（地球化学专业论文）mat261质谱计数字系统的剖析与改造.pdf

摘要 m t 2 6 1 质谱计数字系统的剖析与改造 作者简介：聂治，男，1 9 8 2 年5 月出生，2 0 0 5 年9 月师从于成都理工大学尹观 教授，于2 0 0 8 年6 月获硕士学位。 两要 m a t 2 6 1 质谱计是进行同位素分析的常用仪器，可以对各类地球物质( 含岩 石、矿物等) 的r b 、s r 、s m 、p b 等重质量数元素的同位素组成进行精确的定量 测定，在地学领域及国民经济的许多部门有着广泛的应用。 本文在介绍了m a t 2 6 l 固体同位素质谱计工作原理及仪器结构的基础上，对 质谱计的数字系统进行了深入剖析。根据仪器的控制过程，系统分析了质谱计 数字系统中的接口适配器和数据采集部分，过程控制部分，磁场控制部分以及 其他设备的工作原理和特点，为广大质谱计用户解决数字系统维修及仪器改造 等方面的难题可提供重要的参考。 在m a t 2 6 1 质谱计中，d a c 7 3 k 模块是美国b b 公司生产的d a 转换关键部件， 主要用于仪器计算机的磁场控制，目前我国市场上没有正式销售，国际售价高 达1 2 0 0 美元。为了降低维修成本，在保证仪器质量的f i 提下，研制设计了与 d a c 7 3 k 相兼容的十六位d a c 转换器。文章给出了转换器的硬件电路设计和转换 器在八位以及十六位微机上的应用，最后在m a t 2 6 l 质谱计上进行了相关功能和 性能的仿真测试，测试结果与进口的d a c 7 3 k 比较，数据完全符合设计要求，可 以取代进口产品。该转换器的研制成功不仅对加快质谱计国产化进程有重要意 义，而且在其它自动控制系统中也具有广泛的应用前景。 关键词：m a t 2 6 l数字系统d a c 转换器 成都理l ：人! 学硕+ 学位论文 a n a l y s i sa n d a l t e r a t i o no ft h ed i g i t a ls y s t e mo f m a t 2 61m a s ss p e c t r o m e t e r i n t r o d u c t i o no fa u t h o r ：n i e z h i ，m a l e ，b o mi nm a yo f19 8 2 ，w a sg r a n t e dt h em a s t e f 行o mc h e n g d uu n i v e r s i t yo f r e c h n o l o g yw h o s et u t o rw a sp r o f e s s o ry i n g u a n a b s t r a c t m a t 2 61s p e c t r o m e t e ri sag e n e r a l i n s t m m e n ta p p l i e di ni s o t o p i ca i l a l y s i s ，i t c a np r e c i s e l ym e a s u r ei s o t o p i cc o m p o s i t i o na sr b 、s r 、s m 、p bi nr o c k sa n dm i n e r a l s 肌dh a saw i d e s p r e a da v a i l a b i l i t yi nt h en u c l e u sa r e aa n dm a n yd e p a r t m e n t so f n a t i o n a le c o n o m y b a s e do ne x p a t i a t i n gt h ew o r kp r i n c i p l ea n dc o n 丘g u r a t i o no fm a r 2 6lt h e 肌a 1 i o n i z a t i o nm a s ss p e c t r o m e t e r ，t h ed i g i t a ls y s t e mo ft h i ss p e c t r o m e t e ri sa n a l y z e di n d e t a i l a c c o r d i n gt ot h ec o n t r 0 1p r o c e s s ，t h i sa r t i c l eh a ss y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e dt h e i n t e r f a c ea d 印t e r& d a t aa c q u i r i n gs u b s y s t e m ， p r o c e s sc o n t r o l l i n gs u b s y s t e m ， m a g n e t i cf i e l dc o n t r 0 1 l i n gs u b s y s t e ma n do t h e ri n s t a l l a t i o n s p r o v i d i n gr e f e r e n c eo f d i g i t a ls y s t e ms e r v i c ef o r t h em a s s e so fs p e c t r o m e t e ru s e r s a sak e yc o m p o n e n to fm a g n e t i cf i e l dc o n t r o l l i n gi nm a t 2 61 s p e c t r o m e t e r ， d a c 7 3 ki sm a d ei nb bc o m p a n y ，u s a i t sa p p l i e di nh i g h a c c u r a c yd a c o n v e r s i o na n dn o tb es o l di nc h i n am a r k e t ，i n t e m a t i o n a ip r i c ea b o u t12 0 0d o l l a r s t ba c h i e v ec o s t - e f f e c t i v ei nm a i n t e n a n c e ，u n d e rt h ec o n d i t i o no fq u a l i t ya s s u r a n c e ， r e s e a r c h e da n dm a n u f a c t u r e da16b i t sd a cc o n v e n e rw h i c hc a nb ei n t e g r a t e dw i t h d a c 7 3 k i nt h i sp a p e r ，t h ec i r c u i td e s i g no ft h ec o n v e i r t e ra n dc o n n e c t i n gt oa8b i t s o r16b i t sc o m p u t e ra r ep r e s e n t e d f i n a l ly ，t h ec o r r e l a t i v ef u n c t i o n sa n dc a p a b i l i t i e s a r em e a s u r e do nm a t 2 61 ，t h em e a s u r e m e n ti n d i c a t e st h a te x p e r i m e n t a ld a t af i t s n i c e l yw i t ht h ed e s i g na n dc a nt a k e t h ep l a c eo fi m p o r t s t h i sc o n v e r t e ri s c o m p a t i b l et om a g n e t i cf i e l dc o n t r o l l i n gs y s t e m so fo t h e rm a s ss p e c t r o m e t e r sa 1 1 d a l s oc a nb eu s e dw i d e l yt oo t h e ra u t o m a t i cc o n t r o l l i n gs y s t e m k e y w o r d s ：m a t 2 6 1 d i g i t a ls y s t e m d a cc o n v e r t e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛壑堡王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 聂瞧 2 8 年 厂月3 1 r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛壑理王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛壑堡王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：是 学位论文作者导师签名： 2 喈年 厂 月 l 同 第1 章引言 第1 章引言 1 1 质谱分析法概述 质谱分析法是通过对被测样品离子质荷比进行检测的方法。被分析的样品 首先要进行离子化，然后利用不同离子在电场或磁场中的运动行为的不同，把 离子按质荷比( m z ) 分开而得到质谱，根据样品的质谱和相关信息，可以得到 样品的定性定量分析结果。质谱分析已经成为有机化学、药物学、生物化学、 医学、毒物学、食品化学、法医学、石油化学、地球化学、污染研究以及其他 许多方面研究工作中不可缺少的工具。质谱技术现在已经在分析领域内发展到 具有高度精密性和综合化程度最高的水平_ 1 ，这主要得益于生产和科学研究的 急需和近代物理学、电子学及真空技术高速发展的结果。 1 9 世纪木，由于j 麦克斯韦( j m a x w e l l ) 在电磁学方面的实验和理论研究， 为质谱计的发展打下了基础。1 8 8 5 年w 温( w w i e n ) 在电场和磁场中实现了正 离子束的偏转。1 9 1 1 年英国物理学家j j 汤姆逊( j j t h o m p s o n ) 使用磁偏仪 获得了抛物线族的质量谱图，证明氖有相对质量2 0 和2 2 两种同位素存在。最 初的精密仪器是由j 丹普斯特( j d e m p s t e r ) 在1 9 1 8 年制作的单聚焦质谱计和 f w 阿斯顿( f w a s t o n ) 在1 9 1 9 年制作的速度聚焦质谱计，用于测量某些同位 素的相对丰度。阿斯顿的仪器类似于光学中的摄谱仪，利用感光板来测定离子 流强度，可以对相对质量做比较准确的测定，被称之为世界上第一台质谱计。 阿斯顿用这台装置发现了多种元素同位素，研究了5 3 个非放射性元素，发现了 天然存在的2 8 7 种核素中的2 1 2 种，第一次证明了原子质量亏损。 2 0 世纪3 0 年代丌始，离子光学理论逐步发展起来，通过对磁场中离子运 动规律的理论研究，发现将电场和磁场作适当的组合，可在很大程度上改善仪 器的性能，为仪器的研制提供了理论依据，为精确测定原子相对质量奠定了基 础。1 9 3 4 年诞生的双聚焦质谱计是质谱学发展的一个里程碑，双聚焦仪器大大 提高了仪器的分辨率，丌创了原子量精确测定的新局面。近年来，随着电子技 术、真空技术、计算机技术、材料科学及精密机械等方面的进展，使质谱仪器 的应用领域不断扩展。质谱计不仅用于元素定性、定量分析，而且用于亚稳离 子检测、负离子检测、碎片离子检测、离子碰撞激发以及离子动能谱检测等， 成都理i ：人学硕十学位论文 例如测定精度可达1 0 “的同位素质谱计、鉴定有机分子结构分辨率达几十万的 高分辨质谱计、分析固体微区( 1 “m ) 杂质分布和深度( 几个，2m ) 分布的离子探针 质谱计、测定数十“s 内快速反应组分瞬念变化的飞行时间质谱计以及用于测量 相对质量精度为1 0 、分辨率为1 0 9 以上的大型质谱仪器等各种不同性能要求的 仪器。 近2 0 年来质谱技术随着新型电离技术，质量分析技术，分离手段联用技术 的发明以及二维分析方法的应用，迅速发展成为最广泛使用的痕量分析手段。 目前质谱技术f 在向扩大测定相对质量范围的方向发展，以适应生命科学研究 的要求，这是涉及到对分子量高达数千至数力的极微量热不稳定的有机分子的 检测、鉴别和结构分析的重大课题。为了使这些有机大分子形成分子离子或形 成可识别的少数碎片离子，发展了各种所谓的软电离方法，如化学解吸电离法、 激光解吸法、场解吸法、二次离子质谱法、快原子轰击法等。 目自仃国外生产的质谱计每三到五年就出现一代新产品，特别是联用仪器发 展更为迅速，如：用于快速、高精度、高分辨分析的质谱一质谱一计算机仪器； 用于复杂组分定性、定量分析的色谱一质谱一计算机仪器，它们的自动化程度 都很高，今天在有机分析中，从l m g 混和样品中迅速鉴别3 0 5 0 个有机组分， 是不困难的。而在仪器制造上，大、中型质谱计一方面向高、精、尖、全自动 方向发展，每台仪器配有多种离子源和检测器，能适应各种分析的需要；另一 方面向小型、轻便化方向发展，目前已生产出多种型号的手携式和台式质谱计 用于医学、环保、食品等领域。我国在解放前质谱技术处于空白状态，解放后， 由于原子能工业的发展，促进了对质谱计的研制。1 9 6 9 年，中国科学院上海冶 金研究所、上海电子光学技术研究所、中国科学院科学仪器厂、北京分析仪器 厂先后研制成功了双聚焦火花离子源质谱计。1 9 7 5 年，上海新跃仪表厂制成采 用二次离子质谱技术的z l f 一3 0 0 型直接成像离子分析仪。1 9 7 7 年，中国科学院 科学仪器厂制成采用双聚焦质谱系统的l t 一1 型扫描离子探针质谱微分析仪。 1 9 8 3 年，中国科学院科学仪器厂和天津大学先后制成飞行时间质谱计。目前， 我国有诸多生产厂家，如北京分析仪器厂、南京分析仪器厂、中科院科学仪器 厂等可以生产多种型式的质谱计，如同位素质谱计、双聚焦质谱计、离子探针 质谱计、飞行时间质谱计、四极质谱计、色谱一质谱联用计等。但我国质谱计 在研制、新技术的引进以及应用方面的水平仍比较落后，随着我国现代分析测 试技术的进展，质谱计的发展也将进入一个新的阶段。 第l 章引言 固体热电离质谱计的应用促使同位素地球化学研究获得重大进展，涉及了地 学研究大多数领域，它们可以测量常规和微量样品固体同位素组成，包括铷一锶、 钐一钕、铀一铅、过渡族元素( 如铁、铜等) 和轻质量元素( 如锂和硼) 同位素组成。 法拉第接收器因技术进步已具备稳定和高效率特征，能够保证接收器之间稳定的 增益，使得在静态测量方式下可以获得高精度的同位素比值，达到一致的内部和 外部精度。现在固体热电离质谱计广泛应用在同位素地质年代学中，可以直观地 观察到样品内部同位素组成的变化，如锆石中蝴p b 2 0 6 p b 比值，指示锆石内部t h u 比值变化或2 0 7 p b 2 m p b 比值变化，直接反映出继承锆石的存在与否和复杂的结晶历 史。多通道离子计数器之问的效率差别可以采用测定铅标准溶液同位素比值来校 正，简便快捷，可以获得高精度的2 7 p b “琳p b 年龄，而且经济环保。r b s r 同位素 定年及随后的s r 同位素地球化学示踪在地学领域发挥着重要作用，然而，由于盯r b 对8 7 s r 的同质异素干扰，s r 同位素微区原位分析方法存在困难，尤其是较高r b 含 量矿物，如云母，r b 和s r 化学分离和热电离质谱计测试仍然是高精度、高准确度 s r 同位素比值测量的最佳选择。多数情况下r b s r 同位素定年方法采用等时线法， 即为不同矿物或全岩构成的等时线。然而，对于经历复杂变质过程的岩石，矿物 有多期的特点，即可在进变质、峰期、退变质阶段结晶生长，而前期矿物组分也 在后期会受到变质作用的叠加改造。为了克服后期改造因素的影响，就必须利用 矿物颗粒间元素含量的差异，构成单一矿物内部等时线定年。由于r b s r 化学流 程本底低，就可以通过采用低本底高温高压溶样技术，结合固体热电离质谱计具 有较高灵敏度的特征，可以对s r 总量低于l n g 的地质样品，如单颗粒矿物或微量 全岩样品，进行较高精度的同位素比值测定和精细定年。 2 0 世纪9 0 年代，h a 印e r 和j a c o b s e n 利用m a t 2 6 1 质谱计测量了格陵兰i s u a 古老的 长英质片麻岩n d 同位素组成，发现2 n d n d 比值的正异常。2 n d 正异常是由于 短寿命的6 s m 同位素衰变积累造成的，其半衰期大约是1 0 3 m a ，在地球形成后的 3 0 0 m a 左右因衰变而耗尽。因此，1 4 6 s m 一2 n d 同位素体系可以成为研究地球早期历 史的分馏演化过程的有效手段之一。然而，初始6 s m 丰度低，在4 5 6 6 g a 前， 6 s m 4 s m 比值仅为0 0 0 7 8 ，2 n d 4 n d 比值的f 异常很小，仅为( 3 0 4 0 ) 1 0 6 左 右，而高精度固体同位素质谱计的测量精度可以达到5 l o 娟左右，因此，可以在 研究地球早期分馏过程中获得突破性的进展。固体热电离质谱计的运用还有望大 幅度地促进壳幔相互作用与深部物质成分、古大陆形成与演化、造山带与瓮地演 化、新生代地质与环境、流体与成矿，宇宙诞生与演化等重要领域的研究工作。 成都理l ：人学硕+ 学位论文 1 2 数字系统在m a t 2 6 1 质谱计中的作用 根据对1 9 8 3 年度诺贝尔科学奖获得者的调查表明，计算机、人工智能和机器 人是对下个世纪人类生活产生最深刻影响的几种新技术。不难发现，这些技术的 共同基础就是通常所说的数字系统技术。随着计算机技术和数字技术的发展，现 代电子设备已经从单纯用模拟电路，丌始大范围地向数字化转变。目前，大多只 在模拟信号采集、微弱信号放大、高频大功率输出等局部电路采用模拟电路，其 余部分广泛采用数字技术及数字处理电路。因此，对大型仪器数字系统的剖析和 局部改造，成为电子工程技术人员必备的专业技能。在数字系统中，信息处理单 元和控制单元是最基本的两大部件，尽管各种数字系统可能具有完全不同的功能 和形式，但是都可以用信息处理单元和控制单元所构成的基本数字系统模型来描 述它们的基本结构，见图卜1 。 数 据 流 输入信息 输入的外部控制信号 图卜1数字系统基本模型 控 制 流 m a t 2 6 1 质谱计的电路分为模拟和数字两大部分，仪器的控制和数据的采集均 由计算机通过数字电路传递信息对模拟电路实现控制，解决了质谱计和计算机的 联用问题，数字系统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，因此数字系统是仪 器运行的技术关键。根据仪器的控制过程，可将数字系统分为4 个部分，即接口 适配器和数据采集部分，过程控制部分，磁场控制部分以及其它设备( 如t e s t b o a r d ) ，图卜2 说明了其间的关系。 4 第l 章引言 r e l a y b o a r d 计算机 g p l b d i g i t b o a r d l d i g i t b o a r d 2 3 m a s ss e l e c t o r d a c t e s t b o a r d 过程控制接口适配器数据采集磁场控制其他设备 图卜2 m a t 2 6 1 系统控制总线图 计算机通过接口g p i b 以i e e e 一4 8 8 总线与仪器相联，仪器d i g i tb o a r d l 上的 i e e e 一4 8 8 接口适配器直接与总线相联，作地址和数掘译码，并与d i g i tb o a r d 2 3 构成多路反频率计数器进行数据采集，同时以1 组八位数据线和5 根控制线与 r e l a yb o a r d 相联，控制继电器和仪器状态采集构成过程控制部分，m a s ss e l e c t o r d a c 1 6b o a r d 由接口适配器与i e e e 一4 8 8 总线连接，并控制磁场调节板构成磁场控 制部分。在同一总线上可以同时控制1 6 个g p i b 设备，如t e s tb o a r d 等，构成了其 它部分。 1 3 质谱计数字系统的研究现状和研究意义 由于m a t 2 6 1 质谱计在同位素分析中占据重要地位，因此国内外各研究机构都 非常重视该仪器的研究工作。西北核技术研究所王洪等剖析了m a t 2 6 1 质谱计的 h p 9 8 4 5 计算机数据系统的软件，研制出改进程序n i n t l o ，比原程序增加了功能， 提高了运行速度，减少了内外存消耗。中国地质科学院方向等结合仪器的控制电 路，以测控程序为实例，对质谱计软件控制技术进行了较为深入的剖析，运用软 件对工作中遇到的问题进行分析，并对测控软件进行局部修改，以满足应用需要。 东南大学许海密等通过对质谱计扫描规律的详细研究，探讨了新颖的定点扫描方 式，提出了最小二乘质量标定方法，较好的解决了监测过程中监测频率和监测组 分数之间的矛盾。c a l t e c h 线性加速器中心的k 穆勒( k m u e l l e r ) 用三维离子 光学仿真软件s i m i o n3 d 7 o 对离子源及分析管道内的电场分布及离子运动进行 仿真和分析，选定了离子透镜各电极电压的最佳范围，提高了仪器的灵敏度盯1 。 随着计算机技术的普及和提高，以及同位素分析方法的需要，特别是仪器运 行多年，数字控制部分的故障率不断提高，使得质谱工作者迫切需要了解和掌握 成都理r 人学硕十学位论文 其数字系统的硬件和软件工作原理，并在现有条件基础上对仪器硬件和软件设计 进行局部改造，以满足实际应用需求。因此，对质谱计数字系统的剖析和改造， 可以为广大质谱计用户解决数字电路维修方面的难题提供参考，同时，也能大幅 降低维修成本，为仪器的国产化打好基础。 1 4 主要研究内容 本课题的主要研究内容为m a t 2 6 1 质谱计数字系统的剖析以及针对磁场控制 关键部件d a c 7 3 k 模块的改造。需要实现的目标如下： ( 1 ) 分析m a t 2 6 1 质谱计的工作原理及仪器结构。 ( 2 ) 解剖m a t 2 6 1 质谱计的数字系统，根据仪器的控制过程，系统分析了质 谱计数字系统中的接口适配器和数据采集部分，过程控制部分，磁场控制部分以 及其他设备的工作原理和特点。 ( 3 ) 研制设计与d a c 7 3 k 相兼容的十六位d a c 转换器，并使其性能、指标达到 进口模块的水平，而造价低于进口产品，并在质谱计中得到应用。 6 第2 章m a t 2 6 l 质谱计i ：作原理及仪器结构 第2 章m a t 2 6 1 质谱计工作原理及仪器结构 2 1m a t 2 6 1 质谱计的工作原理 为了纯样品进样及保证离子束按照设计轨道运行，减少剩余气体本底及“记 忆”效应，保证离子源各电极之间的绝缘，整个分析过程都必须在真空中进行。 真空的获得由仪器的真空系统完成。 被分析样品经化学处理后，涂在会属带上( r e 、t a 、p t 带等) ，送入离子源， 通电加热金属带使样品蒸发，蒸气中一部分分子( 或离子) 撞击灼热金属带表面， 产生表面电离，产生的正离子在高压( 1 0 k v ) 电场中加速，并聚焦、整形成一束 截面为矩形的离子束，经离子出口缝射入一个固定的扇形磁场内( 称为磁分离 器) 。蒸气中另一部分仍保持分子( 或原子) 状态分离金属带而被抽走。这些带电 粒子高速进入垂直于离子速度方向的均匀磁场内，在磁场力的作用下，运动轨 迹要发生偏转。运动的离心力必然和磁场力相等，因而有： 丝：p y( 2 1 )= p 爿yl z - lj 尺 其中m 为离子质量、v 为离子运动速度、e 为电荷、v 为加速电压、h 为磁场强 度、r 为粒子偏转运动的曲率半径。 离子由于受到静电场的加速获得速度v ，具有一定的动能。离子的动能和 电场能量的关系是： 二 知2 ：p y( 2 2 ) 2 由以上两式，很容易得到： 丝：堡丝 ( 2 3 ) 一= 一 t 一， p2 y 公式( 2 3 ) 就是静态磁式质谱计的设计基础，称之为质谱计的基本工作方程式。 这个公式表明，在磁场强度h 和加速电压v 一定的情况下，质荷比m e 相同的 离子具有相同的曲率半径r ，即质荷比相同的离子在垂直磁场平面上作同一半 径的匀速圆周运动，质荷比不同的离子作半径不同的匀速圆周运动，具有不同 的轨迹。这就说明，磁场具有将不同质荷比的离子按空间位置展开，或者说是 按空间位置色散的特性。这样，不同质荷比的同位素离子在经过磁分离器后 7 成都理i ：人学硕十学位论文 达到彼此间的彻底分离，并经接收器入口缝被接收器( 法拉第杯) 所接收( 图 2 1 ) 。离子流的强度大小实际上反映了这些不同质荷比离子数目的多少睛，籍 此可以定量测出各种同位素之间的比值。 法拉第杯 法拉第杯_ 三豆薹 _ 二圣薹三 ! 竺兰二 - - 三墓薹二 二 三垂呈二) = = 【二垂蚕二 拇 图2 1m a t 2 6 1 质谱计工作原理图 离子流被法拉第杯接收以后，在与法拉第杯相连的一个高值电阻上产生电压 信号，并由检测放大器放大，经u f c 转变为脉冲信号，由计数器进行计数后，输 出到计算机，由计算机程控数据采集、处理和结果打印。 2 2m a t 2 6 1 质谱计的仪器结构 m a t 2 6 1 质谱计属静态磁式质谱仪器，精度、灵敏度比较高，分辨率为4 0 0 ( 取 1 0 峰高处的峰宽) ，测试精度为1 1 0 一。它是利用一个扇形磁场将质荷比不同的 离子按空间位置分离开，并以一定角度入射到磁场，同一质荷比的离子会聚到离 子检测器的一点，实现方向( 或角度) 聚焦。 m a t 2 6 1 质谱计主要由进样设备、分析系统、真空系统、电子柜和计算机系统 等组成。进样设备完成样品点样( 样品滴到样品盘的金属带上) ，然后送入至离子 源。分析系统完成样品的电离，离子的引出、加速、聚焦，不同质荷比离子的分 离，以及离子束的检测和接收等一系列分析工作。真空系统保证整个分析室工作 时处于高真空状态。电子柜主要是仪器的电子电路部分，包括直流电路放大器、 第2 章m a t 2 6 1 质谱计l ：作原理及仪器结构 电压频率转换器、数字控制板、继电器板、运算电路等部分，配合计算机完成 数据采集、处理和仪器调校等所有的测控功能( 图2 2 ) 。 图2 2m a t 2 6 1 质谱计的仪器结构 9 成都理i ：人学硕十学位论文 第3 章接口适配器和数据采集过程分析 3 1h e f 4 7 3 8 v p 芯片简介 h e f 4 7 3 8 v p 为g p i b 专用接口适配器，是p h i l i p s 公司生产的大规模集成电路产 品。g p i b 接口( 即i e e e 一4 8 8 总线接口) 是国际上通用的一种总线标准h 。7 1 。它是一 种位并行、字节串行的总线结构，专门用于计算机与输入输出设备的通信。g p i b 的有关标准对各接口功能的状态和逻辑关系进行了统一而严格的规定，但对如何 实现接口功能，却并无统一要求。只要满足接口状态图的规定，就可以根据器件 情况和现有芯片、材料等进行灵活设计。h e f 4 7 3 8 v p 芯片不需要微处理器的支持， 各种接口功能可以不用软件编程来设定，而是由硬件逻辑电路产生啊一3 。它以4 片 线路驱动器m c 3 4 4 1 完成8 位效据线、5 条控制线和3 条握手线的信号缓冲，由1 片 c d 4 0 1 4 八位静态移位寄存器构成设备选通的主地址。如图3 1 所示，其中p 3 一p 7 组成了设备的选通本地址。m a t 2 6 1 的d i g i t b o a r d l 被设定为2 5 。 0 s 同a c 6 2 2 0 p 6 3 v c p d 5 v c c 图3 1 g pib 地址选通示意图 3 1 1h e f 4 7 3 8 v p 芯片的接口功能 l o 躲 !ll 一 盯 聆 巧 m 船 舱 h 上叽 n 。4 0 1 乒 t 锄 d d c 虻 一m 髓 心 籼 叫 一刚 蚴姗 呲竺洲型l到ll剁i刭 第3 章接口适配器和数据采集过科分析 h e f 4 7 3 8 v p 是p h i l i p s 公司以l o c m o s 工艺制造的大规模集成电路通用接口 芯片。该芯片包含有除控制功能以外的其余9 种接口功能及远地信息译码器。 它的各功能子集如下瞳1 0 1 3 3 ：a h l 受者互锁联络功能子集l ；s h l 源互锁联络功能 子集1 ；d t l 设备触发功能子集1 ；d c l 设备清除功能子集l ；r l l 远地本地功能 子集1 ；p p l 并行点名功能子集1 ；t 1 或t 5 讲者功能子集l 或5 ；l l 或l 3 听者 功能子集1 或3 ；s r l 服务请求功能子集1 。也就是说：h e f 4 7 3 8 v p 可以实现除 控制功能之外的其他接口功能，同时也易于在其中扩展一个控制功能而使其成 为一个负责控者或系统控者。此外，该芯片内部设有地址和命令译码器，可以 译出m t a 、m l a 、0 t a 、u n l 、s p e 、s p d 、d c l 、s d c 、g t l 、l l 0 、g e t 、p p c 、p p u 、 p p e 、p p d 、p c g 、t c t 等。 h e f 4 7 3 8 v p 采用4 0 引脚封装，其引脚功能按信号线可分为输入和输出两大 类，各引脚功能如表3 1 和表3 2 所列。这些输入信号消息是指从器件输入到 h e f 4 7 3 8 v p 的消息，除挂钩线和管理线外都是一些本地消息，其中需要说明的 是i c a t s ，当扩展控制功能时用到该引脚，i c a t s = c a c s v c t r s ；这是控制功能 送往源互锁联络功能的交链状态。当此信息为真时，传送器才允许从控制功能 来的接口信息进入母线。 在输出信号中，还应对以下几点作以说明： ( 1 ) o t a = t a d s + t a c s + s p a s = t i d s ：此信号为真时，表示本芯片讲功能被寻址 或处于发送信息状态。0 t a 八a t n = t a d s ；o t a 八a t n = t a c s + s p a s 。 ( 2 ) o s p = s p a s ：此信号为真时，表示讲功能处于s p a s 状态。 ( 3 ) o t c t ：此为h e f 4 7 3 8 v p 送往控制功能的取控信息。实际上，这是用 h e f 4 7 3 8 v p 内部的多线信息译码器把t c t 多线信息译成o t c t 以简化控制功能电路 的扩展。 数据总线由8 根信号线组成，其中3 根是数据传输控制总线，5 根是接口管理 总线，它们负责传输接口和设备信息，可以在同步和双向模式下工作。这8 根信 号线的功能分别是： d a v ：数据有效，说明d i o 线上的信息是有效的。 n r f d ：数据没有准备好，说明连接这根线的设备准备接收数据。 n d a c ：数据没有接收，说明连接这根线的设备已经接收完当前数据。 a t n ：注意，被控制器用来说明是否有信息在d 1 0 线上。 成都理l ：人学硕十学位论文 i f c ：接口清零，被控制器用来重置完整的静态接口系统。 s r q ：服务请求，被设备用来说明是否需要注意和中断当前事件顺序。 r e n ：远距离授权，两种源设备程序数据的选择。 e o i ：结束或鉴别，被讲者用来说明多字节转移顺序的结束或执行与a t n 信 号有关的并行检测。 表3 1h e f 4 7 3 8 v p 的输入信号引脚功能 输入信号引脚引脚功能说明 i d l 0 1 1 d 1 0 7 数据输入输山线双向信号线 i p o n输入电源接通+ 5 v 电源 i c p输入时钟脉冲 2 m 时钟 i s r 移位寄存器输入寄存器输入信号端 i a t n 输入“注意”接口管理线 i i f c输入“接口清除” 接口管理线 i r e n 输入“远控功能”接口管理线 i e o i 输入“结束或识别”接口管理线 i d a v 输入“数据有效”挂钩线 i r f d 输入“准备好接收数据”j 丰钩线 i d a c输入“数据已收到”挂钩线 i n b a 输入“新字：仃可川”本地消息 i r d v 输入“准备好接收卜一信息”本地消息 i c a t s 输入“控者作刚”或“传递状态”本地消息 互锁功能是用来在源和接收器之间传递数据，一般说来源是讲者，接收器 是听者，图3 2 用流程图的形式说明了工作顺序。图上对应的号码解释如下： 系统处于静态，d a v 为高电平，n r f d 为高电平，n d a c 为低电平。 源检查总线是否有错误，如果没有错误，将在d i o 线上置数据。 源允许一个短延迟来处理数据。 源检查n r f d 是高电平，置d a v 为低电平，说明数据线有效。 判断数据信号有效后，接收器置n r f d 为低电平，不再进行数据传输。 接收完数据，每一个接收器置n d a c 输出高电平。 l ， 第3 章接口适配器和数据采集过程分析 当源判断n d a c 为高电平，置d a v 为高电平。 当接收器判断d a v 为高电平，置n d a c 为低电平，准备下一个数据传输 循环。 第一个接收器置n r f d 输出高电平，准备下一个数据传输。 如果源已经没有更多的数据传输，系统回到静态，见第一步，如果源开 始了另一次数据传输，系统从第二步执行。 图3 2 互锁联络功能流程图 成都理i ：人学硕十学位论文 表3 2 输出引脚说明 输山信号引脚引脚功能说明 o r e d 输出“准备好下一移位周期”本地消息 o s r q输山“服务请求” 管理线 0 d a v 输出“数据有效”挂钩线 o r f d 输出“准备好接收数据”挂钩线 o d a c 输出“数据收到”挂钩线 0 t a 输山“讲者作用”本地消息 0 s p输出“串行点名”本地消息 0 p 1 0 p 3输出“并行点名响应消息” 本地消息 0 p p 输出“并行点名响应可能”并行点名使能线 o r q s 输出“服务请求”管理线 0 d c d输出“不改变数据”本地消息 0 d v d 输出“数据有效的设备”本地消息 0 t r g 输出“触发” 本地消息 o c l r 输出“消除”本地消息 0 1 0 c 输出“本地”本地消息 o t c t 输出“取控”本地消息 3 1 2h e f 4 7 3 8 v p 的内吉j 5 结构 h e f 4 7 3 8 v p 接口芯片的内部结构框图如图3 3 所示。从芯片结构框图中可以看 出，该芯片不存在和微处理器联系的引脚，它的这些接口引脚可通过收发器与 g p i b 母线直接联系，另一些引脚大部分和本地消息的形成和传递有关。通常情况 下，它不需要微处理器管理，只要配上发送接收器( 如m c 3 4 4 1 ) 和一些必要的支 援芯片( 如h e f 4 0 1 4 开关移位寄存器等) ，就可以和功能器件及g p i b 母线相连，从 而完成其所要求的9 种接口功能。另外，本芯片又考虑了扩展一个控功能的可能 性，以使其成为一个系统控者或责任控者。控制功能接口电路可以用大、中、小 规模集成电路单独实现，在此暂不详述。 内部结构图中的c v d ( c o m m a n dv a l i d ) 为命令有效，此信号用于在特定时刻允 1 4 第3 章接口适配器雨i 数据采集过程分析 许命令译码，表示命令有效。a v d ( a d d r e s sv a l i d ) 为地址有效，此信号可用作地 址码a 1 a 5 进入译码比较器时的选通信号。 h e f 4 7 3 8 v p 的所有输入输出信号在其内部一律采用f 逻辑，然后经发送器或 接收器变换成负逻辑与母线相接。另外除了收发器电路，还需要电源、时钟以及 外部开关移位寄存器电路，从而完成g p i b 的讲者和听者功能。 面丽o d c i r d y 图3 3h e f 4 7 3 8 v p 结构框图 3 2 地址选择脉冲信号的产生 由j k 触发器i c l 0 1 和相应的电路完成，提供设备内部的读写信号和地址译码 片选信号c s ，并产生r d y 信号送回g p i b 适配器h e f 4 7 3 8 v p 作为接口响应的信号，完 成计算机与接口的响应过程，见图3 4 。 成都理i ：人学硕十学位论文 图3 4 地址选择脉冲信号控制 3 3 地址译码电路 由一片八d 触发器7 4 l s 3 7 4 和3 片三一八译码器7 4 l s l 3 8 组成，分别产生两组地 址信号供板上读写操作使用。i s 5 8 的一个使能端由w r 信号控制，即写信号有效， b i t 3 低电平，b i t 4 高电平时y 2 有效，地址为1 6 ，y 5 的地址为4 0 ，即i c 5 6 的基地址 为1 6 ，i c 5 7 的基地址为4 0 ，译码结果如图3 5 所示。 1 6 b 工t 0 b 工t 1 b i t 2 b 工t 3 b 工t 4 b i t 5 第3 章接口适配器矛数据采集过科分析 图3 5 地址译码逻辑控制 3 4 地址控制单元 将地址译码器产生的地址分配给数字板上的不同计数器及一组计数器中不 同的计数芯片上，o d c d 是接口适配器h e f 4 7 3 8 v p 产生的脉冲信号，当进行读总线 操作时，每读一个字节，即产生一个有效的正脉冲，经过适当延时，送入计数器 7 4 l s 3 9 3 进行移位寄存，再由对应的译码器译成脉冲序列，分别按顺序读取计数 器的数值，见图3 6 。 1 7 成都理i ：人学硕+ 学位论文 o d c d - h 。4c 3 墨 耋虿 g n 皇 u 目 一一 l li ， l _ 一 7 r 1 j l j l j l i i 3 n z 、r- 1 ， r 乇1 1 3 v p8 51 2 - 1 51 4 【3 1 3 卜j 1 1 i c 5 lc l r b y 0 y 1y 2 o d c ar v c c jli 7 卜s n 7 4 l s 3 9 3 5 i c 5 9 1 - 口 r a b c d l 叩警1 伊g 帅 3 4 5 e 1 2 3 6 1 236 1 2 3 5 1 2 3 4 4 t1b 4 d 1i a 6 2 b c d iab c “j 工嘶1 。 l i c 6 0 c s l 丌4 l s l 3 85 5s l 丌4 l s l 3 8 s 】i i t 4 l s l 3 8 y oy ly 2y 3y 4 y 0 y 1y 2 y 3 y 4 y 0y ly 2y 3y 4 1 51 4【31 2儿 1 5 1 4 1 31 21 1 1 51 4 1 3 1 2 1 1 p i r1 r 1111 1r 1 r11 r1 r1 1 1 r11 r1 - 三 ， 图3 6 读计数器地址分配 3 5 可编程分频器 由i c l 0 01 0 m h z 高精度石英晶体振荡器、i c 8 9 十分频器，两片计数器7 4 l s l 9 3 ， 一片八选一数据选择器7 4 l s l 5 1 和一片数据锁存器组成，1 0 m h z 的信号直接加到 7 4 l s l 5 1 的d 0 端，十分频后即1 m h z 加到d 1 端通过7 4 l s l 9 3 后分别以1 2 “m h z 的信 号加到d 2 一d 7 端，地址a w l 7 和b i t 0 一b i t 2 控制数据选通，分别由c o u n 端输出1 0 m h z 、 1 m h z 、1 2 m h z 1 2 “m h z 的8 种频率信号供计数使用，见图3 7 。 1 8 第3 章接口适配器和数据采集过程分析 3 6 反频率计数器 图3 7 可编程分频器 是实现模数转换、数据采集的关键数字电路，由于它的采用，使仪器实现了 小信号的高精度和高准确度测量，仪器的每一测量通道均对应一组相应的计数 器。d i g itb o a r d1 上设计了3 组计数器，d i g i tb o a r d2 3 主要由计数器及相应 的地址译码电路组成，每一组计数器均采用相同的电路结构。反频率计数器是采 用信号脉冲优先的方法进行脉冲计数，即设置信号计数器的同时，设置一路对应 的时间计算器，不但精确记录信号脉冲，同时精确记录信号脉冲完成通过时的时 间信号，这时积分时间不再是确定的设定时间，而是由时间计数器记录的实际时 间。 首先设定积分时间，由可编程分频器完成，设定后产生相应频率的时间信号。 例如设定积分时间为2 秒，由于时间计数器为2 1 位的二进位计数器，对应的时问 输入信号c o u n 应为l 2 m h z ，即计数器的第2 1 位输出高电平时，共计2 2 2 0 = 2 0 9 7 1 5 2 个计数，近似于2 秒，由图3 6 可知，当积分时间设定后，即产生一个 高电平的b u s y 信号，而此时c 0 u n t i 的溢出位n o n 尚为低电平，当信号脉冲的第一 1 9 成都理一r 人学硕十! 学位论文 个前沿( 由于采用7 4 l s l 0 7 为前沿触发) 到达时j k 触发器的q 端变为高电