专利名称：离子色谱仪信号采集与处理装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种信号采集与处理电路，尤其是用于离子色谱仪的信号采集与处理装置。
(2)背景技术离子色谱是20世纪70年代后发展起来的一项新型的液相色谱。该技术发展迅速，已成为分离、检测不同阴、阳离子的强有力工具。现有的离子色谱仪信号采集与处理装置，例如IC-6型离子色谱仪(青岛崂山电子仪器总厂)和YIC-8型离子色谱仪(青岛高科技园易通仪器研究所)基本上采用两电极结构，在前端电导池串联一个采样电阻，放大器从采样电阻取信号，该方法没有有效地利用放大器差分输入的优势来抑制共模噪声。由于电导池信号很微弱，且组分浓度相差比很大，现有的采集系统为了扩大量程，基本上用手工换档，这增加了操作的复杂性，降低了仪器的档次。因此，开发高精度、高稳定度、多功能的离子色谱电导检测系统势在必行。
(3)发明内容本发明旨在提供一种精度高、稳定性好、功能多的离子色谱仪信号采集与处理装置。
本发明设有激励脉冲产生电路，用于产生两路互为反相的激励脉冲信号；电导池，其两电极接激励脉冲产生电路的输出端，用于产生溶液电导信号；弱信号放大电路，其输入端接电导池两端的溶液电导信号输出端；采样保持电路，其输入端接弱信号放大电路的输出端，用于将溶液电导信号进行峰值检波；二次放大电路，其输入端接采样保持电路的输出端，用于放大溶液电导信号；A/D采集电路，其多路采集开关电路输入端接二次放大电路的输出端，用于分时地将溶液电导值的模拟信号转换成数字信号并串行地送至单片机处理电路；单片机处理电路，其输入接口接A/D采集电路的输出端，其控制信号输出端口接A/D采集电路的多路采集开关电路，用于系统控制核心部分，完成对系统各部分的控制和数据处理，并将处理后的数据通过串行口电路送往PC机；输出显示电路，其输入端接单片机处理电路的输出接口。
在采样保持电路输出端与二次放大电路输入端之间可设信号预处理电路，用于去除峰值溶液电导信号的各种干扰成份。
在二次放大电路与A/D采集电路之间可设信号切换电路，在电导池与信号切换电路之间设温度检测电路，温度检测电路的温度探头设于电导池中，温度检测电路用于获取电导池的温度信号，信号切换电路用于将溶液电导信号与电导池的温度值信号分时送往A/D采集电路。
为了根据不同基底溶液的电导值大小，改变弱信号放大电路的放大倍数，可在弱信号放大电路中设增益控制电路。为了控制峰值检波的开始时间和持续时间，在采样保持电路中设采样保持脉冲控制电路。在二次放大电路与单片机处理电路之间可设D/A扣基底电路，用于送出待测离子溶液未检测前的基底溶液的电导值。在弱信号放大电路、采样保持电路、二次放大电路、信号切换电路等组成的模拟检测处理系统和数字采集处理系统与单片机处理电路之间可设光耦隔离电路，实现光信号和电信号的转换。
可设硬件自检基准信号发生电路，用于由单片机软件控制对仪器上述主要硬件进行开机后性能检查，硬件自检基准信号发生电路的输出端接弱信号放大电路。
本发明采用脉冲信号激励和同步多点采样，利用电导电极在溶液中的等效电路，求解其对脉冲响应的数学方程，可同时得到溶液电导与双层电容值，扩大电导检测器的测量范围。可设计自动增益电路和16位的串行A/D数据采集电路，以适应组分浓度比相差很大的样品分析。同时设计了完善的保护电路，防止外界干扰和误操作对仪器的损坏。
若采用差分输入的高性能仪用放大器，直接取电导池两端的差分信号，则可有效地抑制共模干扰，成功提取出微弱的有用信号；模拟检测采集部分和数字信号处理部分可完全用光耦隔离，有效降低了噪声，在单片机数字信号处理过程中使用了软件滤波和软件抗干扰技术，有用信号的获取选用采样保持器件，使其采保宽度和采样位置可以根据情况改变。表1给出本发明与某些主要产品技术指标的对照。
(4)
图1为本发明实施例1的电路组成框图。
图2为本发明实施例2的电路组成框图。
图3为本发明实施例的激励脉冲产生电路原理图。
图4为本发明实施例的弱信号放大电路和采样保持电路原理图。
图5为本发明实施例信号预处理电路原理图。
图6为本发明实施例二次放大电路原理图。
图7为本发明实施例D/A扣基底电路、信号切换电路、温度检测电路原理图。
图8为本发明实施例A/D采集电路原理图。
图9为本发明实施例的单片机处理电路原理图。
图10～12为本发明实施例的光耦隔离电路原理图。
图13为单片机程序流程图中的单片机主程序。
图14为单片机程序流程图中的启动子程序。
图15为单片机程序流程图中的进样子程序。
图16为单片机程序流程图中的自检子程序。
图17为单片机程序流程图中的A/D中断子程序。
图18为单片机程序流程图中的增益调节子程序。
图19为单片机程序流程图中的发送子程序。
图20为单片机程序流程图中的接收子程序。
(5)具体实施方式
如图1所示，本发明设有激励脉冲产生电路1，用于产生两路互为反相的激励脉冲信号；电导池2，其两电极接激励脉冲产生电路的输出端，用于产生溶液电导信号；弱信号放大电路3，其输入端接电导池两端的溶液电导信号输出端；采样保持电路4，其输入端接弱信号放大电路的输出端，用于将溶液电导信号进行峰值检波；二次放大电路5，其输入端接采样保持电路的输出端，用于放大溶液电导信号；A/D采集电路6，其多路采集开关电路输入端接二次放大电路的输出端，用于分时地将溶液电导值的模拟信号转换成数字信号并串行地送至单片机处理电路；单片机处理电路7，其控制信号输入接口接A/D采集电路的输出端，其输出端口接A/D采集电路的多路采集开关电路，用于系统控制核心部分，完成对系统各部分的控制和数据处理，并将处理后的数据通过串行口电路送往PC机；输出显示电路8，其输入端接单片机处理电路的输出接口。
如图2所示，在采样保持电路4的输出端与二次放大电路5的输入端之间可设信号预处理电路11，用于去除峰值溶液电导信号的各种干扰成份。在二次放大电路5与A/D采集电路6之间可设信号切换电路13，在电导池与信号切换电路13之间设温度检测电路14，温度检测电路14的温度探头设于电导池中，温度检测电路用于获取电导池的温度信号，信号切换电路用于将溶液电导信号与电导池的温度值信号分时送往A/D采集电路。
为了根据不同基底溶液的电导值大�。谋淙跣藕欧糯蟮缏�3的放大倍数，可设增益控制电路9。
为了控制峰值检波的开始时间和持续时间，可设采样保持脉冲控制电路10。
在二次放大电路5与单片机处理电路7之间可设D/A扣基底电路12，用于送出待测离子溶液未检测前的基底溶液的电导值。
在弱信号放大电路、采样保持电路、二次放大电路、信号切换电路等组成的模拟检测处理系统和数字采集处理系统与单片机处理电路7之间可设光耦隔离电路15，实现光信号和电信号的转换。
为了通过单片机软件控制对仪器上述主要硬件进行开机后性能检查，可设硬件自检基准信号发生电路16，其输出端接弱信号放大电路。另外，输出显示电路8仍然接单片机处理电路。
本发明的工作过程简述如下首先，开机硬件自检，分别自检单片机、并口、定时器、软件看门狗电路、A/D采集电路、D/A扣基底电路等，并进行放大倍数校正，自检完成后，激励脉冲激励电导池，所获取的前端信号是叠加了较强干扰的微弱电信号，经过低噪声差分仪用放大器放大，放大器的输出函数为Vout＝(Vin+-Vin-)*G1，G1为前放增益。电导池及系统产生的共模干扰，可以被有效抑制。另外，设G2为后级放大电路的增益，根据多级放大电路的增益分配原则电路总增益G总＝G1*G2，经过采样保持电路，二次放大电路，A/D采集电路后，再通过光藕隔离电路送入单片机，单片机进行软件滤波及数字处理后，经过串行口送入PC机显示，同时，单片机也接收PC机的控制命令，根据基底值对前放增益进行自动调节，并判断基线是否已经平稳，若平稳则发出允许进样的信息。待测样品溶液注入(即进样)，在进样瞬间，单片机根据所测得的洗脱液的基底值控制D/A转换器将基底电压值V基底送往减法器，则V基底＝Vid1*G1然后单片机再自动调节后级放大电路的增益，仅对待测样品电导信号再进行一级放大。使输出信号电压为Vo＝(Vid*G1-V基底)*G2＝[(Vid1+Vid2)*G1-Vid1*G1]*G2＝Vid2*G1*G2
不仅保证了输出电压Vo在A/D的输入电压允许范围内，而且使待测信号电压Vid2得到充分放大。
图3～12给出本发明实施例一些主要电路的原理图。
参见图3，在激励脉冲产生电路中集成电路U1(1)(MC1403P型)为2.5V基准源，通过分压，经过集成电路U4(1)(MAX4519CPD型)开关切换产生0.5V方波，送至电导池两电极。另一集成电路U2(1)(MC1403P型)通过分压，产生60mv信号，用来作为硬件自检标定放大倍数的基准源，两路信号通过继电器U5(1)(JRC-19FD型)来进行切换输出，输出送至弱信号放大电路的差分输入端。
参见图4，在弱信号放大电路中，集成电路U1(3)(AMP01AX/883型)为低噪声、高精度仪表放大器，将放大后的信号送到采样保持电路。两块集成电路U2(3)，U3(3)(MAX352CPE型)用来切换U1(3)的放大倍数。集成电路U5(3)(MC14028BCP型)为译码器，把单片机的输入译码来控制U2(3)，U3(3)。
采样保持电路集成电路U4(3)(LF398N型)将弱信号放大后的溶液电导信号进行峰值检波后送至信号预处理电路。
参见图5，在信号预处理电路中，运算放大器U1(2)，U2(4)(TLE2144型)组成Butterworth型低通滤波器，去除峰值溶液信号的各种干扰成分，并对其幅度进行1/3衰减，以适应后面A/D信号的采集。
参见图6，在二次放大电路中，集成电路U4(4)(PGA203KP型)是数字控制可编程增益放大器，对SIGNAL1信号及SIGNAL4信号进行相减后放大，再用集成电路U1(4)(MC1403P型)及运算放大器U2(4)(TLE2144型)进行极性转换。转换后输出SIGNAL6信号进入信号切换电路。
参见图7，在D/A扣基底电路中，D/A芯片U1(6)(DAC7611P型)将待测离子溶液未检测前的基底溶液的电导值SIGNAL4信号送出。
信号切换电路多路开关集成电路U1(5)(ADG408BN型)将SIGNAL1～7路信号分时送出，经过运算放大器U2(5)(OP296G型)，二极管RD1(5)、RD3(5)，稳压管RD2(5)箝位缓冲后输出，再经过继电器(RELAY U4(6)，U5(6))与0.5V，60mV分时送入A/D采集电路。
参见图8，在A/D采集电路中∑-Δ型串行A/D芯片U3(5)(AD7715AN-5型)由集成电路U2(6)(AD780型)提供外部基准，分时地将溶液电导值和温度值的模拟信号转换成数字信号并串行地送至光电耦合器的输入端。
参见图10～12，在光耦隔离电路中，光耦隔离器件LOPT01～03(TLP521-4型)将由光信号和电信号的转换完成单片机与数字电路部分和模拟电路部分的低速部分信号隔离传送。光耦隔离器件HOPT01～12(TLP559型)将由光信号和电信号的转换完成单片机与数字电路部分和模拟电路部分的高速部分信号隔离传送。
参见图9，在单片机处理电路中，单片机U1(AT89C52型)，控制整个流程，集成电路U2(8255型)为扩展并口，集成电路U3(8253型)为定时器，产生采样脉冲和控制采样保持宽度，集成电路U7(HC7424型)为七段LED译码控制硬件自检指示数码管的显示，集成电路U4(MAX232型)为电平转换芯片，与上位PC机通信。
图13～20给出本发明实施例单片机程序流程图。
A.单片机主程序(参见图13)自检通过后，程序进行程序和外围芯片的初始化的工作，如单片机自身的初始化、中断设置、一些参数预置以及设置外部I/O的初始状态，定时器的初始状态等。
初始化完成后，程序进入正常的状态。
主程序中不断的查询各个标志位，根据标志位变化的状态来调用不同的处理子程序。
●如果PC机有指令传来的标志位置位，则调用启动接收指令子程序处理。
●如果数据准备就绪标志置位，则调用发送子程序处理。
●如果进样请求标注置位，则调用进样处理子程序处理。
以下为各个子程序的说明。
B.启动子程序(参见图14)启动子程序调用接收子程序，然后查询是否接收到启动命令标志位，如果该标志被置位，则进行启动操作，设置启动开始标志，向PC上位机发送系统自校准参数，然后启动AD中断，允许进样中断。这样，单片机就会把每次A/D转换的结果都读入单片机进行处理而不再像启动前那样丢掉每次的A/D的结果不予处理。
C.进样子程序(参见图15)进样子程序负责向上位PC机发送进样信号，同时设置进样标志通知主程序。然后，延时50ms后返回。
D.自检子程序(参见图16)开机后，程序上电初始化后先进行硬件自检，自检的同时在七段发光二极管(LED)上显示自检的步骤，如自检到第3步骤，则LED显示3，任何一步硬件自检不通过，程序就在该处死循环，LED上显示停在哪一步上，如8253自检不正常，则LED显示就停在3。
自检分7个步骤1、单片机自身自检；2、单片机片内RAM自检；3、8255并行扩展自检；4、8253定时器自检；5、软件加密码校验；6、A/D自检；7、D/A自检。
当执行到8这个步骤的时候，程序进入硬件自校准阶段，分别进行60mv基准源自校准，前放增益自校准，1/3衰减器自校准，500mv基准源自校准，自检完成后，面板指示绿灯亮。
E.A/D中断子程序(参见图17)A/D中断子程序中首先保存现�。缓蠖罙/D转换结果，接着判断各种标志位，根据各种标志位对数据进行处理，如果采集的是温度数据就设置温度的送数标识，接着采集5点数据后平均处理，然后设置相应的标志位通知主程序把处理的数据读走；如果是电导数据就设置电导的送数标识和当前增益，接着每25点电导数据后再平均，然后设置相应的标志位通知主程序把处理的数据读走。A/D中断子程序中设置计数单元进行计数，每来一次中断就计数加一，计数到29个就改变外围的多路开关，去采集温度信号，采完后再切换多路开关，来采集电导，这样保证了每隔15s采集一个温度数据。
F.增益调节子程序(参见图18)增益调节子程序首先判断当前增益的档数，然后根据读入的A/D的值判断是否需要调大增益，若需要调节，则调大一挡增益；若不需要，再判断是否需要调�。粜枰鹘冢虻餍∫坏苍鲆妫蝗舳疾恍枰鹘冢虮３窒肿捶祷�。
G.发送子程序(参见图19)发送子程序首先判断要发送的数据是温度还是电导，若为温度，则8点温度数据平滑处理后向上位机发送温度数据及状态标志字节，若为电导，则再判断当前的状态是为进样前还是进样后，若为进样前，则向PC上位机送电导数据标志字节，若为进样后，则除了向上位机发送电导数据及标志字节，还要调用增益调节子程序来调节弱信号放大电路增益(即前级增益)。
H.接收子程序(参见图20)接收子程序根据接收到PC机的命令来做相应的动作，启动操作，手动还是自动增益调节，设置方波频率，采样位置，恒流源设置，采�？矶壬柚�。如果接收到的指令还要进一步接收PC机的数据进行相应的设置，则就清除是否为命令字节的标志，进一步接收数据进行设置，设置完成后，再把是否为命令字节标志置位。
显而易见，本发明具有如下特点a.本装置采用双端差分输入，直接取电导池两端的信号，有效地降低了共模干扰；b.本装置用光电耦合电路，实现了数字信号处理电路和模拟检测采集电路的完全隔离，有效地降低了数字信号对模拟弱信号的干扰；c.选用∑-Δ型串行A/D，不仅在模拟部分引入的噪声�。夷诓孔源�13.1Hz数字低通滤波器实现了对信号的滤波；d.在单片机内再进行软件滤波，去奇异值等数字处理；e.开机前进行硬件自检，有数码管监测自检步骤，可以快速定位故障部位；f.软件控制采样保持位置和采样保持宽度，使其可以方便改变；g.使用基准源校正弱信号放大的倍数，使放大倍数更加准确；h.放大倍数自动增益，完成了仪器量程自动切断，提高了仪器检测的自动化程度。
权利要求
1.离子色谱仪信号采集与处理装置，其特征在于设有激励脉冲产生电路；电导池，其两电极接激励脉冲产生电路的输出端；弱信号放大电路，其输入端接电导池两端的溶液电导信号输出端；采样保持电路，其输入端接弱信号放大电路的输出端；二次放大电路，其输入端接采样保持电路的输出端；A/D采集电路，其多路采集开关电路输入端接二次放大电路的输出端；单片机处理电路，其输入接口接A/D采集电路的输出端，其控制信号输出端口接A/D采集电路的多路采集开关电路；输出显示电路，其输入端接单片机处理电路的输出接口。
2.如权利要求1所述的离子色谱仪信号采集与处理装置，其特征在于在采样保持电路输出端与二次放大电路输入端之间可设信号预处理电路。
3.如权利要求1所述的离子色谱仪信号采集与处理装置，其特征在于在二次放大电路与A/D采集电路之间可设信号切换电路，在电导池与信号切换电路之间设温度检测电路，温度检测电路的温度探头设于电导池中。
4.如权利要求1所述的离子色谱仪信号采集与处理装置，其特征在于在弱信号放大电路中设增益控制电路。
5.如权利要求1所述的离子色谱仪信号采集与处理装置，其特征在于在采样保持电路中设采样保持脉冲控制电路。
6.如权利要求1所述的离子色谱仪信号采集与处理装置，其特征在于在二次放大电路与单片机处理电路之间可设D/A扣基底电路。
7.如权利要求1所述的离子色谱仪信号采集与处理装置，其特征在于在弱信号放大电路、采样保持电路、二次放大电路、信号切换电路等组成的模拟检测处理系统和数字采集处理系统与单片机处理电路之间可设光耦隔离电路。
8.如权利要求1所述的离子色谱仪信号采集与处理装置，其特征在于可设硬件自检基准信号发生电路，硬件自检基准信号发生电路的输出端接弱信号放大电路。
全文摘要
涉及用于离子色谱仪的信号采集与处理装置。设有脉冲产生电路；电导池，两电极接脉冲电路输出端；弱信号放大电路，输入端接电导池；采样保持电路，输入端接弱信号放大电路输出端；二次放大电路，输入端接采样保持电路输出端；A/D采集电路，多路采集开关电路输入端接二次放大电路输出端；单片机处理电路，输入接口接A/D采集电路输出端，控制信号输出端口接A/D采集电路多路开关；输出显示电路，输入端接单片机输出接口。采用脉冲信号激励和同步多点采样，利用电导电极在溶液中的等效电路，求解其对脉冲响应的数学方程，可同时得到溶液电导与双层电容值，扩大电导检测器的测量范围。适应组分浓度比相差很大的样品分析。防止外界干扰和误操作对仪器的损坏。
文档编号G01N30/00GK1548956SQ03130858
公开日2004年11月24日 申请日期2003年5月15日 优先权日2003年5月15日
发明者许茹, 江正梁, 陈淑武, 周志有, 林水潮, 陈华宾, 胡晓毅, 解永军, 许 茹 申请人:厦门大学
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