氣相色譜分析儀氣路流量監(jiān)測控制電路設計

陳 沖，張銀建

(重慶川儀自動化股份有限公司，重慶 401121)

0 引言

氣相色譜儀被廣泛應用于食品檢驗、石油化工、醫(yī)藥衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護以及科研院校等領域。氣相色譜法的特點是分離效率高、選擇性高、靈敏度高、操作簡便、取樣量少、分析速度快[1]。氣相色譜儀種類繁多。其主要由氣路系統(tǒng)、進樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)五大部分組成[2]。本文設計了氣相色譜儀電路流量監(jiān)測控制電路方案，能夠?qū)庀嗌V分析儀氣路中±200 mL/min范圍內(nèi)的流量進行流量監(jiān)測和大小控制，為自動進樣管理(electric pneumatic control,EPC)系統(tǒng)提供了硬件實現(xiàn)方案。該方案由電源系統(tǒng)、單片機系統(tǒng)、氣體流量監(jiān)測電路、氣體進氣控制電路、通信接口電路五大部分組成。本文主要論述氣體流量監(jiān)測、氣體流量進樣控制以及單片機系統(tǒng)部分。

1 整體方案設計

氣路流量監(jiān)測控制電路方案主要由AC-DC電源、PIC32MX6單片機控制系統(tǒng)、WBIM200傳感器電路、微型氣動電磁閥、微型氣動比例閥控制電路、通信接口電路六部分組成。整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 整體系統(tǒng)框圖

PIC32MX單片機是Microchip公司生產(chǎn)的一款高性能32位單片機，接口外設豐富，除了具有I2C、SPI、USART、ADC等常用外設接口，還具有USB、CA、以太網(wǎng)以及圖形接口，最高主頻可達80 MHz。該單片機性能優(yōu)越，已應用于各行各業(yè)之中，是一款成熟的單片機產(chǎn)品。WBIM200是德國First-sensor生產(chǎn)的一款高精度氣體流量傳感器，2.7～5.5 V供電，具有I2C通信接口，方便單片機進行數(shù)據(jù)通信而無需額外器件電路。微型氣動閥和微型比例閥都是由美國Paper公司專為醫(yī)療設備和系統(tǒng)制造商所設計的微型電磁閥，由輕型聚對苯二甲酸四次甲基酯(poly butylene terephalate,PBT)塑料制成，提供靈活的安裝選件和終端選件。本文將對以上部分作詳細方案論證設計。

2 方案實現(xiàn)

2.1 WBIM200氣體流量傳感器電路

因為WBIM200氣體流量傳感器電路由傳感器是數(shù)字I2C通信接口，所以電路相對簡單。WBIM200氣體流量傳感器電路如圖2所示。

圖2 WBIM200氣體流量傳感器電路

因為單片機為3.3 V供電，為保證通信電平一致，WBIM200氣體流量傳感器也采用3.3 V供電。I2C通信引腳SDA、SCL通過10 kΩ電阻上拉至3.3 V高電平，保證信號穩(wěn)定[3]。

氣體流量受溫度壓力的影響很大,而且不同氣體的補償系數(shù)也不同，必須進行正確的溫度補償以及氣體系數(shù)校準，才能獲得正確的氣體流量檢測數(shù)據(jù)[4]。WBIM200氣體流量傳感器量程為±200 mL/min，在0～50 ℃范圍內(nèi)進行溫度補償。針對不同的氣體，給出了不同的校準系數(shù)，經(jīng)過補償以及系數(shù)校準后傳感器測量精度為±2%+0.25%FSO。

2.2 微型氣動閥控制電路

在氣相色譜分析儀中，氣路的開關控制、開關比例調(diào)節(jié)等能夠達到對氣路氣體流量的精準控制。微型氣動閥只有開和關兩種狀態(tài)，控制氣路的通斷[5]。本方案選用美國Parker公司的V2微型氣動電磁閥(以下簡稱V2閥)。V2閥是經(jīng)過驗證的產(chǎn)品，具有可靠且一致的性能，使用性能高達2 500萬次。V2閥專為醫(yī)療設備和系統(tǒng)制造商所設計，由輕型PBT塑料制成，并提供靈活的安裝選件和終端選件。因此，V2微型氣動電磁閥具有氣動和電設計靈活性特點。

為了使V2閥關閉與打開、保證氣路的開關穩(wěn)定、漏氣率低，選用2 W的V2閥。同時，采用12 V電源供電，減小供電電流。在電路設計中，選用一顆三極管和一個P溝道金屬氧化物半導體(positive channel metal oxide semiconductor,PMOS)管組成12 V電源的開關電路，通過控制12 V電源通斷來實現(xiàn)V2閥的開關控制。V2閥控制電路如圖3所示。

圖3 V2閥控制電路

2.3 微型比例閥控制電路

氣相色譜分析儀氣路流量一般屬于低流量通量。氣體流量傳感器測量流量最大為200 mL/min。比例閥的開關程度靈活可調(diào)，能夠精準控制氣路中氣體流量大小[6]。本方案選用Parker公司的VSO低流量比例閥。該微型比例閥具有熱補償功能。其熱補償設計可精確控制低流量在1～500 mL/m之間。VSO微型比例閥能夠在各種溫度和各種類型的介質(zhì)下實現(xiàn)精確控制，開關循環(huán)可達1億次，是醫(yī)療設備和分析設備制造商的理想之選，同樣滿足氣路流量控制需求。

與微型氣動閥開關兩個狀態(tài)不同，如要控制微型比例閥實現(xiàn)氣路開關程度可以調(diào)節(jié)，比例控制電路同氣動閥的開關控制相比，稍顯復雜。電壓基準和DAC電路如圖4所示。

圖4 電壓基準和DAC電路

微型比例閥控制電路如圖5所示。

圖5 微型比例閥控制電路

該電路采用DC 12 V供電，采用電流驅(qū)動方式，在R22上端輸入0～5 V DC電壓，實現(xiàn)對VSO閥門的配置控制。因為單片機為3.3 V供電且無DAC輸出，所以需要外接DAC芯片電路來實現(xiàn)0～5 V DC可調(diào)電壓輸出。外置的DAC具有精度高、輸出電壓范圍增益可單獨設置、不受單片機本身供電電源限制等優(yōu)點[7]，選用ADI公司的AD5684R芯片。該DAC芯片具有4路電壓輸出，可同時輸出4路0～5 V DC。結(jié)合比例閥電流驅(qū)動控制電路，單個DAC就可以實現(xiàn)4路微型氣體比例閥的精準控制。當氣相色譜分析儀氣路中需要多路微型氣動比例閥進行控制時，通過適當增加部分控制電路，就可實現(xiàn)多路控制效果。單片機通過SPI接口、I/O口對DAC的四路輸出電壓進行控制。選用ADR4525R為DAC提供外部2.5 V基準電壓。

2.4 PIC32MX6單片機最小系統(tǒng)電路

PIC32MX6單片機是一款具有圖形接口、USB、CAN和以太網(wǎng)接口的32位單片機。其內(nèi)核頻率最高可以達到80 MHz，內(nèi)部集成上電復位和欠壓復位，在睡眠和空閑模式下，其功耗只有0.5 mA/MHz動態(tài)電流(典型值)。該單片機圖形接口最多具有34個并行主端口，可直接連接到外部圖形控制器，也可通過DMA和內(nèi)部或外部存儲器直接驅(qū)動LCD，方便顯示接口設計與控制。該單片機具有6個UART模塊(20 Mbit/s)、最多4路4線SPI模塊以及最多5個支持SMBus的I2C模塊[8]，外設接口豐富。方案中：單片機對WBIM200氣體流量傳感器采用I2C接口與之通信，用SPI接口與外置DAC進行通信，并以I/O控制實現(xiàn)V2閥的氣路通斷。對外的數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)實際需要，可以選擇UART、USB、I2C、以太網(wǎng)等接口進行設計。

PIC32MX6單片機最小系統(tǒng)電路主要由供電電源、復位電路、外部時鐘以及程序下載接口組成。

PIC32MX6供電電源需要在電源引腳放置去耦電容，通常建議為0.1 μF(10～20 V)低等微串聯(lián)電阻(equivalent series resistamce,ESR)陶瓷電容，使用大電容提高電源穩(wěn)定性建議典型范圍為4.7～47 μF，并盡可能靠近單片機放置。為使單片機性能最大化，從電源電路開始布置電路板的走線時，首先布置電源線并把線返回到去耦電容，然后再走線到器件引腳。這樣可確保去耦電容在電源鏈中處于第一位置。保持電容和電源引腳之間的走線長度盡可能短，因為這樣可以減少印制電路板(printed circuit board,PCB)走線間的互感。

復位電路由電阻和電容組成，外部時鐘選用8 M晶振作為外部高頻主振蕩器。單片機通過內(nèi)部PLL設置，可將主頻倍頻至80 MHz。程序下載接口選用MPLAB ICD3下載器，通過單片機PGECx/PGEDx 引腳以及電源引腳組成接口電路，無需額外器件[8]。

2.5 通信接口電路

單片機具有USB、CAN、UART、以太網(wǎng)、圖形接口等外部通信接口，可以根據(jù)需要選擇合適的外部接口，將傳感器采集的數(shù)據(jù)以及氣體電磁閥控制數(shù)據(jù)輸出到外部的顯示設備。各個通信接口都有自己的優(yōu)缺點，外設電路方案都比較成熟。對此，本文不作過多論述，根據(jù)實際需要進行設計即可。

3 結(jié)論

本文主要論述了一個基于PIC32MX6單片機對WBIM200高精度氣體流量傳感器、微型氣體開關電磁閥、微型氣體比例閥進行氣路流量監(jiān)測與控制的硬件電路設計實現(xiàn)方案。通過對氣體流量的監(jiān)測[9]、控制與調(diào)整，達到了對氣路中氣體流量的精準控制，以及對數(shù)據(jù)的采集以及控制。單片機可通過USB、UART、以太網(wǎng)通信等方式傳輸至上位機進行直觀顯示，為氣相色譜儀EPC系統(tǒng)[10]提供了一種硬件電路解決方案。