改進的火焰光度計控制系統(tǒng)＊

雷震勇，孫國強

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

引 言

火焰光度計是根據被測元素的原子或離子受火焰激發(fā)后產生的特定波長光譜，借助羅馬金公式，可對樣品中K、Na元素進行定量分析的儀器［1］。火焰光度計是一種相對測量的儀器，被測樣品的濃度值是在統(tǒng)一測試條件下標準溶液濃度的相對值。所以測試前需制備一組火焰光度計標準溶液，然后進行標定操作，最后才對被測液樣品進行測量。

火焰光度計主要用來測量血清中的Na＋和K＋濃度；土壤中堿金屬含量；鋁礦石中氧化鉀、氧化鈉含量等。目前，火焰光度計主要采用單片機電路或通用集成電路構成控制系統(tǒng)，數據處理能力有限，系統(tǒng)可擴展性差，標定操作復雜。隨著社會的進步，測量儀器必須具備：人機界面友好、操作簡便、智能處理、足夠高的精度和低功耗等。嵌入式微處理器ARM 具有強大的事務處理能力，同時具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點［2］。嵌入式操作系統(tǒng)具有實時、安全、多任務等特點。所以，采用ARM 作為控制系統(tǒng)的核心，應用Linux嵌入式操作系統(tǒng)，設計了一套火焰光度計控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)硬件設計

火焰光度計主要由控制系統(tǒng)、氣路、吸液／霧化器、燃燒腔組成，控制系統(tǒng)組成如圖1所示。系統(tǒng)上電后，ARM 控制電磁閥開啟，接通燃氣，待燃氣到達燃燒腔的火嘴處，再控制點火線圈點火。著火以后要預燃燒30min，將腔內雜質燃燒掉，使火焰變純。系統(tǒng)工作過程如圖2所示。每次測量前，需用標準溶液進行標定，標定后進行樣品液的測量，最后輸出、記錄測量結果。

圖1 控制系統(tǒng)組成Fig.1 Components of the control system

圖2 系統(tǒng)工作過程Fig.2 The working process of the system

由三星公司設計的基于ARM9 的嵌入式微處理器S3C2440 構成控制系統(tǒng)硬件的核心部分。S3C2440芯片集成LCD 專用DMA 控制器，提供了觸摸屏接口、2路USB主機控制、1路USB設備控制、3路URAT。存儲器控制器提供訪問外部存儲器所需的存儲器控制信號。內部集成有8路A／D 轉換模擬信號輸入通道A／D 轉換控制器，轉換精度為10bit。系統(tǒng)有兩個可切換量程：小量程（K：0.0～19.9 mmol／L；Na：0～199mmol／L）；大量程（K：0～80mmol／L；Na：0～800mmol／L）。為滿足檢測限、線性誤差、精度的相關要求［3］，A／D 轉換器采用TI公司16bit的TLC3574。硬件關鍵部分是通氣、點火、報警控制電路和信號處理電路。

火焰光經過干涉濾光片分光，再經光電池光電轉換，得到電流信號。經前置放大、量程切換和A／D 轉換電路處理后將信號送給S3C2440，如圖3所示。圖中，IC為精密運放OP07，SGM3002為低導通電阻的高能性能數字控制模擬開關，由S3C2440發(fā)送控制信號控制SGM3002轉換開關來分別選擇Na、K 兩路信號的不同放大比來進行量程切換。

S3C2440通過通用輸入／輸出口（general purpose input／output，GPIO）控制繼電器間接控制電磁閥開啟、點火圈點火及蜂鳴器報警，電路圖見圖4。

圖3 前置放大、量程切換和AD 轉換電路Fig.3 Circuit of preamplifier，switch range and AD transform

2 控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)基本框架為：嵌入式微處理器（S3C2440）、外圍硬件電路、嵌入式操作系統(tǒng)（Linux）和嵌入式圖形用戶界面（graphical user interface，GUI）。本設計采用可視化的基于Qt的GUI工具Qt Creater去編寫應用程序，生成X86架構的二進制文件，再用Qt／Embedded庫對整個工程進行交叉編譯鏈接，得到在S3C2440平臺上運行的可執(zhí)行文件。軟件包括啟動程序、操作系統(tǒng)、設備驅動程序和用戶應用程序等。系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖5所示，控制系統(tǒng)中的LCD、A／D轉換、觸摸屏、串口和USB都作為字符設備［4－6］，它們的驅動程序加載到Linux內核中，操作系統(tǒng)通過子程序調用實現(xiàn)設備訪問。加入異常處理，保證系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)的設置、標定和參數調整、數據的處理和自動保存等，都可從控制系統(tǒng)操作界面中直觀看到，操作方便。

圖4 電磁閥、點火圈、蜂鳴器驅動電路Fig.4 Driving circuit of electromagnetic valve，ignition circle and a buzzer

圖5 系統(tǒng)軟件工作流程圖Fig.5 System software flow chart

圖6 標定子程序流程圖Fig.6 Flow chart of calibration′s subroutine

其中，應用程序主要包括標定、測量、記錄存儲、顯示、打印、能耗管理等。

圖6為標定子程序流程圖。標定是為了消除儀器硬件老化和環(huán)境參數變化（如：零漂和溫漂）引起輸出結果的變化，對儀器進行校正，確保測量結果的準確性。標定程序分別記錄Na、K 標準溶液的一組測量數據，并對數據進行線性擬合，求取線性回歸中斜率、截距與相關系數，得到線性方程，測量時將測量值代入方程處理，得出測量結果。

3 標定過程中線性擬合實驗結果分析

以表1的數據為例，設表中標準值為鉀元素1～8號標準溶液對應的標準濃度值，響應值分別為標定時儀器對應的顯示值。如圖7所示，經過回歸直線方程的求取，可得斜率a＝0.996 5，截距b＝－0.015 138，即回歸直線方程為y＝0.996 5x－0.015 138，相關系數R＝0.999 904。此程序算法結果與在Excel中線性回歸方程擬合結果相符（見圖8）。證明了線性擬合的準確性。對被測樣品液中鉀離子濃度檢測時，系統(tǒng)將自動把響應值代入標定過程線性擬合所得的回歸方程中，得到并輸出顯示準確測量結果。

表1 回歸直線方程求取示例數據Tab.1 Sample data to calculate regression equation

圖7 線性回歸方程擬合Fig.7 Linear regression equation fitting

圖8 在Excel中的線性回歸方程擬合Fig.8 Linear regression equation fitting in Excel

4 結 論

本系統(tǒng)采用嵌入式微處理器S3C2440作為控制核心，硬件性能良好，精度滿足要求；用軟件的方法來實現(xiàn)標定，操作簡便。為滿足人機界面友好、智能程度高、精度準確、功耗低的火焰光度計控制系統(tǒng)提供了一種簡易可行的改進方案。為測量其它堿金屬如Li、Ca等液體樣品濃度的火焰光度計的設計提供了新思路。

［1］ 全國物理化學計量技術委員會.JJG 630－2007，火焰光度計檢定規(guī)程［S］.北京：國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2007.

［2］ 張綺文，王廷廣.ARM 嵌入式應用開發(fā)完全自學手冊［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009：1－3.

［3］ 北京分析儀器研究所.JB／T 10058－2000，火焰光度計技術條件［S］.北京：國家機械工業(yè)局，2000.

［4］ 黃建明，劉寶林.基于S3C2440多路A／D轉換Linux驅動程序設計［J］.微計算機信息，2011，27（9）：104－111.

［5］ 於琪建，張海峰.Linux輸入子系統(tǒng)在觸摸屏驅動上的實現(xiàn)［J］.機電工程，2009，26（3）：32－34，101.

［6］ 唐 浩，代少升.Qt／Embedded在S3C244平臺上的移植與開發(fā)術［J］.電視技術，2010，34（10）：32－35.