２０１０年第２９卷第３期 传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ） ７１ 基于离子迁移谱的检测仪系统设计 张飞军，江海河 （中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽合肥２３００３１） 摘要：介绍了基于离子迁移谱（ＩＭＳ）技术的检测原理，设计了离子迁移管传感器，并在其基础上构建了 嵌入式数据采集与显示系统，在嵌入式系统上移植了应用程序，并进行了相关测试。 关键词：离子迁移谱；离子化；嵌入式系统；Ａ／Ｄ转换器 中图分类号：ＴＰ２７４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－９７８７（２０１０）０３－－００７１－０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＩＭＳ ＺＨＡＮＧ Ｆｅｉ－ｊｕｎ，ＪＩＡＮＧ Ｈａｉ—ｈｅ （Ａｎｈｕｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｓｃ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｈｅｆｅｉ ２３００３１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｒ（ＩＭＳ）ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ａｎ ｉｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｕｂｅ（ＩＭＴ） ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｎ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｙｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｉＳ ａｌＳＯ ｍａｄｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｒ（ＩＭＳ）；ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ；ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ；Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ ０引 言 计了用电晕放电电离 的方式取代放射性物质作为离子 离子迁移谱检测仪是一种利用离子迁移谱（ｉｏｎ ｍｏｂｉｌｉ－ 源。即离化区高压栅极，高压栅极强电场产生高能电子，高 ｔｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，ＩＭＳ）技术的专用探测仪。ＩＭＳ技术是一项 能电子与空气中的水氧气等气体分子碰撞后，形成反应物 专门的新型技术 Ｊ，在确定的温度、气压、电场条件下，通 Ｈ （Ｈ Ｏ） 和０ （Ｈ Ｏ） 。被测样品进入离化区后与反应 过精确测定离子在电场作用下穿过固定距离的迁移时间， 物碰撞而被离子化，如图１。 来确定被测可疑物质中是否具有某些化学成分的分子。因 迁移气出口 ＾，一离子门 迁移气入口 为不同物质的迁移率具有惟一性，所以，其迁移时间也具有 样品惟一性。ＩＭＳ检测仪具有灵敏度高、分析速度快、体积小、 Ｅｌ。＂＂▲Ａ．Ｖ 重量轻、耗能少的优点，特别适合于爆炸物、化学战剂和毒 。夔 子一 靛’ｌ离化区；—◆迁样品离子 移区 迁移气ｌＵ卜 ” 高压电场 品的痕量探测。在当今世界性反恐、禁毒的大形势下，该仪 图１离子迁移管原理 器越来越多地受到各国相关部门的重视，近年来陆续推出 Ｆｉｇ １ Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｉｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｐｉｐｅｌｉｎｅ 了商品化仪器。具有代表性的有Ｓｍｉｔｈ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ公司生产 离子门由嵌入式数据采集系统控制开启和关闭，样品 的Ｉｏｎｓｃａｎ系列，已经成功地用来对机场随身携带行李进行 离子在电场的作用下漂移至检测器，即电荷采集器，用以获 日常安全检查。另外，还有便携式Ｓａｂｒｅ ４０００离子迁移谱 得离子流信号，通常用法拉第盘，盘的弧度向外反射掉离子 仪，既可以用来测定爆炸物颗粒，又可以测定爆炸物蒸气。 残骸，不影响新的离子收集。采集到的离子电荷作为信号 本文介绍一种基于ＩＭＳ气技术的痕量爆炸物检测仪器的 电流一般在ｎＡ级，经放大后进人信号处理系统对离子流 设计。 峰时间进行测定和计算比对迁移率。在法拉第盘前面应加 １ 离子迁移管的原理与设计 上一个网型栏栅，以防止电荷的堆积和屏蔽离子门开启和 采用薄壳不锈钢作为迁移管外壳，密封且电屏蔽，也容 关闭时电压脉冲对电荷采集所造成的噪声，提高探测效率； 易做得轻小；金属气化室要升温快，温度均匀，能达到高的 栏栅和法拉第盘之间距离产生的场强对信号的测量影响较 气化温度，使气化效率高，一般达到２００￣３００ ｏＣ以上；传统 大，栏栅应交流接地。设置合适的各点电场值是探测仪灵 的ＩＭＳ采用放射性物质６３Ｎｉ为离子源，虽然有着稳定的优 敏测定微量物质的基础，在离子迁移管上加热保温的热源 点，但放射性物质的管理和使用会受到很大的。本文设 还不能产生纵向磁场影响离子的迁移，采用相邻电流方向 收稿日期：２００９－０７－－０２ 基金项目：江苏省高技术研究计划资助项目（ＢＧ２００７０１５）；国家“８６３”计划资助项目（２００８ＡＡ０５Ｚ４２２） ７２ 传感器与微系统 第２９卷 相向来消除磁场。每一种化合物的漂移时间不同，故在检 测结果的时间点上体现在不同的波峰位置上。 ２嵌入式数据采集与处理系统设计 ］ 用于安检的仪器需要运行，不采用上下位机的形 式，而是直接采用嵌入式数据采集与显示系统，该系统设计 包括硬件设计和软件设计。 ２．１硬件设计 硬件设计包括电路板设计，有内存模块，串口通信模 块，ＵＳＢ接口模块，电源模块，ＬＣＤ接口模块，ＡＤ和ＤＡ模 块。 １）模块的选择 ＣＰＵ采用Ｓａｍｓｕｎｇ的￥３Ｃ２４４０，主频４００ ＭＨｚ。ＳＤＲＡＭ 使用２片３２Ｍ的三星公司生产的Ｋ４Ｓ５６１６３２Ｃ，６４Ｍ的 Ｎａｎｄ Ｆｌａｓｈ，用于存储操作系统和程序数据等（三星公司的 Ｋ９Ｆ２８０８） １Ｍ的Ｎｏｒ Ｆｌａｓｈ（美国ＡＭＤ公司的ＡＭ２９ＬＶ８００ＢＢ）， 采用ＮＥＣ３．５寸触摸屏，为２５６ｋ色ＴＦＴｒ真彩屏，型号为 ＮＬ２４３２ＨＣ２２－２３Ｂ； ＣＰＵ与ＳＤＲＡＭ的接口如图２，由于ＮＯＲＦＬＡＳＨ的接口 和ＲＡＭ完全一致，性质也相同，既可随即访问（数据掉电还 在），故数据线ＡＯ—Ａ１９接ＡＤＤＲ１一－ＡＤＤＲ２０，ＤＡＴＡ０一ＤＡ— ＴＡ１５接ＤＯ～Ｄ１５，片选信号接￥３Ｃ２４４０的ｎＧＣＳ０。 ＡＤＤＲ２ ＤＤＲＩ４ －－－＿一． 缓冲薯 Ａ０～Ａｌ２（地址缝） ＤＡＴ＾０－ＤＡＴＡｌ５ ● ＝＝ ７４ＬＶＣＨ１６２ ●＝＝ ＤＯ—ＤＩ５ ２４５ 《数据缝片一） ＤＡＴ＾ｌ６～Ｄ ‘Ａ３１ ●＝＝ ■＝＝＝＝． Ｄ０～Ｄｌ５ （数据撬片二＇ ＡＤＤＲ２４ ＢＡ０ ＡＤＤＲ２５ ＢＡＩ ＳＤＲＡＭ其他信号 Ｋ４￥５６Ｉ６３２Ｃ Ｓ３Ｃ２４４０ 图２ ＣＰＵ与ＲＡＭ的连接 Ｆｉｇ ２ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｏｆＣＰＵ ａｎｄ ＲＡＭ ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ用来保存嵌入式ＬＩＮＵＸ系统和程序及数 据，ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ是使用顺序访问的ＦＬＡＳＨ，这里使用三星 公司生产的Ｋ９Ｆ２８０８，主要包括８个Ｉ／Ｏ脚，还有一些使能管 脚，ＣＬＥ为命令锁存使能，ＡＬＥ是地址锁存使能，ＣＥ为芯片 使能，ＲＥ为读使能，Ｒ／Ｂ为就绪或者忙的信号（ｒｅａｄｙ ｂｕｓｙ） ＷＥ为写使能，ＷＰ为写保护；￥３Ｃ２４４０使用存储控制器来提供 访问外部设备所需要的信号，总共分为８个ＢＡＮＫ，每个 ＢＡＮＫ的地址空间是１２８ Ｍ。８根片选信号ｎＧＣＳ０一ｎＧＣＳ７对 ８个ＢＡＮＫ；因为ＢＡＮＫ６一ＢＡＮＫ７还支持ＳＤＲＡＭ（支持编程 选择），故这段地址分配为ＳＤＲＡＭ。ＢＡＮＫ０由于其特殊性 使用，对应ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ，启动时加载Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ。 ２）离子信号采集电路设计 因为从检测器出来的信号经过放大后是０一ｌ０ Ｖ模拟 信号，要求ＡＤ分辨率大于１４位，采样速率大于１００ ｋＨｚ。 采用ＡＤＳ７８０５芯片。ＡＤＳ７８０５是一种１６位精度，ｌ０ ｓ采 样时间的ＣＭＯＳ结构模数转换器，它采用了ＳＡＲ技术，集成 有高精度的内部参考电源、跟踪保持电路和内部时钟电路。 具有如下特性：１００ｋｓｐｓ的采样速率；标准的±ｌＯＶ输入电 压；＋３ＬＳＢ ＩＮＬ，１６位无缺失码；＋５ Ｖ供电电压；可以使用 内部或外部参考电压；１６位并行数据接口；ＡＤＳ７８０５控制信 号有ＣＳ，Ｒ／Ｃ和ＢＵＳＹ。ＣＳ为整个芯片的片选信号，Ｒ／Ｃ为 读写控制信号，ＢＵＳＹ￣ｔ３整个采集标志信号。ＡＤＳ７８０５转换 时序如图３所示。 脱 且 ｙ 队 一 图３ ＡＤＳ＇／８０５转换时序图 Ｆｉｇ ３ Ｔｉｍｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｏｆ ＡＤＳ７８０５ ＡＤＳ７８０５片选信号 被始终设置为低电平，ｃｓ和Ｒ／Ｃ 控制数据的读取和转换。如果ｃＳ为低电平，ＢＵＳＹ为高电 平，Ｒ／Ｃ上第一个下降沿将初始化一个新的转换，此转换脉 冲宽度应该在４０ Ｉ１Ｓ一６ ｓ。变为低电平后大约延时６５ ａｓ后 ＢＵＳＹｔ￣，变为低电平，并保持低电平直到转换完成，然后，更 新输出寄存器的数据。当ＢＵＳＹ为低电平时，所有的转换命 令都将被忽略，Ｒ／Ｃ必须在ＢＵＳＹ＇［￣复高电平前完成由低电 平到高电平的转换。Ｒ／Ｃ的脉冲周期应该至少在１Ｏ ｓ以 上，而ＢＵＳＹ的脉冲宽度不应该超过８ ｓ。当 为高电平时， 数据线上的数据为高阻状态。ＡＤＳ７８０５的Ｒ／Ｃ和ｃＳ段接 ￥３Ｃ２４４０的ＧＰＩＯ端，ＢＵＳＹ端接￥３Ｃ２４４０的中断口。因为 ＢＵＳＹ由高电平变成低电平的时候，Ａ／Ｄ转换开始，转换完 成后恢复高电平，故采集完成后，通过中断告诉ＣＰＵ。 环境参数指腔体温度和腔体压力，而高压控制则是通 过控制器输出控制信号来改变高压模块输出的电压值。 环境参数的采集是由ＡＲＭ控制ＭＡＸ１９７芯片完成的， ＭＡＸ１９７芯片是１２位转换精度，分两次读取数据：先读取低 ８位，再读取高８位。 ＭＡＸ１９７的片选、读、写引脚分别与ＡＲＭ控制器 ＢＡＮＫ２的ｎＧＣＳ２，ｎＷＥ和ｎＯＥ相连接。而ＭＡＸ１９７的使能 信号引脚则与地址最低位ＡＤＤＲ０相连，因为数据的存储是 １６位的，即当ＡＤＤＲ０为０时先发送低８位数据，然后，地址 加１，指向下一个存储区域，此时ＡＤＤＲ０为１，再发送高８位 数据到此存储区域即可。 第３期 ２．２软件设计 张飞军，等：基于离子迁移谱的检测仪系统设计 ７３ 软件设计包括Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ移植 、操作系统内核移植， 文件系统移植、应用程序开发。下面介绍应用程序的开发。 ＩＭＳ仪的控制系统软件流程如图４所示。硬件初始化 完成了控制器￥３Ｃ２４４０的配置并执行引导程序，为系统软件 ≤ 强 橱呈 运行做好准备。系统初始化完成系统外围电路的初始化和 系统软件的初始化，并开启电磁阀清洗模块，以便清除气体 管道中的残余空气；当检测到有样品插入时，开启数据采集。 硬件初始化 迁移时Ｉ司／ｍｓ 图５ ６种混合物的波峰图 Ｆｉｇ ５ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｉｘｉｎｔｅｒｍｉｘｔｕｒｅｓ 设计了基于ＩＭＳ检测仪的系统设计，阐述了离子迁移管传 感器的工作原理和设计，基于实时多任务操作系统的ＩＭＳ Ｎ 主 进样口加热 样品插入 仪嵌入式数据采集与显示系统的设计，此仪器在毒品和爆 炸物检测中将发挥更大的作用。 参考文献： ［１］郭成海，曹树亚，张国胜，等．离子迁移谱技术研究和应用进 展［Ｊ］．生命科学仪器．２００８，６（７）：１－１１． ＝＝＝ 关闭电磁阀 进样口闭合 延时 打开电磁阀 数据采集 二］二 咖咖黜吕昌湖 枷瑚０瑚 图４系统软件控制流程 Ｆｉｇ ４ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ 数据分析与 处理、显示 ［２］孙明，孙可平，陈长光．电晕放电离子迁移谱的设计［Ｊ］．河 北大学学报，２００７，２７（１Ｏ）：１４２—１４４． ［３］李金香，王兴军，武波涛．离子迁移谱嵌入式控制系统设计及 实现［Ｊ］．舰船科学技术，２００８（６）：２５５－２５９． ［４］ 于云松，由德凯，孙其芳．基于￥３Ｃ２４４０的Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ的设计 与实现［Ｊ］．甘肃科技，２００８，２４（１５）：２４－２８． 本应用对乙醇（Ｅｔｈａｎｏ１），正丙醇（２－Ｐｒｏｐａｎｏ１），异丙醇 （１一Ｐｒｏｐａｎｏ１），正丁醇（１－Ｂｕｔａｎｏ１），正戊醇（１－Ｐｅｎｔａｎｏ１）和 仲辛醇（２．Ｏｃｔａｎｏ１）６种物质混合物（采用小波变换识别波 峰的方法 ）进行检测的结果如图５。 ３结束语 ＩＭＳ技术是当前国内外研究的热点，把它与嵌入式相 结合应用于实际产品的研制，是较前沿的研究领域。本文 、 ≥ ） ） ） ＼ ） ）ｐ ［５］ 张磊，江海河，储焰南，等．小波变换在重叠化学信号解析中 的应用［Ｊ］．理化检验一化学分册，２００８，４４（３）：２１２—２１５． 作者简介： 张飞军（１９８５一），男，湖南郴州人，硕士研究生，研究方向为自 动控制与嵌入式系统。 （上接第７Ｏ页） 表１半径测量误差 Ｔａｂ １ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｅｒｒｏｒ ｏｆ Ｉ．ａｄｉｕｓ 要。在实际测量时，应尽量使被测工件表面与传感器端面平 行，并使结构光光条靠近被测孔中心，以减小理论误差。 参考文献： ［１］刘常杰，杨学友，邾继贵，等．基于工业机器人白车身柔性坐 标测量系统研究［Ｊ］．光电子・激光，２００６，１７（２）：２０７－２１０． ［２］ 吴斌，薛婷，邾继贵，等．任意位姿平面靶标实现立体视觉 传感器标定［Ｊ］．光电子・激光，２００６，１７（１１）：１２９３一ｌ２９６． ［３］ 黄战华，蔡怀宇，李贺桥，等．三角法激光测量系统的误差分 测量位置 测量误差（ｍｍ）相对误差（％） 析及消除方法［Ｊ］．光电工程，２００２，２９（３）：５８－６１． ［４］李雁斌，刘常杰，邾继贵，等．一种直线轨迹跟踪的视觉传感 器［Ｊ］．光电子・激光，２００７，１８（１２）：１４１４－－１４１７． ［５］ Ｓｕｚｕｋｉ Ｓ，Ａｂｅ Ｋ．Ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｄｉｓｔｌａ ｂｉｎａｒｙ ｉｍａｇｅｓ ｂｙ ｂｏｒｄｅｒ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ［Ｊ］．ＣＶＧＩＰ，１９８５，３０（１）：３２－－４６． ［６］ 吴剑锋，王文，陈予辰．激光三角法测量误差分析与精度提 ４结论 高研究［Ｊ］．机电工程，２００３，２０（５）：８９－９１． ［７］ 刘国文，闫达远．一种基于线结构光的三维视觉曲面测量方 法［Ｊ］．光学技术，２００８，３１（７）：５５４－５５６． 针对机器人柔性坐标测量系统的需要，设计了一种线结 构光单目视觉传感器，具体分析了传感器测量空间图形的数 学模型，对其测量结果进行了误差分析，并用实验的方法证 明了该传感器精度适中，可以满足工业现场在线测量的需 作者简介： 何究 佳（１９８５一），男，天津人，硕士，主要从事视觉检测技术研
