МИ- 1201 质谱仪信号电路改造

马腾

（中核陕西铀浓缩有限公司，陕西 汉中723000）

1 测控电路

МИ-1201 质谱仪的电路分为模拟和数字两大部分，仪器的控制、数据的采集均由计算机通过数字电路传递信息对模拟电路实现控制，数字电路负责把质谱信号转换成数字信号供计算机分析、处理，并将计算机发出的数字信号转变成模拟信号去控制质谱计的工作，因此数字电路是仪器运行的技术关键[1]。

1.1 数字电路

AK2 离子源通道控制器是计算机控制和采集高压稳定器单元（A50）和离子源供电单元（A45）的接口。AK3 控制台控制器主要功能是控制质谱计的进样电磁阀，接通高压稳定器单元（A50）和离子源供电单元（A45）供电。AK5 电压控制器主要功能是将质谱计的各检测点的电信号切换到与数字电压表配套的控制台A62 的输入端；并且将测量结果传送到通信总线。AK6自动稳峰装置的作用是补偿磁场的漂移，确保相对测量时磁场的稳定。AK8 是计算机控制扫描稳定器单元（A43）的接口，主要功能是向扫描稳定器发送设定的控制脉冲，实现磁场的扫描和按设定的质量数进行磁场的跳转。AK9 是计算机控制U/F 转换单元（A44）的接口，功能是控制六个U/F 组件工作，并采集和计算U/F 组件确定时间内的脉冲数。AK10 是计算机总线接口（A63）和质谐计的二级接口。质谱计的二次总线是在И-41 接口基础上构成的，AK10 对数据信息和控制信号进行整形匹配。A63 是计算机总线与质谱计之间的通讯接口，通过通讯电缆和AK10 相联。

1.2 模拟电路

МИ-1201 质谱计进行样品分析主要涉及三个部分的功能，分别是电磁阀的开关控制，磁场调节与自稳定控制，接收杯信号采集。每一个电磁阀开关的控制装置是由计算机发出指令，通过光电耦合器，经过译码器驿码后进行单独控制。磁场控制过程是采用脉冲方式调制电磁铁所需电流，主要包括了三角波发生器、比较器、大功率开关电路、滤波器等电路。三角波发生器产生的三角波频率经过测量约为25KHz。为了方便计算机对磁场进行控制，使用标准电流脉冲电路形成器，将计算机输出的调控磁场的信号转换成对应脉冲，按计算机指令完成对磁场的增减、跳转及稳定控制，电路中的控制信号的基准频率经过测量为125KHz，使用触发器与恒流源电子开关进行驱动。

МИ-1201 质谱仪分析样品丰度依据接收器上的样品离子流信号，这一部分微弱的电流信号经过静电计转化、放大为电压信号后，由U/F 转换单元将电压信号转换为计算机能够识别的脉冲信号进行数据传输与采集。电压信号转换后变为方波脉冲信号，测量质谱计在空闲状态下各接收杯的方波脉冲信号频率。

2 电路设计

2.1 CAN 总线电路

选用CAN 总线作为МИ-1201 质谱仪新的总线通讯方式，取代由多个数字板电路构成的信号电路。围绕计算机与CAN 总线协议开发信号采集转换电路板，将模拟电路上的模拟电压信号转换为数字信号。开发一个通信控制电路板，将数字信号转换为CAN 总线协议中要求的标准模式。传输至CAN 转USB 控制器，转为USB 通信信号，使用计算机主板的USB 接口将各个电路单元的工作信号采集至计算机中进行存储，发出计算机的控制指令到各个电路单元的驱动电路，转换为驱动的模拟电压信号。

质谱计的信号处理系统设计采用总线式网络拓扑结构。计算机通过USB-CAN 转换器与各模拟电路单元进行通信，各单元接收计算机发送的控制信号，通过模数转换器与输入输出控制器将计算机命令转换为模拟信号，驱动模拟电路上的步进电机与继电器，实现控制。计算机通过USB 数据线连接到USB-CAN 转换器，转换器CAN 总线接口完成与模拟数字转换板上芯片的数据传输，由总线控制器把数据传输到CAN 总线上。

2.2 电路设计

总线控制器在通电时读取地址码，通过CAN 总线将其送往计算机，经过确认后，启动完成该功能单元的维护与复位程序。各模拟电路单元中电源组件的控制以及通过CAN 总线与计算机联系的功能，由用总线控制电路板进行，持续控制每一个单元，保证与计算机间联系。CAN 信号接收引脚RX 和发送引脚TX 并不直接连接到总线驱动器的RXD 和TXD 端。而是经过高速光耦6N137 进行连接，为了实现真正意义上完全的电气隔离，光耦部分的VA 与VB 通过DC-DC 模块进行隔离。并在CANH 和CANL 引脚与地之间并联两个30P 的电容，用于滤除总线上的高频干扰。

3 程序

使用新的CAN 总线控制电路板替代原有多个数字板通信后，采用VC++进行测控程序修改，在Windows 环境下编程，利用工具对驱动程序进行重新编写，使新测控程序能驱动CAN 总线控制电路，实现信号采集与控制功能。МИ-1201 质谱仪磁场控制单元是进行磁场调节与自稳定控制的关键部件，安装CAN总线控制器与输入输出控制器后，使用新程序可以成功实现磁流信号采集与调节。

图1 CAN 总线控制电路结构图

4 应用测试

使用相对标准偏差表征气体同位素质谱计测量的随机误差。使用两个标准样品，其中一个作为待测样品。标准和待测交替进样。记忆因子和仪器的不稳定因素也都被考虑进去。选用GBW04225（D58=0.031035）和GBW04235（D58=0.048849）两 个标准样品在质谱计上进行了双标准相对测量。测试结果如表1所示。

表1 双标准相对测量结果统计表

测试结果均符合《专用质谱计校准规范》中关于相对标准偏差小于0.04%和系统相对偏差小于0.04%的要求。测试表明，使用基于CAN 总线协议的通信方式对信号处理电路进行改造，软件进行更新，新的设计可以在保证МИ-1201 质谱仪原有功能的基础上，实现计算机对关键信号参数的实时监控，并实时显示，简化了电路结构，提高了信号板的通用性。