基于Nios II的模塊化EI源控制系統

宋 偉，張順盛 ，李正軍 ，趙占鋒

（1.山東航天電子技術研究所 山東 煙臺 264670；2.東華理工大學 江西省質譜科學與儀器重點實驗室，江西 南昌 330013；3.哈爾濱工業大學（威海）信息工程研究所，山東 威海 264209）

電子轟擊電離源又稱EI源，是有機質譜中最常用的一種離子化源，通常適用于低分子量和低極性有機化合物。離子源通過發射具有一定能量的電子撞擊氣相分子實現電離[1]。電離效率是EI源最重要的性能參數，而提高EI電離效率最為直接的方法就是增加EI源燈絲電流，使之產生密度更大的電子束[2]。而有些EI源電路中，采用PWM芯片控制電流，可調范圍較小，精度較低，無反饋電路，整個電路復雜，不易于模塊化。本文設計的EI源電路，輸出電流、電壓范圍廣，精度高，并有多路反饋，形成閉環控制系統，結合PID算法，使得輸出穩定性更好，精度更高，抗干擾能力更強，有助于質譜儀產生穩定的質譜譜圖，且其模塊化的電路設計使得后期的維護更加的簡便，易于產品化。

1 EI源電路總體設計

據EI源實現原理，其控制電路可分為電流源，電壓源以及微電流檢測系統其中，電流源控制燈絲電流的大小，從而控制其發射的電子數目；電壓源控制電子推斥極電壓，給附在其上的燈絲所發射的電子，提供初始動能；微電流檢測系統則是測量電子收集極的微電流并反饋給控制單元。

本設計中，EI源電路是以FPGA內嵌軟核為控制核心，通過串口通信由上位機LabView進行電壓值，電流值的預置，并顯示采集的數據。主控芯片以FPGA內部嵌入8051軟核的方式控制外部的電流源和電壓源電路，并且采集電流值，電壓值以及電子接收極板的微電流，構成了電壓、電流閉環控制，有效消除由于電子器件本身及外界干擾造成的誤差，大大提高電離源精度以及穩定性，該電離源電路系統的原理框圖如圖1所示。

圖1 EI源電路系統框圖Fig.1 EI source circuit system block diagram

2 EI源系統硬件設計

2.1 FPGA軟核設計

本設計采用ALTERA公司cyclone III系列芯片EP3C-16Q240C8N構建SOPC系統。芯片控制結構示意圖如圖2所示。

圖2 FPGA控制結構示意圖Fig.2 The structure diagram of FPGA control

圖中，系統核心Nios II processor核指令體系與標準的8051兼容，源代碼由VHDL語言寫成，具有良好的注釋性和可拓展性，外設如UART，I2C，AD轉換器的數據和指令都通過Avalon總線來實現。

2.2 電流源電路設計

該電路中燈絲采用韌性和延展性很好的WRe20合金材料，常溫狀態下阻值為0.5 Ω，由于其附在電壓源之上，因而通信時需進行隔離，此處采用I2C協議的ADum1250實現。如圖3所示。MAX5217是一個16位高精度D/A轉換器，分辨率為1/65535，其基準電壓是由MAX6133-25提供的2.5 V電壓，故D/A的輸出分辨率約為0.038 mV。INA226是電流檢測芯片，內部集成了16位的A/D轉換模塊，其作用是檢測高邊電流并反饋給上位機。運算放大器OP37以及三極管組成電壓-電流轉換電路，其中OP07 主要功能是實現高精度V/I 轉換，三極管主要功能是實現功率放大。

圖3 電流源控制電路Fig.3 Current source control circuit

圖3 中，電阻Rf是一個反饋電阻，Vin+、Vin-為運算放大器的輸入電壓，I為流經燈絲WRe20的電流，根據運算放大器特性，控制電壓：V=Vin+=Vin-=VRf，因而流經燈絲電流，與燈絲的電阻無關，當控制電壓一定時，燈絲電流恒定，實現了恒流。雖然本設計可實現更大的電流，但當燈絲電流增大到一定程度時，其產生的空間電荷效應就會改變離子在EI源內的運動狀態，從而影響質譜儀的分析靈敏度[2]，一般不采用。

2.3 主控電路設計

該主控電路主要包括電壓源，電壓采集、微電流檢測等，如圖4所示。電壓源電路由一個12位高精度串行DA轉換器MCP4725來控制加載在電子推斥極上的高壓模塊，給燈絲發射的電子提供初始動能。微電流檢測電路，采用超低偏置電流差動運算放大器OPA129直接進行V/I轉換，此方式一般不能精確放大pA級及更微弱的電流信號，但對于μA級電流來說簡單可靠。而在測量電子推斥極的電壓時采用電阻分壓原理以及高精度運算放大器OP07進行電壓監控。

圖4 主控電路Fig.4 The main control circuit

其中兩路反饋信號通過模擬開關CD4052進行選通并反饋給16位高精度AD轉換器MAX1178，從而通過FPGA把數據傳送給上位機LabView進行處理。

3 EI源軟件設計

3.1 下位機軟件的設計思想

下位機完成兩個功能：1)控制和實現D/A和A/D轉換；2)配置串口通信。

3.2 LabView上位機設計

LabView因其圖形界面直觀，易于移植與產品化的特點，廣泛應用于儀器開發。本設計采用LabView進行上位機設計，主要功能為：1)配置串口通信；2)電流值、電壓值的設定；3)繪制采集的數據曲線。由于被控對象隨著負荷變化或干擾因素影響無可避免，因而為了得到更好的輸出數據，本設計采用模糊自適應PID算法，對輸入輸出進行調整，結構如圖5所示。

圖中，Fuzzy控制器為兩輸入三輸出的系統，兩個輸入分別為系統的誤差e和誤差的變化率ec，輸出為PID的3個控制參數Kp,Ki和Kd，此設計采用模糊推理方法實現對 Kp，Ki、Kd的調整。首先將系統誤差e和誤差變化ec變化范圍定義

圖5 模糊自適應PID控制原理Fig.5 Fuzzy adaptive PID control theory

－9－為模糊集上的論域。其模糊子集為e,ec={NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，子集中元素分別代表負大，負中，負小，零，正小，正中，正大，然后應用PID參數的模糊矩陣表查出修正參數代入下式計算：

在線運行過程中，系統通過控制規則處理，查表和預算對PID參數進行在線自校正。圖6中（a）為設定值與輸出值作差值并補償給輸入方式得到的輸出曲線，（b）為采用模糊自適應PID算法得到的輸出曲線（Kp=0.5,Ki=0.15、Kd=0.1）。

圖6 電流、電壓輸出曲線Fig.6 Current,voltage output curve

通過對比可見，采用模糊自適應PID算法得到的電流、電壓調節時間短，精度高，可靠性好，運行穩定，抗干擾能力強，適合于EI源的控制應用。

4 系統測試結果

在室溫條件下，對電子轟擊電離源電路進行了測試，通過設置不同的電流和電壓值，可得到電流和電壓部分數據如下：

由表1得：電流設置值與實測值誤差在0.1%以內，電壓誤差值在0.2%以內，精度較高，可調量程較寬，能夠滿足質譜分析的需求。

5 結論

EI源因其靈敏度高，成本低、可靠性高和用途廣等特點，廣泛用于氣相色譜-質譜聯用技術（GC-MS）[6]以及月球探測質譜儀，因而，對電子轟擊電離源電路的研究具有很大的應用前景和意義。本設計采用FPGA內嵌軟核實現電流源、電壓源等電路的控制，電路穩定，擴展性強，對后期設計留有很大空間；上位機采用LabView界面控制，操作簡便，適合于產品化和模塊化，易于后期擴展修改，并使用模糊自適應PID算法對數據進行調整，使得控制穩定，精度更高，因而非常適用于EI源電路模塊化，小型化的開發與應用。

表1 電流、電壓值測試Tab.1 Current and voltage value of the test

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