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原子吸收光谱仪测控系统设计及 USB设备开发

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吉林大学硕士学位论文 目 录 分 类 号 TH744.12+5, TP334.4 单 位 代码 10183 密 级 内 部 研究生学号 4990069

吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文

原子吸收光谱仪测控系统设计及USB设备开发 Measurement & Control System of Atomic Absorption Spectrometer and USB Device Development

作者姓名： 叶 昀 专 业： 测试计量技术及仪器 导师姓名 及 职 称:

论文起止年月： 2000年8月至2002年5月 林 君 教 授 吉林大学硕士学位论文 目 录 目 录 第一章 绪论…………………………………………………………………..１

1.1 原子吸收光谱仪的发展现状………………………………………………...…１ 1.2 USB的发展现状和特点.……………………………………………………….2 1.3 原子吸收光谱仪的特点及应用领域………………………..………………….2 1.4 本论文的研究内容…………………………………………………………..…４

第二章 原子吸收光谱仪的原理与组成…..……………………………………………5 2.1 原子吸收光谱仪的基本原理…………………………………..……………...5 2.2 各部分的实现及作用………………………..………………………………...６ 2.3 原子吸收光谱仪噪声抑制机理及信号测量方式…………………..………...７ 2.4 小结 ……………………………………………………………………..…….9 第三章 原子吸收光谱仪测控系统设计及关键技术.……………...……..………….10 3.1 相敏检波技术…………………………….…………………………………....10 3.2 两种采样方式之一——V/F转换计数…..……………………………………16 3.3 两种采样方式之二——A/D转换……….…………………………………....17 3.4 三种接口…………………………….….……….…………………..１７ 3.5 带USB接口的单片机—MC68HC908JB8……………………………………２１ 3.6 利用ispLSI1032扩展I/O端口…………….…………………………………..２２ 3.7 其它………………………………………….………..………………………..24 3.8 小结………………………………………….…………..……………………..24

第四章USB接口通用高速数据采集系统的设计……………………………..……..２５ 4.1 设计目标…………………………………………………..…………………...２５　4.2 程控放大电路设计……………………………………..……………………...26 4.3 程控滤波器设计…………………………………..…………………………...26 4.4 高速采集电路 ……………………………………………………..………….30 4.5 存储电路 …………………………………………………..………………….33 4.6 USB接口电路..……………………………………………………………….. 34 4.7 小结…………………..………………………………………………………...37

第五章 三方软件设计………………………………..………………………………..38

5.1 固件层软件开发………………………………………………..…………….３９　5.2 USB客户驱动软件开发…………………..…………………………………４０　5.3 Windows用户软件与数据处理……………………………………………...４７　5.4 小结.………………………………………………………………………….51　第六章 性能测试与结果分析………………..………….…………………………….52

6.1 原子吸收光谱仪的指标说明……..……………..……………………………５２　吉林大学硕士学位论文 目 录 6.2 原子吸收光谱仪的测量指标……………………………………………..…..53 6.3 USB接口通讯测试…….………………………………………………….…55 6.4 小 结………………………………………………………………………….57 第七章 全文总结…………………………………………………………..………….57

7.1 全文总结……………………………………………………………………..５７　

7.2 对今后研究工作的建议………………………………………...…………. .59　作者在攻读硕士学位期间发表的有关论文及参加的科研科目…………………….. 60 参考文献……………………………………………………………………..61

致 谢……………………………………………………………………. 63

前 言 原子吸收光谱仪(Atomic Absorption Spectrometer)或称原子吸收分光光度计，简称AAS，它是根据特征光源发射出待测元素特有波长的光辐射，同时待测元素的原子蒸气吸收光源发出的光辐射，单色器分离出由光源发出的被测试样原子蒸气被吸收而减弱了的待测元素单色光，再经检测器、放大电路、处理及显示等步骤后，测得试样中待测元素的原子蒸气对光源光辐射的吸收度，最后根据在一定条件下待测元素原子的吸光度与其浓度成正比的关系，求出试样中待测元素的含量。随着计算机的发展，大规模集成电路的应用，仪器智能化的要求，新器件、新方法的引进，解释水平的提高，原子吸收光谱法可分析的元素不断扩大，涉及了多个领域：理论研究中分析物质的一些基本性能、在元素分析中成为金属元素分析的最有力工具之一、在有机物分析中的可以测定多种有机物、以及在金属化学形态分析中的应用 [1]-[2]。由于原有的器件被淘汰，设计方法需要改进，和新技术的应用，因此研制新

一代的原子吸收分光光度计不仅有其实用价值，而且对于我国的分析仪器研制必将起推动作用[3]。 利用同一套机械结构、电路系统，在不同的控制单元下，设计两套不同的产品。分析仪器中噪声的来源，设计了基于相敏检波的采样系统，提高仪器的信噪比。根据计算机的发展，将最流行的USB接口[4]引入到仪器的设计中，并改善了原有的客户软件，使仪器的使用、维护更加方便。最后将USB接口应用到高速数据采集系统中。 新一代原子吸收分光光度计[5]已研制成功，它的操作简便、易维护、性能优良等优点，使我国的国产仪器具有进入到国际高档仪器的市场的条件。 吉林大学硕士学位论文 目 录 第一章 绪 论 本章叙述了国内外原子吸收光谱仪的发展现状和应用领域，分析了原子吸收光谱仪的优缺点，及USB接口作为新兴的接口在仪器领域的应用现状。选取《原子吸收光谱仪测控系统设计及USB设备开发》作为我的毕业课题，论证了选题的必要性和可行性，分析了原子吸收光谱仪测控系统设计及USB设备开发中所要遇到的难点和存在的问题，提出了相应的解决办法。最后介绍了本论文的研究内容。

1.1 原子吸收光谱仪的发展现状 原子吸收现象在100多年前就被人们注意到了，早在1802年，沃拉斯顿(W·H·Wollaston)在研究太阳连续光谱时，发现了太阳光谱照片上有许多未知暗线，随后有许多科学家对这些暗线进行一系列研究，直到1860年克希霍夫（G·kirchoff）等人在实验中证明太阳连续光谱中的暗线，正是太阳大气圈中的原子蒸气吸收了从太阳光源高温部（等离子区）发射出来的连续光谱中原子发光谱线以后产生的。这种由于原子蒸气吸收了同种元素原子的发射线后所产生的暗线光谱，称为原子吸收光谱[1]。 原子吸收光谱分析是在本世纪50年代提出，60年代得到迅速发展的一种新型仪器分析方法。其发展和普及之快，是其他仪器分析法所无法相比的。由于这种方法具有许多独特的优点，现在已成为原子光谱研究和物质成份分析的重要的常规分析方法之一，在分析化学领域里已占重要地位。原子吸收光谱分析用的仪器称为原子吸收分光光度计。原子吸收分光光度计(AAS)是迄今为止元素分析领域应用最广泛的分析仪器之一，我国已有30多年的生产原子吸收分光光度计的历史[2]。 美国PE公司、日本岛津等国外公司的产品基本上占据国内高档仪器的市场，现在国内的大多数产品只能满足国内的中、低档用户的需求。自从70年代北京第二光学仪器厂生产第一台原子吸收分光光度计以来，国内的厂家一直在努力学习并赶超国际先进水平，技术上也蒸蒸日上，机械加工工艺日趋完美，操作更加简便，算法日益完善，软件更符合客户的需要。原子吸收分光光度计开始向自动化、智能型、综合型、多元素、工作站型发展。 由于大多数的原子吸收分光光度计和计算机之间都是通过串口或并口或者是基于AT总线进行通讯，而现在的计算机面临着串口、并口和AT总线都被USB取代的局面，直接导致原子吸收分光光度计面临生存的问题，采用USB接口取代原有的各种接口非常必要。 吉林大学硕士学位论文 目 录 1.2 USB的发展现状和特点 USB（universal serial bus）[4]通用串行总线最早是在1994年由七家主要电脑、电子科技厂商(包括了康柏、DEC、IBM、英特尔、微软、NEC以及加拿大北方电讯)所研发出来的。USB之所以被提出,主要是为了提供一种新的传输接口标准,来简化输入装置的安装程序,并且能让电话及电脑相互沟通。Windows 98、Windows 2000完全支持USB传输接口规格。目前很多微机已不提供ISA插槽，只有一个或没有串口。 微软的PC98推荐新设计中使用USB来代替RS-232串口，PC99已不再支持ISA规范。USB完全可能取代当前PC上的串口、并口和ISA插槽。 USB的特点。USB为所有的USB外设提供了单一的、易于操作的标准的连接类型，实现了单一的数据通用接口；USB排除了各个设备像鼠标、键盘等对系统资源的需求，因而减少了硬件的复杂性和对端口的占用，整个的USB的系统只有一个端口和一个中断，节省了系统资源；USB支持热插拔(hot plug)；USB在设备供电方面提供了灵活性，可以通过USB电缆给设备供电，并且支持节约能源的挂机和唤醒模式；USB1.1标准提供全速12Mbps的速率和低速1.5Mbps的速率来适应各种不同类型的外设，USB2.0标准提供高速480Mbps的速率；为了适应各种不同类型外围设备的要求，USB提供了四种不同的数据传送类型；USB使得多个外围设备可以跟主机通信。

1.3 原子吸收光谱仪的特点及应用领域 原子吸收光谱仪具有以下一些特点[1]： 1、灵敏度高 火焰原子吸收的相对灵敏度为ppm(µg/ ml) – ppb(ng / ml)；无火焰原子吸收的绝对灵敏度在10-10-10-14之间，结合萃取等浓集方法可达到更高的灵敏度。因此在常规仪器分析方法中它的灵敏度最高，可用于超纯分析。 2、选择性好 原子吸收法与原子发射法相比，其吸收线比发射线少得多，谱线重叠干扰很少。在大多数情况下，共存元素都不发生干扰。因此在仪器分析方法中，原子吸收法是一种稳定性高、抗干扰能力强、选择性好的分析方法。 3、精密度与准确度较高 火焰原子吸收法的重现性好，其相对标准偏差一般都可控制在2%以内。火焰法的准确也比较高，对于低含量组分测定时，其相对误差一般为1%~3%。无火焰原子吸收法的重现性差，其相对标准偏差为5%~10%。它的准确度也较差，其相对

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光谱仪信号采集系统设计方案

光谱仪信号采集系统设计方案

光谱仪信号采集处理系统方案设计一、整体方案设计本设计采用的是基于东芝的线阵CCD模块TCD1304DG的光谱仪信号采集系统的设计方案。

按照信号流可以分为三个大的模块，既CCD驱动模块，CCD信号处理模块，数据处理（存储和传输）模块。

系统核心是一片ATMEGA32L单片机，它不仅负责产生CCD驱动的三个基准信号，同时还负责与上位机的交互，控制CCD的数据存储和数据传输。

CCD驱动模块向线阵CCD模块芯片提供符合时序要求的脉冲信号并且产生其它模块（ADC）需要的逻辑电平控制信号。

CCD信号处理模块负责对线阵CCD输出的模拟信号进行缓冲、放大、滤波，然后转换为12位数字信号。

数据模块则把转换好的12位数字信号按CCD的单帧格式进行存储，并通过USB 桥接接口向上位机逐帧传输。

上位机可以通过USB接口向ATMEGA32L单片机发送指令控制光谱测量数据的采集，还可以发送指令实现积分时间的实时调整。

整个方案各个模块用5V和4V直流供电，电源从USB口获得，这使得系统设计更紧凑、更简洁。

下面分别介绍各模块的设计。

二、电源和地线设计由于此采集系统同时存在模拟和数字混合信号，所以恰当合理的设计模拟部分和数字部分的的电源和地平面是保证测量精度、系统灵敏度和抗干扰性的必要条件。

根据每个芯片和模块的电源要求，此系统采用+5V、+4V的设计，这些直流电源从USB的电源取电和生成。

由于此系统是数模混合信号系统，所以合理和准确的地线的设计对减少数字信号对模拟信号的干扰、数字地平面的高频噪声对模拟信号的干扰和RF 信号对模拟信号的干扰起到很好的作用，具体的地线设计要在PCB设计当中体现。

三、CCD驱动模块的设计TCDl304DG是一款灵敏度高、暗电流小的线阵CCD，具有3648个有效像素，每个像素大小为8umX200um，由于以上优点，它比较适合作为光谱仪信号检测元件。

它的驱动波形的时序要求如下图。

CCD TCD1304DG驱动时序图CCD TCD1304DG内部结构图从上面时序图中可以看出，该CCD需要三个驱动信号：转移脉冲SH、光积分控制脉冲ICG和主时钟MCLK。

基于无线USB技术的系统开发应用-设计应用

基于无线USB技术的系统开发应用-设计应用

基于无线USB技术的系统开发应用-设计应用由于USB技术在近几年已成长为PC主流的技术标准，几乎所有的外设都可以借助USB接口轻易地与PC机相连。

2022年，包括惠普、英特尔、微软、NEC、飞利浦半导体、三星电子在内的多家大公司成立了WUSB（无线USB）促进联盟，旨在将USB的使用变得更加简便——去掉电缆，实现无线USB技术。

为了给用户提供一种低成本的WUSB射频系统解决方案，Cypress Semiconductor公司近推出了低成本的芯片级远距离 2.4 GHz射频系统——WirelessUSB LR （CYWUSB6935）方案。

该方案可以在半径50 m甚至更大的范围内为用户提供在众多有线应用中快速实现无线连通的途径。

与Zigbee和蓝牙等复杂且昂贵的无线网络方案相比，WirelessUSB LR凭借其出色的远程无线通信能力和低廉的系统成本，将无线系统的应用扩展到建筑与家庭自动化、工业控制、医疗检测、传呼系统和显示设备等领域[1]。

1 WirelessUSB LR系统突出特性① WirelessUSB LR作为无线系统，很好地解决了如何在壅塞与干扰的数据传输环境中保持传输的有效性。

WirelessUSB LR的双向直接顺序扩展频谱（DSSS）编码技术，结合预定义的虚拟杂讯码以及机动频道切换等技术，创造出一整套动态频率调整的解决方案，其优异的处理效率足以确保无线通信数据的传输效率。

在硬件部分中，LC网络的阻抗匹配能排除强度更高的（如移动电话和无绳电话等）外界信号（out of band），对天线的不断改进，使得系统对外接信号的灵敏度达到-95 dBm。

此外，低噪声放大器与综合器皆在极高的频率中进行AC耦合，故能排除不同频率的干扰信号。

例如,AM调幅广播和电视信号,在紧邻蓝牙的环境中，发生信号碰撞的比率低于1.5 ％的无线传输时间，一旦发生碰撞，发送器必须重新传送受影响的数据包。

② WirelessUSB LR作为单芯片解决方案，高度整合了系统的应用引擎，包括无线电接收机和数字基带组件，既降低了成本又缩短了研发时间。

原子吸收光谱仪设备配置及技术要求

原子吸收光谱仪设备配置及技术要求

3火焰原子化系统
3.1背景校正：直流塞曼或高强度氘灯；
3.2点火：自动；
3.3气体控制：全部由计算机控制和监视燃气和助燃气；
3.4安全监控功能：具有完善的监控和操作保护装置；
3.5燃烧器系统：火焰在光路中的准直，燃烧器的垂直和水平位置的调节完全自动化，并由软件控制自动进行位置最佳化；
3.6雾化器：可调，并耐腐蚀(如氢氟酸和王水)；
1
惠普激光打印机HP 2700
1
乙炔，优质仪器用气,纯度>99.6%，含钢瓶，备减压阀
1
氩气Ar，纯度>99.996%，含钢瓶，备减压阀
1
排风系统：排气量：约7500L/min，含风机、风罩、管道
1
石墨管（(5个/包，进口产品）
14包
石墨锥
1对
自动进样针（进口产品）
2
砷无极放电灯（进口产品）
2
铅空心阴极灯（进口产品）
4.6石墨管损坏自动报警；
4.7石墨管加热方式:横向加热；
4.8石墨炉的打开和关闭；Байду номын сангаас件控制，气动执行；
4.9检出限：Cd 0.008μg/L，As 0.2μg/L。
5石墨炉自动进样器
5.1样品盘可分别放置60个以上样品溶液和参比溶液；
5.2进样量：1～100μL；
5.3可自动浓缩，自动稀释样品。
1
空气干燥过滤器
1
无极放电灯电源组件
1
非编码灯转换插座
2
铜空心阴极灯（进口产品）
1
氢化物装置
1
样品反应杯
10
石英池
1
石英池架
1
还原剂瓶
1
工作站系统
1
原子吸收光谱仪的操作步骤

原子吸收光谱仪的操作步骤

原子吸收光谱仪的操作步骤
原子吸收光谱仪的操作步骤可以分为以下几个部分：样品处理、仪器准备、光谱测量和数据处理。

首先，进行样品处理。

将待测样品按照实验需求进行取样，并进行适当的前处理，如溶解、稀释或降解。

确保样品中所含的元素处于适合测量的形态。

接下来，进行仪器准备。

打开光谱仪电源，等待其预热至稳定状态。

根据样品的特性，选择合适的光路和探测器设置。

校准仪器并检查各个部件是否工作正常。

然后，进行光谱测量。

将样品注入光谱仪的样品池中，并确定合适的测量条件。

包括选择元素的谱线、设置光源的波长和强度、以及调整进样量等。

确保所选择的谱线具有适宜的灵敏度和线性范围。

在进行测量时，确保样品稳定并避免干扰。

可以通过空白试剂和参比物进行校正，以消除背景信号和仪器漂移带来的影响。

同时，控制光源和检测器的参数以
保证光谱信号的质量。

最后，进行数据处理。

将所测得的光谱信号转化为相应的浓度或吸收值，并根据已知标准曲线或其他校正方法进行定量分析。

可以利用计算机软件进行数据处理和展示，以得到准确的分析结果。

需要注意，操作过程中应严格遵守安全操作规程，确保实验环境和个人安全。

此外，操作步骤和参数设置可能因不同的仪器型号和实验要求而有所差异，建议在具体实验前查阅仪器说明书和相关文献，以确保实验结果的准确性和可重复性。