基于Nios II的模块化EI源控制系统

宋 伟，张顺盛 ，李正军 ，赵占锋

（1.山东航天电子技术研究所 山东 烟台 264670；2.东华理工大学 江西省质谱科学与仪器重点实验室，江西 南昌 330013；3.哈尔滨工业大学（威海）信息工程研究所，山东 威海 264209）

电子轰击电离源又称EI源，是有机质谱中最常用的一种离子化源，通常适用于低分子量和低极性有机化合物。离子源通过发射具有一定能量的电子撞击气相分子实现电离[1]。电离效率是EI源最重要的性能参数，而提高EI电离效率最为直接的方法就是增加EI源灯丝电流，使之产生密度更大的电子束[2]。而有些EI源电路中，采用PWM芯片控制电流，可调范围较小，精度较低，无反馈电路，整个电路复杂，不易于模块化。本文设计的EI源电路，输出电流、电压范围广，精度高，并有多路反馈，形成闭环控制系统，结合PID算法，使得输出稳定性更好，精度更高，抗干扰能力更强，有助于质谱仪产生稳定的质谱谱图，且其模块化的电路设计使得后期的维护更加的简便，易于产品化。

1 EI源电路总体设计

据EI源实现原理，其控制电路可分为电流源，电压源以及微电流检测系统其中，电流源控制灯丝电流的大小，从而控制其发射的电子数目；电压源控制电子推斥极电压，给附在其上的灯丝所发射的电子，提供初始动能；微电流检测系统则是测量电子收集极的微电流并反馈给控制单元。

本设计中，EI源电路是以FPGA内嵌软核为控制核心，通过串口通信由上位机LabView进行电压值，电流值的预置，并显示采集的数据。主控芯片以FPGA内部嵌入8051软核的方式控制外部的电流源和电压源电路，并且采集电流值，电压值以及电子接收极板的微电流，构成了电压、电流闭环控制，有效消除由于电子器件本身及外界干扰造成的误差，大大提高电离源精度以及稳定性，该电离源电路系统的原理框图如图1所示。

图1 EI源电路系统框图Fig.1 EI source circuit system block diagram

2 EI源系统硬件设计

2.1 FPGA软核设计

本设计采用ALTERA公司cyclone III系列芯片EP3C-16Q240C8N构建SOPC系统。芯片控制结构示意图如图2所示。

图2 FPGA控制结构示意图Fig.2 The structure diagram of FPGA control

图中，系统核心Nios II processor核指令体系与标准的8051兼容，源代码由VHDL语言写成，具有良好的注释性和可拓展性，外设如UART，I2C，AD转换器的数据和指令都通过Avalon总线来实现。

2.2 电流源电路设计

该电路中灯丝采用韧性和延展性很好的WRe20合金材料，常温状态下阻值为0.5 Ω，由于其附在电压源之上，因而通信时需进行隔离，此处采用I2C协议的ADum1250实现。如图3所示。MAX5217是一个16位高精度D/A转换器，分辨率为1/65535，其基准电压是由MAX6133-25提供的2.5 V电压，故D/A的输出分辨率约为0.038 mV。INA226是电流检测芯片，内部集成了16位的A/D转换模块，其作用是检测高边电流并反馈给上位机。运算放大器OP37以及三极管组成电压-电流转换电路，其中OP07 主要功能是实现高精度V/I 转换，三极管主要功能是实现功率放大。

图3 电流源控制电路Fig.3 Current source control circuit

图3 中，电阻Rf是一个反馈电阻，Vin+、Vin-为运算放大器的输入电压，I为流经灯丝WRe20的电流，根据运算放大器特性，控制电压：V=Vin+=Vin-=VRf，因而流经灯丝电流，与灯丝的电阻无关，当控制电压一定时，灯丝电流恒定，实现了恒流。虽然本设计可实现更大的电流，但当灯丝电流增大到一定程度时，其产生的空间电荷效应就会改变离子在EI源内的运动状态，从而影响质谱仪的分析灵敏度[2]，一般不采用。

2.3 主控电路设计

该主控电路主要包括电压源，电压采集、微电流检测等，如图4所示。电压源电路由一个12位高精度串行DA转换器MCP4725来控制加载在电子推斥极上的高压模块，给灯丝发射的电子提供初始动能。微电流检测电路，采用超低偏置电流差动运算放大器OPA129直接进行V/I转换，此方式一般不能精确放大pA级及更微弱的电流信号，但对于μA级电流来说简单可靠。而在测量电子推斥极的电压时采用电阻分压原理以及高精度运算放大器OP07进行电压监控。

图4 主控电路Fig.4 The main control circuit

其中两路反馈信号通过模拟开关CD4052进行选通并反馈给16位高精度AD转换器MAX1178，从而通过FPGA把数据传送给上位机LabView进行处理。

3 EI源软件设计

3.1 下位机软件的设计思想

下位机完成两个功能：1)控制和实现D/A和A/D转换；2)配置串口通信。

3.2 LabView上位机设计

LabView因其图形界面直观，易于移植与产品化的特点，广泛应用于仪器开发。本设计采用LabView进行上位机设计，主要功能为：1)配置串口通信；2)电流值、电压值的设定；3)绘制采集的数据曲线。由于被控对象随着负荷变化或干扰因素影响无可避免，因而为了得到更好的输出数据，本设计采用模糊自适应PID算法，对输入输出进行调整，结构如图5所示。

图中，Fuzzy控制器为两输入三输出的系统，两个输入分别为系统的误差e和误差的变化率ec，输出为PID的3个控制参数Kp,Ki和Kd，此设计采用模糊推理方法实现对 Kp，Ki、Kd的调整。首先将系统误差e和误差变化ec变化范围定义

图5 模糊自适应PID控制原理Fig.5 Fuzzy adaptive PID control theory

－9－为模糊集上的论域。其模糊子集为e,ec={NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，子集中元素分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大，然后应用PID参数的模糊矩阵表查出修正参数代入下式计算：

在线运行过程中，系统通过控制规则处理，查表和预算对PID参数进行在线自校正。图6中（a）为设定值与输出值作差值并补偿给输入方式得到的输出曲线，（b）为采用模糊自适应PID算法得到的输出曲线（Kp=0.5,Ki=0.15、Kd=0.1）。

图6 电流、电压输出曲线Fig.6 Current,voltage output curve

通过对比可见，采用模糊自适应PID算法得到的电流、电压调节时间短，精度高，可靠性好，运行稳定，抗干扰能力强，适合于EI源的控制应用。

4 系统测试结果

在室温条件下，对电子轰击电离源电路进行了测试，通过设置不同的电流和电压值，可得到电流和电压部分数据如下：

由表1得：电流设置值与实测值误差在0.1%以内，电压误差值在0.2%以内，精度较高，可调量程较宽，能够满足质谱分析的需求。

5 结论

EI源因其灵敏度高，成本低、可靠性高和用途广等特点，广泛用于气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）[6]以及月球探测质谱仪，因而，对电子轰击电离源电路的研究具有很大的应用前景和意义。本设计采用FPGA内嵌软核实现电流源、电压源等电路的控制，电路稳定，扩展性强，对后期设计留有很大空间；上位机采用LabView界面控制，操作简便，适合于产品化和模块化，易于后期扩展修改，并使用模糊自适应PID算法对数据进行调整，使得控制稳定，精度更高，因而非常适用于EI源电路模块化，小型化的开发与应用。

表1 电流、电压值测试Tab.1 Current and voltage value of the test

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