基于W5500的離子阱質譜數據交互系統設計

（蘇州大學 機電工程學院，蘇州215021）

離子阱[1]質譜儀是一種現代高端分析儀器，由于它具有定性能力強、定量準確性高、靈敏度高和檢測限低等優點，因此被廣泛應用于食品安全、生命科學、醫學制藥、環境監測和公共安全等領域。一臺完整的離子阱質譜儀主要包含真空系統、進樣系統、離子源、離子傳輸系統、質量分析器、檢測器和測控系統[2]。其中測控系統是儀器的關鍵部件之一，主要功能是與計算機進行通信，接收計算機的控制命令完成系統控制，并將讀取到的質譜數據傳送到計算機進行分析和顯示。質譜儀測控系統中需要實時對質譜數據進行AD采集，采樣上傳至上位機，要求采樣的實時性強，采集的數據量大，同時需要下發控制參數，數據量較大，因此設計高速實時數據交互系統尤為重要。

本交互系統中PC機與控制系統之間的通信方式采用以太網連接方式，使用TCP/IP協議進行Socket通信，以太網接口具有不易掉線、傳輸速度快、開發周期短、通用性好等優點，因此被廣泛應用于質譜儀測控系統中。傳統的以太網接入方式，往往采用主控制器連接物理層接口芯片 （如DM9000A），在主控CPU中嵌入以太網通信協議。這種方式需要編寫繁瑣的網絡協議程序并且耗費大量的時間進行調試，難以實現系統的快速開發和穩定運行，更不利于系統的更新升級[3]。本文設計的數據交互系統采用W5500以太網芯片，該芯片是WIZnet公司研發的一款超高性價比的芯片，是新一代全硬件協議棧的專用芯片，不需要植入軟件協議棧，所以在實際使用中，具有開發周期短、使用方便等優點。

1 系統的總體方案設計

離子阱質譜儀測控系統在儀器工作過程中，數據交互的需求：（1）從上位機實時下發時序控制參數，其中包含一段DAC[4]信號，數據量較大，不小于32 KB，需要高速下發至控制系統；（2）下位機進行數據采樣并實時傳輸至上位機，采樣的速率要求較高，數據量較大。基于上述需求，本數據交互系統的設計采用高速以太網接口，以克服其他通信接口（如串口通信等）的數據傳輸速率慢和穩定性低等缺點。

整個系統包含5個部分，分別為上位機、電源模塊、以太網接口、主處理器和數據采集模塊。電源模塊用于提供各模塊工作時需要的電壓；上位機為PC機，用于人機交互，上位機軟件使用C#語言編寫；以太網接口部分使用W5500為通信芯片；系統主處理器使用一款型號為STM32F103ZET6的ARM芯片，該芯片配置強大，擁有豐富的資源，在嵌入式系統方面的應用極為廣泛；數據采集模塊由可編程邏輯器件FPGA和AD采樣芯片兩部分組成，AD采樣芯片將質譜數據采集送入FPGA中，然后由FPGA控制存儲至SRAM中，不斷進行乒乓操作；FPGA和ARM處理器之間通過FSMC（靈活的靜態存儲控制）總線進行通信。交互系統的總體設計如圖1所示。

圖1 數據交互系統總體結構Fig.1 Data interaction system overall structure

2 系統硬件設計

2.1 W5500以太網接口模塊

W5500是一款全硬件TCP/IP嵌入式以太網控制器，為嵌入式系統提供了更加簡易的互聯網連接方案。W5500集成了TCP/IP協議棧，10/100 M以太網數據鏈路層（MAC及物理層（PHY），使得用戶使用單芯片就能夠在應用中拓展網絡鏈。使用W5500，只需要一些簡單的Socket編程就能實現以太網應用。這將會比其他嵌入式以太網方案更加快捷、簡便。

圖2所示為W5500的電路接口圖，主處理器與W5500之間采用SPI串行接口方式，SPI是一種高速、全雙工、同步的通信總線[5]，又是一種特殊的串行口通信協議，它定義了一種主從通信方式，其接口由4根信號線組成：主數據輸入-從數據輸出（MISO）、主數據輸出-從數據輸入（MOSI）、移位時鐘（SCLK）、從設備使能（SCSn）。 在整個 SPI通信協議中，由主設備提供移位時鐘和從設備使能信號，其中SCSn是可選的且低電平有效。SPI因其硬件功能很強，所以與SPI相關的軟件就相對簡單，因此通過此接口能夠更加容易地與主處理器交互。

圖2 W5500接口框圖Fig.2 W5500 interface block diagram

2.2 STM32F103ZET6系統主處理器模塊

主處理器與數據采集模塊之間是通過ARM與FPGA之間的FSMC（靈活的靜態存儲控制器）總線連接的。該交互系統中采用型號為STM32F103ZET6的ARM芯片作為主處理器，該處理器擁有的資源包括 64 KB SRAM、512 KB FLASH、2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、3個SPI、2個I2C、5個串口、1個 USB、1個 CAN、3個 12位 ADC、1個12位DAC、一個SDIO接口、1個FSMC接口以及112個通用I/O口。該處理器所帶有FSMC的總線可以用來外擴SRAM和連接LCD，在本交互系統中用來與FPGA進行數據通信。主處理器與FPGA之間的電路接口圖如圖3所示。圖中所示FSMC_A［18：0］為 19 位地址總線，FSMC_D［15：0］為 16 位數 據 總 線 ，FSMC_NBL1、FSMC_NBL0、FSMC_OE、FSMC_WE、FSMC_NE3為控制信號。

圖3 主處理器接口Fig.3 Main controller interface block diagram

3 系統軟件設計

3.1 W5500初始化

W5500芯片集成了TCP/IP協議棧，即芯片本身就集成了網絡層和傳輸層的相關協議，因此只需要對芯片進行協議所必需的參數初始化配置就可以實現以太網的數據收發。

具體初始化過程如下：

（1）首先主處理器配置與W5500相連接的IO端口，配置IO端口的輸入輸出方式；

（2）主處理器與W5500之間采用SPI串行接口方式，因此需要編寫與SPI通信相關的API函數，即在通信過程中用到的讀寫數據函數。

（3）然后通過SPI接口配置W5500的各寄存器值，具體有W5500網關地址寄存器、子網掩碼寄存器、模塊物理地址寄存器和IP地址寄存器

（4）最后需要配置W5500為TCP服務器端模式，同時還需要設置發送緩存區和接收緩沖區的大小，進行好所有的初始化配置后即可對網關服務器進行Socket設置，最后監聽連接。W5500初始化流程如圖4所示。

圖4 W5500初始化流程Fig.4 W5500 initialization flow chart

3.2 交互系統之間的TCP/IP通信

該交互系統采用的是TCP/IP通信，在使用TCP/IP協議進行網絡通信時，采用了客戶/服務器模型[6]。下位機工作在服務器模式，上位機工作在客戶端模式。工作過程中首先服務器等待客戶端發起連接要求，服務器接收到客戶端請求連接要求后，兩者建立連接，然后進行數據傳輸。服務器固定IP地址和端口號后，客戶端連接到相應IP地址及端口號，即可找到匹配的服務器。

具體質譜儀測控系統數據通信流程如下：

（1）客戶端發送準備命令，服務器接收到準備命令并向客戶端發送確認命令，然后服務器等待接收數據；

（2）客戶端向服務器發送控制參數，具體是質譜儀進行精密控制的一系列復雜信號的參數值，包括精確的時序控制、直流電壓控制和射頻電壓控制等[7]；

（3）配置參數完成后，客戶端發送開始掃描命令，服務器接收到開始掃描命令后控制各子模塊運行，每掃描一次，時序信號循環運行一次，并且向客戶端發送一次質譜數據，客戶端將質譜數據顯示在上位機中；

（4）如此反復不斷發送開始時序掃描命令，則上位機不斷接受到質譜數據。如若要停止掃描，在上位機界面中控制發送停止掃描命令即可。具體通信流程如圖5所示。

圖5 TCP/IP通信流程Fig.5 TCP/IP communication flow chart

4 系統試驗結果與分析

該系統已經成功應用在某小型化離子阱質譜儀中，整個系統運行良好，功能穩定。該交互系統的上位機軟件使用C#語言編寫。質譜儀工作時，首先需在上位機中設置好控制時序、每個時序段所需要的電壓信號控制參數、射頻電源所需頻率值、各電極所需電壓值以及系統中所需要的開關信號，然后點擊下發參數控件發送各種控制參數值，最后下發開始掃描信號，緊接著就會不斷接收質譜數據。

圖6為使用上位機下發各種不同參數值的人機交互界面，圖7所示為質譜儀工作時上位機接收質譜數據的界面，圖示中為檢測丙酮樣品的質譜圖。試驗流程是上位機首先下發所有控制參數，等待數據發送完畢命令，然后發送時序掃描命令，上位機就會不斷接收采樣回來的質譜數據，最終質譜數據在上位機中顯示出來。

試驗結果表明，整個交互系統功能穩定，能夠準確地下發各種控制參數，并且能準確接收到質譜數據然后顯示質譜峰圖。

圖6 上位機人機交互界面Fig.6 PC man-machine interaction interface

圖7 離子阱質譜儀中丙酮樣品的質譜圖Fig.7 Mass spectra of acetone in ion trap mass spectrometer

5 結語

本文研究設計了一種基于W5500芯片的質譜儀實時數據交互系統，系統主處理器采用STM32F103ZET6，數據采樣模塊采用可編程邏輯器件FPGA和AD采樣芯片，通過上位機將各參數值下發至控制系統，然后由控制系統傳輸質譜數據到上位機界面進行顯示。通過對系統實測數據和質譜峰圖的分析結果顯示，系統能準確通過以太網接口接收上位機發送的命令，并控制各功能模塊產生所需的信號，同時上位機能夠穩定接收系統上發的質譜數據，該系統已成功用于某小型化離子阱質譜儀中。

[1]March RE.An Introduction to quadrupole ion trap mass spectrometry[J].Journal of Mass Spectrometry，1997，32：351-369.

[2]李曉旭.基于印刷線路板（PCB）的矩形離子阱及陣列離子阱質譜儀的研發[D].上海：復旦大學，2009.

[3]徐元軍.W3100在DSP系統以太網接口中的應用[J].微型機與應用，2002，21（9）：17-19.

[4]江游，方向，穰瑜，等.四級離子阱數字式共振激發控制技術的研發與應用[J].分析化學，2008，36（5）：715-718.

[5]嚴宇，黃建國，曾浩.基于SPI協議的新型高速ADC芯片配置[J].信息與電子工程，2009，7（5）453-458.

[6]潘海寧，趙春宇.多通道數字化離子阱質譜儀測控系統研制[J].儀表技術與傳感器，2015（5）：31-33.

[7]費強，姜杰，周健光，等.基于LabVIEW的離子阱質譜儀研發軟件[J].中國儀器儀表，2008（5）：82-84.