ICP-MS质量扫描控制及数据采集处理系统设计与实现

作     者：苏伟童 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：汪曣

授予年度：2022年

学科分类：0810[工学-信息与通信工程] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0835[工学-软件工程] 081002[工学-信号与信息处理] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：电感耦合等离子体 质谱仪 质量扫描 数据采集 

摘      要：电感耦合等离子体质谱仪(Inductively coupled plasma mass spectrometry,ICPMS)凭借其超痕量检测限的特点,成为了分析测试领域应用最为广泛的仪器之一。质量扫描控制与数据采集处理系统是ICP-MS控制系统中最为关键的部分。随着国家的不断重视,国产ICP-MS产业在此方面已实现了从无到有,为进一步提升国产ICP-MS在国际上的竞争力,还需不断丰富智能化与物联网等扩充功能。但传统的ICP-MS控制系统由于主控芯片性能和资源有限,难以满足此需求。另外质谱信号十分微弱,极易受到噪声干扰,传统的质谱数据处理通过软件去噪,会因CPU的串行执行方式影响系统实时性。针对以上需求,本文开发了一套质量扫描控制及数据采集处理系统,对进一步提高ICP-MS分析性能以及控制系统集成度有重要意义。本工作从四极场理论及离子信号特征出发,详细分析了质量扫描和数据采集需求,选择了集ARM和FPGA于一体的ZYNQ作为主控芯片,从硬件和软件两方面完成了系统的设计。硬件方面,采用SPI菊花链电路完成质量扫描电路设计,解决了多个驱动电压设置以及四六极杆扫描驱动电压同步的问题;设计信号调理电路对质谱信号进行IV转换和放大,并针对脉冲和模拟信号不同特征设计了相应的降噪电路。软件方面,在ARM端搭载了FreeRTOS实时操作系统,在FPGA端基于AXI4总线设计了多个模块。总体包含:质量扫描系统,实现了扫描时序精准控制;基于FIR compiler和MCDMA IP核的数据采集处理系统,实现了双通道数据采集、缓存、动态滤波及传输;LCD人机交互系统,实现了高速视频流传输、触摸监测以及交互界面显示。测试结果表明,质量扫描时序控制满足设计要求,脉冲计数、模拟计数具有极高的准确度,数字滤波幅频响应曲线与理论基本一致;LCD人机交互界面显示流畅,控件触摸响应正常。利用Thermo Fisher Scientific公司的标准调谐液TUNE D进行系统整体验证,配置64阶低通滤波后,模拟计数中谱峰信噪比明显提升,谱峰半峰全宽范围满足仪器需求,并且系统片上资源仍有较大余量,功耗仅有2.4 W。