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1、电子测量与仪器学报2 0 0 6 年增刊 紫外可见分光光度计实时控制方法研究 徐丽徐小力谷玉海李志华， ( 北京机械工业学院机电系统测控北京市重点实验室，北京1 0 0 0 8 5 ) 摘要：介绍了紫外可见分光光度计的结构和原理，论述了一种对其行之有效的实时控制方法。以C 8 0 5 1 F 0 2 0 为中央控制单 元构建测控系统，通过多路定时器的硬件实时中断控制步进电机，实现了对其光路系统中各个部件的实时控制。通过实验测 试，该系统性能良好。 关键字：分光光度计实时控制C 8 0 51 F 0 2 0 步进电机 ， ， M e t h o df o rR e a l - t i m eC
2、o n t r o lo fU l t r a v i o l e t - V i s i b I eS p e c t r o p h o t o m e t e r X uL i X UX i a o l iG u Y h h a iL iZ h i h u a ( B e i j i n gK e yL a b o r a t o r y - M e a s u r e m e n ta n dC o n t r o lo f M e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lS y s t e m , B e i j i n gI n s t i t
3、 u t eo f M a c h i n e r y , B e i j i n g 1 0 0 0 8 5C h i n a ) A b s t r a c t ：I nt h i sp a p e r , t h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fu l t r a v i o l e t - v i s i b l es p e c t r o p h o t o m e t e rw e r ei n t r o d u c e d A ne f f e c t i v em e t h o d f o ri t sr e a l
4、- t i m ec o n t r o lw 器d e s c r i b e d T h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mw h o s ec e n t r a lc o n t r o tu n i tw a sC 8 0 51 F 0 2 0c o n t r o l l e d t h es t e p - m o t o r st h r o u g hh a r d w a r ei n t e r r u p tf r o mt h et i m e r sa n dt h u sr e a l i z e
5、 dt h er e a l - t i m ec o n t r o lo f t h ed e v i c e si nt h eo p t i c a ls y s t e m T h ee x p e r i m e n t a lt e s t i n gs h o w st h a tt h es y s t e mh a sg o o dp e r f o r m a n c e K e y w o r d s ：S p e c t r o p h o t o m e t e r , R e a l - t i m ec o n t r o l ，C 8 0 51 F 0 2 0
6、 ，S t e p m o o r 紫外可见分光光度计是根据朗伯一比耳定律， 利用物质对光的选择性吸收现象进行定性和定量 测定的一种分析仪器，广泛应用于环境保护、临床、 医药卫生、纺织、石油化工、食品等行业和教学科 研部门，是理化实验室常用的分析仪器之一。 由于该仪器是光机电一体化的产品，所用器件 较多，测量精度要求较高，所以如何在保证测量精 度的前提下提高仪器运行速度即实时性是亟待解 决的问题。本文给出了一种紫外可见分光光度计实 时控制的实现方法。 1 分光光度计系统设计 1 1 光学系统 为了提高测量精度及测量速度，采用双光束 法，仪器的光路系统由光源( 包括钨灯和氘灯、光 源反光镜) ，
7、单色器( 包括自动光门、入射狭缝、 滤色片组、全息光栅和出射狭缝) ，斩波器、样品 池( 参比、样品) 、接收器( 光电倍增管) 等组成。 具体光路如图l 所示。 基金项目：北京市教委科技发展计划重点项目【项目编 号：K Z 2 0 0 31 1 2 3 2 0 1 4 】 5 0 0 接收番 图1 分光光度计光路图 光理反光镜 根据所需光源波长，使用光源反光镜来选择钨 灯或者氘灯。狭缝的位置是固定的，档位( O 5 n m ， 1 O n m ，2 O n m ，5 0 n m ) 可由步进电机调节。光线 进入单色器后，先经过滤色片，其作用是阻挡可见 光范围光栅衍射的二级光谱。滤色片组由紫、
8、青、 金、橙及透射通孔构成，它们分列在一个圆盘上， 由步进电机控制选择所需滤色片。同时步进电机驱 动光栅机构，使光栅转动，从而改变入射角和衍射 角。在信号调理电路中采用斩波器将光束分成两 束，分别出射到参比池和样品池，以便于光电倍增 管交替接收来自参比池和样品池的光信号。光电倍 增管将光信号转化成电信号送到测量电路。 仪器工作时，需要控制光学系统中的各个器件 电子测量与仪器学报 2 0 0 6 年增刊 到达指定位置，测量光电倍增管接收到的信号，然 后对信号进行放大、滤波、A D 转换，最后对数据进 行定性定量的分析。为达到上述要求，下面构建测 控系统。 1 2 测控系统 测控系统分为两层，上层
9、采用基于W I N D O W S C E 的嵌入式单扳机系统，下层采用以C 8 0 5 1 F 0 2 0 为核心的单片机控制系统，上位机与下位机通过 P C I0 4 总线进行通讯。上层实现人机交互并发送控 制指令，通过P C I 0 4 总线与单片机下位机进行通 信，单片机再发指令控制下层的步进电机和开关继 电器使光路系统产生相应的动作，并将采集到的数 据传给主系统。测控系统的控制信号流主要包括数 字脉冲的发出( 提供给步进电机) 、数字信号的输 入( 来自光电耦合器) 、模拟信号的采集( 来自光 电倍增管) 等。上位机根据用户的输入，向下位机 发出采集位置信号的指令，单片机进行光电耦合
10、器 位置信号的采集并将数据回传给上位机；上位机根 据用户要求及位置信号，向下位机发出步进电机控 制指令( 包括对应的步进电机、脉冲数、转动方向 等) ，由单片机根据接收到的指令控制步进电机来 实现对光学系统相应部件的实时控制。系统框图如 图2 所示。 光路系统 r 。j 匦溺嘲 图2 分光光度计测控系统框图 测控系统以C 8 0 5 1 F 0 2 0 为中央控制单元，F 0 2 0 是美国德州C Y G N A L 公司推出的一种混合信号 S O C 型系统芯片，是高度集成的片上系统。它嵌入 了一款高速、低功耗、高性能的8 位微处理器，最 突出的特点是高速指令处理能力。片内集成了多通 道1
11、2 位和8 位A D 转换器以及一个双1 2 位D A 转换器，两个增强型U A R T 串口，便于模拟量和 数字量的采集、控制和通信传输。比常规5 l 单片 机有更多的定时计数器、中断、数字I O 接口。 为了实现仪器的自动控制，需要采用电动机驱 5 0 l 动其光学或机械部件剑达指定位置。步进电机是机 电一体化产品中常见的将电脉冲信号转换成机械 角位移的执行元件。其特点是输入一个电脉冲就转 动一步，即每当电机绕组接收一个电脉冲，转子就 转过一个相应的步距角。转子的角位移的大小及转 速分别与输入的电脉冲数及其频率成正比，并在时 间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数 量、频率以及电机绕组
12、通电相序即可获得所需的转 角、转速及转向，很容易实现微机数字控制。 仪器中的狭缝和样品池，电源反光镜及斩波器 等采用S M D 公司的4 2 Y G 4 0 4 ，采用四相四拍通电 方式，其步距角可达到1 8 。；光源切换及斩波器 采用S M D 的A D 3 5 0 2 M ，步距角为7 5 。为了提 高单色器的单色性，光栅及滤色片驱动电机采用四 通的最大6 4 细分驱动的双相混合式步进电机 4 2 B Y G 2 5 0 C 。其步距角为1 8 。经计算，给电机 发一个脉冲对应光栅移动0 0 1 n m 。 2 实时控制方案 系统要求精确控制各个器件的位置，对某种样 品定性测量时需要进行光
13、谱扫描，导致大量的数据 传输和数据处理。传输的问题依靠P C I 0 4 并行总线 强大的数据传输能力来解决，处理数据的工作由嵌 入式C P U 完成。而同时保证测量精度和系统运行 速度、精度的问题，通过下面的实时控制方案来解 决。 2 1 控制电路 控制系统分别用F 0 2 0 单片机的P 1 、P 2 、P 3 口 控制六个电机。图3 为P 2 口控制电机l 的原理图， 其他电机与此类似。图中F 0 2 0 的P 2 0 P 2 3 经过光 电隔离T L P 5 2 1 驱动步进电机适配器l - U 2 ，由它来 控制电机的转速、方向等。以P 2 1 控制电机转向为 例：当P 2 1 口输
14、出为高电平时，T L P 5 2 1 - 4 中的 1 - U I A 发光二极管由于两端均为高电平，不发光， 于是三极管截止，不导通，C P l 为高电平，通过步 进电机驱动器，使电机正转；当P 2 1 口输出为低电 平时，T L P 5 2 1 4 中的1 U l A 发光二极管导通发光， 因此三极管导通，C P l 输出低电平，通过步进电机 驱动器，使电机反转。P 2 0 、P 2 2 、P 2 3 口工作原 理类似丁P 2 1 口，分别控制步进电机的运行、步进 以及锁定。 电子测量与仪器学报 2 0 0 6 年增刊 T L P 5 2 1 4 图3P 2 口驱动电机电路 2 2 控制流
15、程 在该仪器中有很多光学器件，这些器件在测量 过程中需要改变方向或位置。为了使测量更加方便 快捷，需要控制光路的六个电机同时运转，使器件 快速的达到要求的位置。 图4 定时器中断程序 在8 位单片机系统上实现多线程多任务，需要 5 0 2 单片机具有较高的时钟频率及处理速度，对单片机 提出了较高的要求。C 8 0 5 1 F 0 2 0 的C I P 5 1 内核采用 流水线结构，与标准的8 0 5 1 结构相比指令执行速 度有很大的提高。另外，它有5 个通用的1 6 位定 时器，采用多个定时器固定时间的定时中断分别控 制相应的步进电机，实现多个任务同时进行。即在 主程序与上位机通讯、采集处理
16、数据、传输数据的 同时，由定时器中断子程序来完成驱动步进电机的 工作。主程序通过改变相应电机的运行参数来改变 电机的运行状态。具体流程图如图4 。 2 3 程序实现 下面以定时器3 控制滤色片电机的程序为例介 绍程序。 头文件： 滤色片控制电机 # d e f i n eC ：P 1P 20 # d e f i n eD l R lP 2l # d e f i n eF R E E lP 22 # d e f i n eH O T o lP 23 # d e f i n eF R E EF I L T E RF R E E I = I 电机无力矩 # d e f i n eR U NF l L T E RF R E El = 0 控制滤色片 控制光栅滤 彤眦强一苎。c B 。 # 一 电子测量与仪器学报 2 0 0 6 年增千 色片电机可带负载运行 # d e f i n eH O T OF I L T E RH O T O I = 0
