD控制板输出的点灯时序通过IO接口22送入两路HCL驱动电路模块，为两路HCL灯提供一定占空比(如1:30)的方波，以实现脉冲点灯；最后，24V直流电压输入到HCL供电高压模块23产生300V电压并分成两路，同时两路HCL驱动电路模块将HCL灯电流与300V电压进行组合并通过A道HCL供电接口8和B道HCL供电接口7外接给两路HCL灯进行供电。

3.控制板

色散采集控制板为光谱仪色散检测系统工作，非色散采集控制板为光谱仪非色散检测系统工作，参比道控制板为光谱仪光源谱线校正系统工作。3块控制板的电路结构相同，不同的是色散采集控制板接收光谱仪色散检测系统的PMT的微弱电流信号，输出光谱仪色散检测系统的PMT所需的-200～-500V的负高压，相异接口采用LVDS总线20、PMT信号采集接口10和PMT供电接口17；非色散采集控制板接收光谱仪非色散检测系统的PMT的微弱电流信号，输出光谱仪非色散检测系统的PMT所需的-200～-500V负高压，相异接口采用LVDS总线19、PMT信号采集接口12和PMT供电接口16；参比道控制板接收光谱仪光源谱线校正系统的PMT的微弱电流信号，输出光谱仪光源谱线校正系统的PMT所需的-200～-500V负高压，相异接口采用LVDS总线18、PMT信号采集接口14和PMT供电接口15。现以色散采集控制板为例：所述色散采集控制板包括信号调整电路模块、AD模块、负高压模块、DA模块；DMD控制板发出积分放电信号、扣背景信号、增益信号和相敏信号到信号调整电路模块；信号采集接口10采集光谱仪色散检测系统PMT的微弱电流信号并将其送入到信号调整电路模块，随后微弱电流信号在前端悬空引脚放大电路转换为微弱电压信号，在增益信号、扣背景信号、相敏信号的作用下，经增益放大、扣背景信号、转化为方波，最后在积分放电信号作用下得到直流电压。信号调整电路模块输出的直流电压进入到AD模块。

DMD控制板发送AD控制数据控制AD模块将信号调整电路模块输出的直流电压转换为采集数据，该采集数据通过LVDS总线20发送给DMD控制板，DMD控制板通过网口将其采集数据返回给上位机，由上位机进行数据处理，生成对应的原子荧光谱线图；同时，DMD控制板发送DA控制数据控制DA模块将经LVDS总线20输入的负高压控制数字信号转换为负高压控制电压信号(0-5v模拟电压信号)到负高压模块，负高压模块生成的-200～-500V负高压电压到色散采集板的PMT供电接口17，对光谱仪色散检测系统的PMT进行供电。

如图2所示，信号调整电路模块包括增益控制接口、前端悬空引脚放大电路、普通放大电路、扣背景接口、减法器电路、相敏接口、积分放电接口和电荷储存电路；首先受增益控制接口输入的增益信号的作用，前端悬空引脚放大电路将微弱电流信号转换成微弱电压信号；紧接着扣背景接口输入的扣背景信号开始作用以控制减法器电路抵消背景电压；然后将扣出了背景信号的微弱电压信号送入普通放大电路放大5000倍后输入到相敏接口；随后相敏信号由相敏接口输入，相敏信号控制正弦波形的电压信号转换为方波，最后积分放电信号由积分放电接口输入到电荷储存电路，电荷储存电路在积分放电信号控制下将方波转换为直流电压输出到AD模块。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中任何附图标记视为限制所涉及的权利要求，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，并非每个实施方式仅包括一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他方式。

Claims (5)

1.一种基于DMD的色散型原子荧光光谱仪的测控系统，其特征在于包括母板(4)、灯板(21)、色散采集控制板、非色散采集控制板和参比道控制板共5块PCB板；灯板(21)、色散采集控制板、非色散采集控制板和参比道控制板通过插座与母板(4)硬连接，并且色散采集控制板、非色散采集控制板和参比道控制板分别由屏蔽盒包裹；每个屏蔽盒上的外接接口包括一个PMT供电接口和一个PMT信号采集接口。

2.根据权利要求1所述的基于DMD的色散型原子荧光光谱仪的测控系统，其特征在于所述母板(4)上固定24V电源供电接口(1)，24V转±12V电源转换模块(2)，24V转5V电源转换模块(3)，IO接口，LVDS总线，双路灯识别接口(24)，CAN总线(25)；外部电源24V直流电压通过24V电源供电接口(1)给整个测控系统供电；24V直流电压经24V转±12V电源转换模块(2)和24V转5V电源转换模块(3)分别转换为±12V、5V直流电压提供给灯板(21)、色散采集控制板、非色散采集控制板和参比道控制板；母板(4)通过LVDS总线、IO接口和CAN总线(25)与DMD控制板进行通信。

3.根据权利要求1所述的基于DMD的色散型原子荧光光谱仪的测控系统，其特征在于所述灯板(21)上固定HCL供电高压模块(23)、两路HCL驱动电路模块、STM32处理模块、DA模块、HCL灯识别模块以及A道HCL供电接口(8)和B道HCL供电接口(7)；两路HCL的灯座输出二进制的双道灯型号数据通过双路灯识别接口(24)传输到HCL灯识别模块，HCL灯识别模块将双道灯型号数据整理为两路代表灯型号的二进制数字信号输入到STM32处理模块；STM32处理模块将二进制数字信号运算转化为十六进制的回复信号，通过CAN总线(25)发送给DMD控制板；STM32处理模块通过CAN总线(25)接收DMD控制板传输的需要设置的两路HCL灯电流，通过计算生成两路HCL驱动的数字信号进入到DA模块，DA模块将其转换生成两路HCL驱动电压到两路HCL驱动电路模块，生成预期的HCL灯电流；DMD控制板输出的点灯时序通过IO接口送入两路HCL驱动电路模块；24V直流电压输入到HCL供电高压模块(23)产生300V电压并分成两路，同时两路HCL驱动电路模块将HCL灯电流与300V电压进行组合并通过A道HCL供电接口(8)和B道HCL供电接口(7)外接给两路HCL灯进行供电。

4.根据权利要求1所述的基于DMD的色散型原子荧光光谱仪的测控系统，其特征在于所述色散采集控制板包括信号调整电路模块、AD模块、负高压模块、DA模块；DMD控制板发出积分放电信号、扣背景信号、增益信号和相敏信号通过IO接口传输到信号调整电路模块；通过PMT信号采集接口采集的光谱仪色散检测系统PMT的微弱电流信号送入到信号调整电路模块，微弱电流信号首先在前端悬空引脚放大电路转换为微弱电压信号，在增益信号、扣背景信号、相敏信号的作用下，经增益放大、扣背景信号、转化为方波，最后在积分放电信号作用下得到直流电压；信号调整电路模块输出的直流电压进入到AD模块；AD模块将信号调整电路模块输出的直流电压转换为采集数据，该采集数据通过LVDS总线发送给DMD控制板；同时，DMD控制板发送DA控制数据控制DA模块将经LVDS总线输入的负高压控制数字信号转换为负高压控制电压信号到负高压模块，负高压模块生成的-200～-500V负高压电压通过PMT供电接口供给光谱仪色散检测系统的PMT。

5.根据权利要求4所述的基于DMD的色散型原子荧光光谱仪的测控系统，其特征在于所述信号调整电路模块包括增益控制接口、前端悬空引脚放大电路、普通放大电路、扣背景接口、减法器电路、相敏接口、积分放电接口和电荷储存电路；受增益控制接口输入的增益信号的作用，前端悬空引脚放大电路将微弱电流信号转换成微弱电压信号；扣背景接口输入的扣背景信号开始作用以控制减法器电路抵消背景电压；扣出了背景信号的电压信号送入普通放大电路放大后输入到相敏接口；相敏信号由相敏接口输入，控制正弦波形的微弱电压信号转换为方波；积分放电信号由积分放电接口输入到电荷储存电路，电荷储存电路在积分放电信号控制下将方波转换为直流电压输出到AD模块。