论文部分内容阅读
离子迁移谱检测技术(ion mobility spectrometry，IMS)是上个世纪70年代末80年代初发展起来的一种痕量化学物质分析检测技术。其原理是将不同物质离子化后注入到均匀电场中，精确测定其迁移率，通过迁移率的不同来区分不同的物质。离子迁移谱仪作为一种结构简单、体积小、重量轻、功耗低、灵敏度高和分析时间短的检测手段，被广泛应用于毒品、爆炸物、化学战剂和大气污染物的分析检测，受到公安、环保等部门的极大关注和重视。
小型化、智能化与便携化是这一新的需求下提出新要求，计算机技术向嵌入式方向的飞速发展使得这些要求得以完美实现。将嵌入式计算机技术与IMS技术相结合，开发出小巧、便携、功能强大的现场检测并且在线分析的仪器则是一个全新的研究领域。本文在对IMS技术进行深入调研的基础上，研究并开发、实现了基于嵌入式系统的离子迁移谱检测仪，使离子迁移谱的技术得以更好地应用于众多偏远或复杂环境下的现场检测之中。
漂移管作为离子迁移谱的核心部件，其物理结构需要在电子学系统的支持下才能有效工作。本文在研究分析了漂移管的结构原理的基础上，分析了一个完整迁移谱仪的功能需求，设计出嵌入式IMS的电子学系统，很好地支持了漂移管的工作。迁移谱的输出信号为极微弱的电流信号，设计的T型反馈网的弱电流放大器，增益在1010以上，引入噪声小于40mV，能够有效地读出并放大了这一信号。同时，电子学系统实现了漂移管其它各项信号的读出与采集，并通过控制算法精确控制漂移管的工作参数。针对IMS中温度控制的特点，提出了通过积分饱和法改进PID控制器的方法，在漂移管的温度控制中达到了很好的效果，温控的精度达到了±0.5℃以内。
本文对基于DSP与ARM的双处理器结构嵌入式系统作了深入的研究和探讨，并完美地将这一新的技术应用到嵌入式离子迁移谱仪的开发中，作为迁移谱仪的分析、处理与控制的软、硬件平台。同时，分析了两个处理器之间数据通道，利用双端口RAM与共享内存的方式，很好解决了双核系统之间实时数据通道的吞吐瓶颈问题。
信号处理的算法是系统的核心与灵魂，特别是在嵌入式这样一个处理能力有限平台上进行对实时性要求较高的开发，对算法有着更高的要求。本文通过对滤波、平滑、去除本底、噪声估计等数字信号处理技术的研究，在DSP上实现了离子迁移谱数据的在线分析。同时，提出了基于噪声估计的快速寻峰方法，实验结果表明此算法实现了高噪声环境下的IMS图谱峰位的快速定位。迁移谱信号完整的处理时间控制在25ms以内，满足了IMS信号每30ms一帧图谱的实时处理要求。
初步的测试表明，本文设计的嵌入式离子迁移谱系统功能完善、工作稳定、实时性强，达到了设计要求。